CN1725447A - 晶化非晶Si膜的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种晶化非晶Si膜的方法。这种晶化非晶Si膜的方法包括：向形成在衬底上的非晶Si膜中掺入预定的金属离子，以及，对掺有金属离子的非晶Si膜退火以晶化该非晶Si膜。根据该晶化非晶Si膜的方法，可以用更低的能量晶化非晶Si膜，且晶化的Si膜的表面粗糙度可以得到改善。

Description

晶化非晶Si膜的方法
技术领域
本发明涉及一种晶化非晶Si膜的方法，尤其涉及一种利用低能量晶化非晶Si膜、从而改善晶化的Si膜的表面粗糙度的方法。
背景技术
美国专利No.4406709和美国专利No.4309225公开了一种晶化非晶Si膜的方法。
依照传统的晶化非晶化Si膜的方法，通过将强激光束照射到非晶Si膜表面上使非晶Si膜瞬间熔化，并再使熔化的非晶Si膜冷却，由此制备具有几十μm厚度的晶化的Si膜。
然而，在这种方法的情况下，由于晶化的Si晶粒的尺寸由激光束能量强度所决定，因此，高能量激光束是形成具有更小晶粒尺寸的Si晶体所必需的。
此外，由于使用了高能量激光束，晶化的Si膜的表面粗糙度变差了。
最近，美国专利No.6479329B2提供了一种利用激光退火使用晶化催化材料以利用低能量激光束晶化非晶Si膜的方法。
据美国专利No.6479329B2报道，在通过旋涂和构图Ni硅化物层、在非晶Si膜上形成Ni硅化物层之后执行退火工艺时，在设有Ni硅化物的部分中发生非晶Si膜的晶化。在这种情况下，Ni硅化物被用作了催化材料。
然而，在这种方法的情况下，在晶化部分中存在相当多的Ni硅化物，并且，晶化仅发生在接触Ni硅化物的表面部分上。
发明内容
本发明提供了一种利用低能量晶化非晶Si膜、从而改善晶化的Si膜的表面粗糙度的方法。
根据本发明的一方面，提供了一种晶化非晶Si膜的方法，该方法包括：用预定金属离子掺杂形成于衬底上的非晶Si膜；并将掺有金属离子的非晶Si膜退火，以晶化非晶Si膜。
附图说明
通过参考附图详细描述本发明的示范性实施例，其上述和其他特征以及优势将变得更加明显，在附图中：
图1A到1C是根据本发明的晶化非晶Si膜的方法的工艺流程图；
图2A和2B是有Ni离子注入(图2A)和无Ni离子注入(图2B)的样品横截面的透射电镜(TEM)照片，它们是在用300mJ/cm2的能量退火样品后拍摄的；
图3A和3B是有Ni离子注入(图3A)和无Ni离子注入(图3B)的样品横截面的透射电镜照片，它们是在用500mJ/cm2的能量退火样品后拍摄的；
图4A和4B是有Ni离子注入(图4A)和无Ni离子注入(图4B)的样品横截面的透射电镜照片，它们是在用600mJ/cm2的能量退火样品后拍摄的；
图5A和5B是有Ni离子注入(图5A)和无Ni离子注入(图5B)的样品横截面的透射电子衍射(TED)照片，它们是在用300mJ/cm2的能量退火样品后拍摄的；
图6A和6B是有Ni离子注入(图6A)和无Ni离子注入(图6B)的样品横截面的透射电子衍射(TED)照片，它们是在用500mJ/cm2的能量退火样品后拍摄的；
图7A和7B是有Ni离子注入(图7A)和无Ni离子注入(图7B)的样品横截面的透射电子衍射(TED)照片，它们是在用600mJ/cm2的能量退火样品后拍摄的；以及
图8示出了用AFM测量Ni离子注入样品和无Ni离子注入样品的表面的RMS的结果与退火能量的关系。
具体实施方式
在下文中，将参考附图更详细地描述根据本发明的晶化非晶Si膜的方法。
共同参照图1A到1C，首先在形成在衬底20上的非晶Si膜22中掺入预定的金属离子，以获得掺有金属离子的非晶Si膜24。
衬底为非晶Si、玻璃、蓝宝石、MgO、金刚石和GaN衬底中的任何一种。
该金属是Ag、Au、Al、Cu、Cr、Co、Ni、Ti、Sb、V、Mo、Ta、Nb、Ru、W、Pt、Pd、Zn和Mg中的至少一种。因此，这些金属是单独使用或组合使用的。
以1×1010原子/cm2到1×1017原子/cm2的量掺入金属离子。
利用离子注入设备进行金属离子的注入，金属离子的掺杂能量在1-1000keV范围内。
根据本发明的另一实施例，也可以使用另一种本技术领域公知的离子掺杂设备进行金属离子掺杂。
然后，利用激光束退火掺有金属离子的非晶Si膜24。在退火操作中，非晶Si膜24被晶化，从而获得晶化的Si膜26。
与未掺入金属离子的非晶Si膜相比，掺入金属离子的非晶Si膜24在更低的激光束能量密度下被晶化。这一点可以得到金属离子的激光吸收系数和催化效果的支持。
通常，在激光退火的情况下，晶化非晶Si的程度主要由非晶Si的激光吸收系数决定。
掺在非晶Si膜24中的金属离子增大了非晶Si的激光吸收系数。因而，当利用激光束退火时，非晶Si膜24吸收了更多的激光能量。
此外，参在非晶Si膜24中的金属离子还起到催化剂的作用，在非晶Si退火时它能够促进非晶Si的结晶。
因而，有可能利用低能量的激光束晶化非晶Si膜24，并且，利用低激光束能量晶化的Si膜可能具有改善的表面粗糙度。
激光束的能量密度范围在50-3000mJ/cm2的范围内。激光束的能量密度范围可以在300-800mJ/cm2的范围内。
根据本发明的另一个实施例，还可以使用另一种具有加热器的设备进行退火。
根据本发明的晶化非晶Si膜的方法，可以利用低能量晶化非晶Si膜。此外，由于使用了低能量的激光束，晶化的Si膜的表面粗糙度可能会得到改善。
根据本发明的晶化非晶Si膜的方法，非晶Si膜可以从表面到一定厚度得到均匀的晶化。这是因为，有可能利用离子注入设备为非晶Si膜注入预定厚度的金属离子。掺杂厚度是由离子注入能量决定的。
可以将均匀晶化的效果与美国专利No.6479329 B2所披露的缺点进行对比，即，晶化部分中存在相当多的Ni硅化物且晶化仅发生在接触Ni硅化物的表面部分上。
尤其是，当把本发明的晶化非晶Si膜的方法应用到有源矩阵液晶显示器(AMLCD)、半导体存储器件和下一代器件时，可以有效地制作高质量的器件，且器件的性能得到了提高，从而提高了产品的竞争力。
例
在本例中，首先制备一样品，该样品在Si衬底上形成有非晶Si膜。然后，利用25keV的能量以1×1015原子/cm2的剂量在非晶Si膜上进行Ni离子注入。
然后将Ni离子注入后的样品载入真空反应室内，然后在保持大约10-3托真空度的条件下利用准分子激光束进行退火。
在本例中，使用的是KrF准分子激光束，且激光束的能量密度在300-700mJ/cm2的范围内。
为了验证Ni离子注入的效果，制备无Ni离子注入的样品，并在如上述相同的条件下进行退火，且与有Ni离子注入的样品进行比较。
图2A和2B是有Ni离子注入(图2A)和无Ni离子注入(图2B)的样品横截面的透射电镜(TEM)照片，它们是在用300mJ/cm2的能量退火样品后拍摄的。
图3A和3B是有Ni离子注入(图3A)和无Ni离子注入(图3B)的样品横截面的透射电镜照片，它们是在用500mJ/cm2的能量退火样品后拍摄的。
图4A和4B是有Ni离子注入(图4A)和无Ni离子注入(图4B)的样品横截面的透射电镜照片，它们是在用600mJ/cm2的能量退火样品后拍摄的。
共同参考图2A、2B、3A、3B、4A和4B，可以发现，随着能量密度的增大，非晶Si膜得到了晶化。
可以看到，在有Ni离子注入的样品的情况下(图2A、3A、4A)，随着激光能量密度的增加，样品的表面粗糙度得到了改善。相反，无Ni离子注入的样品(图2B、3B、4B)具有劣化的表面粗糙度。
图5A和5B是有Ni离子注入(图5A)和无Ni离子注入(图5B)的样品横截面的透射电子衍射(TED)照片，它们是在用300mJ/cm2的能量退火样品后拍摄的。
图6A和6B是有Ni离子注入(图6A)和无Ni离子注入(图6B)的样品横截面的透射电子衍射(TED)照片，它们是在用500mJ/cm2的能量退火样品后拍摄的。
图7A和7B是有Ni离子注入(图7A)和无Ni离子注入(图7B)的样品横截面的透射电子衍射(TED)照片，它们是在用600mJ/cm2的能量退火样品后拍摄的。
共同参考图5A、5B、6A、6B、7A和7B，在300mJ/cm2处，有Ni离子注入的样品(图5A、6A、7A)开始了非晶Si膜的晶化。随着能量密度的增大，非晶Si逐渐结晶，在600mJ/cm2处，整个非晶Si膜被晶化。
然而，与有Ni离子注入的样品(图5A、6A、7A)相比，无Ni离子注入的样品(图5B、6B、7B)具有更低的结晶度。
图8示出了用AFM针对退火能量测量Ni离子注入样品和无Ni离子注入样品的表面的均方根(RMS)的结果。
在两种样品中，都可以发现，随着能量密度增加到600mJ/cm2，RMS粗糙度增加了，但是RMS粗糙度是在600mJ/cm2或更大的能量密度上增加的。
在能量密度的整个范围内，有Ni离子注入的样品的表面和无Ni离子注入的样品的表面相比，具有更小的RMS粗糙度。
在600mJ/cm2退火后，测量得到的有Ni离子注入的样品和无Ni离子注入的样品的载流子迁移率分别是49.4cm2/V·s和10.2cm2/V·s。
这一结果表明，有Ni离子注入的样品的结晶度优于无Ni离子注入的样品。
也就是说，当使用根据本发明的晶化非晶Si膜的方法制作LCD装置时，可以获得具有高载流子迁移率的装置。
根据本发明的晶化非晶Si膜的方法，非晶Si膜可以在低能量下晶化且晶化的Si膜的表面粗糙度可以得到改善。
此外，根据本发明的晶化非晶Si膜的方法，非晶Si膜可以从表面到一定厚度获得均匀的晶化。
特别地，当把本发明的晶化非晶Si膜的方法应用到有源矩阵液晶显示器(AMLCD)、半导体存储器件和下一代器件时，可以有效地制作高质量的器件，且最大化器件的性能，从而提高了产品的竞争力。
尽管参照其示范性实施例对本发明进行了特别的展示和描述，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明做出各种形式和细节的变化，而不会背离权利要求所定义的本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种晶化非晶Si膜的方法，所述方法包括：
向在衬底上形成的非晶Si膜中掺入预定的金属离子；以及
退火掺有所述金属离子的所述非晶Si膜以晶化所述非晶Si膜。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述金属为从由Ag、Au、Al、Cu、Cr、Co、Ni、Ti、Sb、V、Mo、Ta、Nb、Ru、W、Pt、Pd、Zn和Mg所构成的组中选择的至少一种。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述金属离子以1×1010原子/cm2到1×1017原子/cm2的量掺入。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述金属离子的掺杂能量在1-1000keV范围内。
5.如权利要求1所述的方法，其中利用激光束进行所述退火。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述激光束的能量密度在50-3000mJ/cm2的范围内。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述激光束的能量密度在300-800mJ/cm2的范围内。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述衬底为选自由非晶Si、玻璃、蓝宝石、MgO、金刚石和GaN衬底组成的组的任一种。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述金属离子的掺入是使用离子注入设备进行的。
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