CN103515200A - 一种厚多晶硅的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种厚多晶硅的制备方法，包括：在硅片的正表面上淀积一层薄的多晶硅层作为种子层；以及在所述种子层上，通过使用外延气体，外延生长出一层厚的多晶硅层。通过使用本发明能够高效地获得厚多晶硅，同时又能够解决反应炉内副产品的堆积带来的问题。

Description

一种厚多晶硅的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体器件技术，尤其涉及半导体器件中的电子级硅这一重要原料的制备方法。
背景技术
多晶硅是一种重要的半导体材料，广泛应用于集成电路、太阳能器件和微机电系统等领域。制备多晶硅最常用的方法是低压化学气相沉积（LPCVD），其制备多晶硅的过程是在约630℃的高温下，通过SiH4 发生热分解淀积成多晶硅。这种方法生长的多晶硅晶粒较小，但是其生长速度慢，生长厚度一般为1 微米左右。当生长的多晶硅太厚时，反应炉内副产物的堆积会对泵等硬件产生损耗。
此外，西门子法也是一种常见的多晶硅的制备方法。在西门子法中，要在反应炉中竖立设置许多成为晶种棒的硅芯棒并预先进行通电加热，对反应炉供给包含氯硅烷气体和氢气的原料气体，使得原料气体和加热后的硅芯棒接触。在加热后的硅芯棒的表面就会析出多晶硅。有资料显示，当原料气体的供给量少时，多晶硅的析出变得不充分。提高多晶硅的生长速度的一种方法是给予充分的原料气体的供给。
但是，目前尚没有能够很好地解决由于反应炉内副产品的堆积而对硬件产生损耗这一问题的方案。
发明内容
为了解决上述问题的至少一个方面，本发明公开了一种厚多晶硅的制备方法，包括：在硅片的正表面上淀积一层薄的多晶硅层作为种子层；以及在所述种子层上，通过使用外延气体，外延生长出一层厚的多晶硅层。
根据本发明的一个方面，厚多晶硅的制备方法中，所述淀积一层薄的多晶硅层作为种子层的步骤通过低压化学气相淀积来实现。
根据本发明的一个方面，厚多晶硅的制备方法中，所述淀积一层薄的多晶硅层作为种子层的步骤通过固相晶化法或者金属诱导法来实现。
根据本发明的一个方面，厚多晶硅的制备方法中，所述淀积一层薄的多晶硅层作为种子层的步骤通过脉冲快速热烧结法或者准分子激光晶化来实现。
根据本发明的一个方面，厚多晶硅的制备方法中，所述外延气体是三氯氢硅。
根据本发明的一个方面，厚多晶硅的制备方法中，所述外延气体是四氯化硅、硅烷、或者二氯硅烷。
根据本发明的一个方面，厚多晶硅的制备方法中，所述外延气体的温度是900至1200摄氏度。
根据本发明的一个方面，厚多晶硅的制备方法中，所述种子层的厚度是50至1000nm。
根据本发明的一个方面，厚多晶硅的制备方法中，所述硅片是单晶硅片。
通过使用本发明能够高效地获得厚多晶硅，同时又能够解决反应炉内副产品的堆积带来的问题。
附图说明
通过阅读以下详细说明，并参考附图，可以对本发明有一个更全面的了解。附图中：
图1示出了根据本发明的厚多晶硅制备方法的第一个步骤；
图2示出了根据本发明的厚多晶硅制备方法的第二个步骤。
具体实施方式
在本发明中，除了常见的低压化学气相沉积以外，还涉及以下几种多晶硅的制备方法，包括：
一. 固相晶化法(SPC)
    所谓固相晶化，是指非晶固体发生晶化的温度低于其熔融后结晶的温度。这是一种间接生成多晶硅的方法，先以硅烷气体作为原材料，用低压化学气相沉积方法在550℃左右沉积a-Si薄膜，然后将薄膜在600℃以上的高温下使其熔化，再在温度稍低的时候出现晶核，随着温度的降低熔融的硅在晶核上继续晶化而使晶粒增大转化为多晶硅薄膜。
使用这种方法，多晶硅薄膜的晶粒大小依赖于薄膜的厚度和结晶温度。退火温度是影响晶化效果的重要因素，在700℃以下的退火温度范围内，温度越低，成核速率越低，退火时间相等时所能得到的晶粒尺寸越大；而在700℃以上，由于此时晶界移动引起了晶粒的相互吞并，使得在此温度范围内，晶粒尺寸随温度的升高而增大。
二. 金属诱导法（MIC）
在沉积非晶硅膜之前或之后，用热蒸发的方法镀上一层很薄的金属，然后再用热处理的方法退火。当前金属诱导法中应用较多的金属诱导源是纯金属镍，金属Ni与a-Si在界面处形成NiSi2的硅化物，利用硅化物释放的潜热及界面处因晶格失错而提供的晶格位置，a-Si原子在界面处重结晶，形成多晶硅晶粒，NiSi2层破坏，Ni原子逐渐向a-Si层的底层迁移，再形成NiSi2硅化物，如此反复直到a-Si层基本上全部晶化。
三 准分子激光晶化(ELA)
    激光晶化相对于固相晶化制备多晶硅来说更为理想，其利用瞬间激光脉冲产生的高能量入射到非晶硅薄膜表面，仅在薄膜表层100nm厚的深度产生热能效应，使a-Si薄膜在瞬间达到1000℃左右，从而实现a-Si向p-Si的转变。在此过程中，激光脉冲的瞬间能量被a-Si薄膜吸收并转化为相变能，因此，不会有过多的热能传导到薄膜衬底，合理选择激光的波长和功率，使用激光加热就能够使a-Si薄膜达到熔化的温度且保证基片的温度低于450℃，可以采用玻璃基板作为衬底。其主要优点为脉冲宽度短，衬底发热小。通过选择还可获得混合晶化，即多晶硅和非晶硅的混合体。准分子激光退火晶化的机理是，激光辐射到a-Si的表面，使其表面在温度到达熔点时即达到了晶化域值能量密度。a-Si在激光辐射下吸收能量，激发了不平衡的空穴对，增加了自由电子的导电能量，热电子－空穴对在热化时间内用无辐射复合的途径将自己的能量传给晶格，导致近表层极其迅速的升温，由于非晶硅材料具有大量的隙态和深能级，无辐射跃迁是主要的复合过程，因而具有较高的光热转换效率。 
    四. 脉冲快速热烧结法（PRTA）
    脉冲快速热烧结法和准分子激光烧结法都是把非晶硅加热融化，液态非晶硅冷却时发生晶化。但在脉冲快速热烧结法中能量并不是由激光来提供。
根据本发明的制备厚多晶硅的方法中的一个或多个步骤中使用了上述多种方法中的一种或几种。
图1示出了根据本发明的制备厚多晶硅的第一个步骤，即在硅片101的正表面上淀积一层多晶硅作为进一步外延所使用的种子层102。种子层102的厚度值一般不高，通常可以是50至1000nm。种子层102可以通过低压化学气相淀积来实现。硅片101可以是裸硅片或者表面沉积有介质层的硅片。
图2示出了在淀积种子层102之后的第二个步骤。由于在第一个步骤中多晶硅的厚度仅有50至1000nm，没有达到最后的厚度要求。在步骤2中，则通过在种子层102上外延生长出外延层103来实现厚度要求。在这个实施例中，外延生长通过使用三氯氢硅（SiHCl3）来实现，外延温度可以在900至1200摄氏度。
根据本发明的另一个实施例，制备厚多晶硅的方法也包括上述淀积一层多晶硅作为进一步外延所用的种子层102和在种子层102上外延生长出外延层103的步骤。但与上述方法不同之处在于，淀积一层薄的多晶硅层作为种子层的步骤不是通过低压化学气相淀积，而是通过固相晶化法或者金属诱导法来实现的。
根据本发明的又一个实施例，制备厚多晶硅的方法也同样包括上述淀积一层多晶硅作为进一步外延所用的种子层102和在种子层102上外延生长出外延层103的步骤。但与上述方法不同之处在于，淀积一层薄的多晶硅层作为种子层的步骤是通过脉冲快速热烧结法或者准分子激光晶化来实现的。
根据本发明的再一个实施例，制备厚多晶硅的方法还是包括上述淀积一层多晶硅作为进一步外延所用的种子层102和在种子层102上外延生长出外延层103的步骤。但与上述方法不同之处在于，不是使用三氯氢硅作为外延气体来外延生长出外延层103，而是通过四氯化硅、硅烷、或者二氯硅烷作为外延气体来外延生长出外延层103。
虽然附图和前面的详述中介绍了本发明的优选实施方案，但是应当理解的是，本发明并不局限于具体公布的实施方案，在不偏离权利要求规定的范围的前提下，仍然可以有多种的修改和变形。

Claims (9)

1.一种厚多晶硅的制备方法，包括：
在硅片的正表面上淀积一层薄的多晶硅层作为种子层；以及
在所述种子层上，通过使用外延气体，外延生长出一层厚的多晶硅层。
2.如权利要求1所述的厚多晶硅的制备方法，其中，所述淀积一层薄的多晶硅层作为种子层的步骤通过低压化学气相淀积来实现。
3.如权利要求1所述的厚多晶硅的制备方法，其中，所述淀积一层薄的多晶硅层作为种子层的步骤通过固相晶化法或者金属诱导法来实现。
4.如权利要求1所述的厚多晶硅的制备方法，其中，所述淀积一层薄的多晶硅层作为种子层的步骤通过脉冲快速热烧结法或者准分子激光晶化来实现。
5.如权利要求1所述的厚多晶硅的制备方法，其中，所述外延气体是三氯氢硅。
6.如权利要求1所述的厚多晶硅的制备方法，其中，所述外延气体是四氯化硅、硅烷、或者二氯硅烷。
7.如权利要求1所述的厚多晶硅的制备方法，其中，所述外延气体的温度是900至1200摄氏度。
8.如权利要求1至6中任意一项所述的厚多晶硅的制备方法，其中，所述种子层的厚度是50至1000nm。
9.如权利要求1所述的厚多晶硅的制备方法，其中，所述硅片是裸硅片或者表面沉积有介质层的硅片。
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