TWI389177B - 單晶矽基板成長多晶鍺薄膜同時形成ｐ＋型矽摻雜之製作方法及其結構 - Google Patents
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Description
本發明係以單晶矽基板成長多晶鍺與P型摻雜雙重效應之製作方法，特別是應用P型金屬材料及金屬誘發結晶技術，同時將非晶鍺薄膜轉晶為多晶鍺薄膜及P型摻雜作用的雙重效應的製作方法。
一般認知，多晶半導體相較於非晶半導體具有較高的電子移動率。之前，大型的顯示器技術或太陽能元件之發展礙於製程技術(例如製程溫度控制)及成本考量的因素，都以非晶矽作為光電元件或電晶體元件的主要材質，但，如前所述，非晶材質的矽半導體因為電子移動率較差，讓整體的光電元件或電晶體效能不佳。為了解決這樣的問題，尋求既可以符合低溫製造又可滿足大面積結晶化等要求，乃是目前研究重點技術之一。半導體多晶化的技術非常多種，但經常顧此失彼而無法兼顧低溫、大面積、快速量產等要求。
半導體的再結晶可以從製程溫度來區別，高溫多晶矽一般以單晶矽大型積體電路製程為基礎，其製程溫度高於900℃，高溫製程需要高能量的消耗，使用石英高溫爐及單晶矽或石英基板，常見的多晶矽成長技術如激發雷射退火(Excimer laser annealing(ELA))、固相結晶法(solid－phase crystallization(SPC))和快速熱退火(rapid thermal
annealing(RTA))，然，前述該些高溫再結晶技術，雖可以獲得效果良好的結晶，但是，卻不能滿足低溫、大面積等要求。
另一方面，由於低溫多晶矽常使用低成本玻璃基板做為基礎，其最高製程溫度必須低於600℃。為了能在玻璃基板上製作多晶矽薄膜的目標，遂有選擇金屬誘發結晶來降低製程溫度以製造多晶矽薄膜。金屬誘發的機制主要是使用金屬觸發非晶矽薄膜反應，促使薄膜結晶成長的一種方法。金屬誘發結晶的方式，依成長方向可分成兩種，一種是誘發結晶上下縱向成長稱為金屬誘發結晶(Metal－Induced crystallization，MIC)，另一種是誘發結晶往側邊成長稱為金屬誘發側向結晶(Metal－Induced LateralCrystallization，MILC)。
如前所述，利用金屬誘發結晶製程產生大面積多晶化的矽半導體已經頗為成熟，其可作為大面積多晶矽低溫製程，可應用在太陽電池、薄膜電晶體及顯示器上。然而，常見的金屬誘發轉晶以矽－金屬(鋁或鎳)為主。
綜整前述說明，目前用於大面積非晶態半導體層之多晶化技術中，具有如下缺點與技術障礙：1.高溫多晶化技術溫度無法滿足低溫需求，且非晶矽薄膜之成長主要先使用化學氣相沉積方式完成，而必須使用危險性氣體，造成製造過程危險。
2.目前主要均以係半導體為研究主軸，其他半導體材質之多晶化研究甚微，例如，鍺的多晶化研究並不多見，
限制多元半導體光電元件之發展。
為了解決前述既有技術使用大量危險氣體而提高製程風險，且因為材料選擇少而限制多元半導體光電元件發展的問題，本發明提供一單晶矽基板成長多晶鍺薄膜同時形成P＋
型矽摻雜之製作方法及其結構，係利用金屬誘發結晶製程讓一多晶鍺層形成於一單晶矽基板表面，其過程均使用物理氣相沉積裝置，因此避免使用大量危險氣體，且提供一簡便快速的方法對該單晶矽基板進行摻雜並形成該多晶鍺層，達到簡化製程及提供多元半導體結構之目的。
配合前述的技術問題及發明目的，本發明提供一種單晶矽基板成長多晶鍺薄膜同時形成P＋
型矽摻雜之製作方法，其步驟包含：單晶矽基板清潔，係選取一包含至少一拋光面之單晶矽基板，並清除該拋光面之表面雜質與原生氧化層；沉積金屬層，係以物理氣相沉積製程於該拋光面鍍製一可與鍺半導體產生共晶反應之金屬層；沉積非晶鍺層，係於該金屬層表面，以物理氣相沉積製程鍍製一非晶鍺層；執行金屬誘發結晶及摻雜，係將完成鍍製該非晶鍺層之該單晶矽基板進行加熱處理，使該金屬層局部於該單晶矽基板表面形成一P型重摻雜矽層，並且使該金屬層與該非晶鍺層形成共晶並誘發該非晶鍺層形成一多晶鍺層於該
單晶矽基板表面；以及蝕刻表面金屬層，係蝕刻去除形成於該多晶鍺層表面之一表面金屬層。
其中，該單晶矽基板清潔係先以化學清洗方式去除該單晶矽基板表面之雜質與原生氧化層，再以去離子水清洗並以氮氣吹乾後，予以烘乾。
其中，該沉積金屬層係以蒸鍍或濺鍍將材質為鋁之該金屬層鍍製於該單晶矽基板表面。
其中，該沉積非晶鍺層係以濺鍍方式將厚度與該金屬層對應之該非晶鍺層形成於該金屬層表面。
其中，該執行金屬誘發結晶及摻雜係採用一高溫退火爐或一快速熱退火爐對該單晶矽基板進行加熱，且其製程溫度範圍於450~550℃。
本發明再提供一種單晶矽基板成長多晶鍺薄膜同時形成P＋
型矽摻雜之結構，其包含一單晶矽基板以及形成於該單晶矽基板表面之一多晶鍺層，該單晶矽基板包含一P型重摻雜矽層係形成於該單晶矽基板並緊鄰於該多晶鍺層，其中，該P型重摻雜矽層與該多晶鍺層係以下列步驟成形：鍍製一金屬層於該單晶矽基板表面；鍍製一非晶鍺層於該金屬層表面；對包含該金屬層及該非晶鍺層之該單晶矽基板進行熱處理製程，使該金屬層於該單晶矽基板表面形成該P型重摻雜矽層同時誘發該非晶鍺層形成一多晶鍺層於該單晶矽基板表面後，形成一表面金屬層於該多晶鍺層表面；以及
蝕刻去除該表面金屬層。
藉此，本發明具有可快速且在相對低溫之製程環境下，並利用單一之熱處理製程，可於單晶矽基板表面形成一多晶鍺層，同時對該單晶係基板形成一P型重摻雜矽層，大量簡化製程步驟以及縮短製程時間。而且，過程之中均採用物理氣相沉積製程，避免使用危險氣體。
請參考第一圖，其為本發明之單晶矽基板成長多晶鍺薄膜同時形成P＋
型矽摻雜之製作方法較佳實施例，其步驟包含：單晶矽基板清潔(201)、沉積金屬層(202)、沉積非晶鍺層(203)、執行金屬誘發結晶及摻雜(204)以及蝕刻表面金屬層(205)。
該單晶矽基板清潔(201)步驟中，請參考第二圖，其係選取一具有至少一拋光表面之單晶矽基板(301)，先浸泡在以硫酸加過氧化氫(3：1)的混合溶液中加熱80℃10分鐘後，再利用去離子水沖洗1分鐘，以去除該單晶矽基板(301)拋光表面之有機雜質，再利用氫氟酸去除表面原生氧化層及表面雜質，最後，單晶矽基板(301)取出後用氮氣吹乾表面，置放在烤箱中150℃ 10分鐘，避免水漬或二次污染。
該沉積金屬層(202)步驟中，係於清潔後之該單晶矽基板(301)拋光表面沉積一金屬層(302)，該金屬層(302)為一可與鍺半導體產生共晶而讓非晶之鍺半導體誘發結晶之金屬，其材質可為鋁...等，其製程方式係由蒸鍍或濺鍍等物
理氣相沉積製程技術所製成。較佳地，該金屬層(302)為熱阻式蒸鍍製成一鋁薄膜，該厚度為500nm。
該沉積非晶鍺層(203)步驟中，係為於該金屬層(302)上表面沉積一非晶鍺層(303)，作為金屬誘發結晶所需的非晶轉晶層，其製程方法利用物理氣相沉積技術將該非晶鍺層(303)沉積在金屬層(302)上，金屬靶材材料係為鍺半導體。較佳地，該非晶鍺層(303)之鍍製係以鍺靶材濺鍍法製成。較佳地，該非晶鍺層(303)為濺鍍製程方式形成，其厚度為500 nm。
該執行金屬誘發結晶及摻雜(204)步驟中，係將完成非晶鍺層(303)步驟後的該單晶矽基板(301)進行熱處理退火製程(例如：爐管)，於加熱過程中，該金屬層(302)部分擴散到單晶矽基板(301)，並於該單晶矽基板(301)內部表層形成一P型重摻雜矽層(3012)的單晶矽基板(301)，同時，該金屬層(302)與該與該非晶鍺層(303)形成共晶並同時誘發該非晶鍺層(303)轉換結晶而形成一多晶鍺層(303A)於該單晶矽基板(301)表面。於該多晶鍺層(303A)轉晶完成後，於該多晶鍺層(303A)之表面形成一表面金屬層(302A)，形成本發明所謂之雙重效應製程，經過此金屬誘發結晶熱退火處理後，同時形成該單晶矽基板(301)表面之P型重摻雜矽層(3012)與多晶鍺層(303A)薄膜，簡化製程步驟。此金屬誘發結晶技術係運用熱動力學方式，藉由熱因素影響，在適當的控制溫度與時問下，將非晶材料轉晶為多晶材料，本發明係由高溫退火爐或快速退火爐之一種製程皆
可，較佳的是，係以高溫退火爐製程，其製程溫度範圍為450~550℃。
該蝕刻表面金屬層(205)步驟中，係於該執行金屬誘發結晶及摻雜(204)步驟後，將形成於該多晶鍺層(303A)表面之表面金屬層(302A)去除，其可利用濕式(如化學溶液蝕刻)或乾式蝕刻(如電漿輔助蝕刻)方式將該表面金屬層(302A)去除，其中，去除過程必須依據表面金屬層(302A)之材質，選擇不同的蝕刻液或乾式蝕刻製程參數(電漿反應氣體、功率...等)，完成去除該表面金屬層(302A)之後，最終將於該單晶矽基板(301)表面形成該多晶鍺層(303A)，如第三圖所示，如此，讓後續的製程可以依序鍍製或形成於該多晶鍺層(303A)表面，形成具有光電轉換效果的元件。
(301)‧‧‧單晶矽基板
(3012)‧‧‧P型重摻雜矽層
(302)‧‧‧金屬層
(302A)‧‧‧表面金屬層
(303)‧‧‧非晶鍺層
(303A)‧‧‧多晶鍺層
第一圖為本發明較佳實施例之流程圖。
第二圖為本發明較佳實施例之製程步驟結果示意圖。
第三圖為本發明較佳實施例之層狀結構示意圖。
Claims (9)
- 一種單晶矽基板成長多晶鍺薄膜同時形成P＋ 型矽摻雜之製作方法，其步驟包含：單晶矽基板清潔，係選取一包含至少一拋光面之單晶矽基板，並清除該拋光面之表面雜質與原生氧化層；沉積金屬層，係以物理氣相沉積製程於該拋光面鍍製一可與鍺半導體產生共晶反應之金屬層；沉積非晶鍺層，係於該金屬層表面，以物理氣相沉積製程鍍製一非晶鍺層；執行金屬誘發結晶及摻雜，係將完成鍍製該非晶鍺層之該單晶矽基板進行加熱處理，使該金屬層局部於該單晶矽基板表面形成一P型重摻雜矽層，並且使該金屬層與該非晶鍺層形成共晶並誘發該非晶鍺層形成一多晶鍺層於該單晶矽基板表面；以及蝕刻表面金屬層，係蝕刻去除形成於該多晶鍺層表面之一表面金屬層。
- 如申請專利範圍第1項所述之單晶矽基板成長多晶鍺薄膜同時形成P＋ 型矽摻雜之製作方法，其中，該單晶矽基板清潔係先以化學清洗方式去除該單晶矽基板表面之雜質與原生氧化層，再以去離子水清洗並以氮氣吹乾後，予以烘乾。
- 如申請專利範圍第1項所述之單晶矽基板成長多晶鍺薄膜同時形成P＋ 型矽摻雜之製作方法，該沉積金屬層係以蒸鍍或濺鍍將材質為鋁之該金屬層鍍製於該單晶矽基 板表面。
- 如申請專利範圍第1項所述之單晶矽基板成長多晶鍺薄膜同時形成P＋ 型矽摻雜之製作方法，該沉積非晶鍺層係以濺鍍方式將厚度與該金屬層對應之該非晶鍺層形成於該金屬層表面。
- 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之單晶矽基板成長多晶鍺薄膜同時形成P＋ 型矽摻雜之製作方法，該執行金屬誘發結晶及摻雜係採用一高溫退火爐或一快速熱退火爐對該單晶矽基板進行加熱，且其製程溫度範圍於450~550℃。
- 如申請專利範圍第5項所述之單晶矽基板成長多晶鍺薄膜同時形成P＋ 型矽摻雜之製作方法，該金屬層及該非晶鍺層之厚度分別為500nm。
- 一種單晶矽基板成長多晶鍺薄膜同時形成P＋ 型矽摻雜之結構，其包含一單晶矽基板以及形成於該單晶矽基板表面之一多晶鍺層，該單晶矽基板包含一P型重摻雜矽層係形成於該單晶矽基板並緊鄰於該多晶鍺層，其中，該P型重摻雜矽層與該多晶鍺層係以下列步驟成形：鍍製一金屬層於該單晶矽基板表面；鍍製一非晶鍺層於該金屬層表面；對包含該金屬層及該非晶鍺層之該單晶矽基板進行熱處理製程，使該金屬層於該單晶矽基板表面形成該P型重摻雜矽層同時誘發該非晶鍺層形成一多晶鍺層於該單晶矽基板表面後，形成一表面金屬層於該多晶鍺層表面；以及 蝕刻去除該表面金屬層。
- 如申請專利範圍第7項所述之單晶矽基板成長多晶鍺薄膜同時形成P＋ 型矽摻雜之結構，其中，該金屬層及該非晶鍺層之厚度為500nm。
- 如申請專利範圍第7或8項所述之單晶矽基板成長多晶鍺薄膜同時形成P＋ 型矽摻雜之結構，該熱處理製程係透過一高溫退火爐或一快速退火爐進行，其製程溫度範圍為450~550℃。
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