硅薄膜的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種硅薄膜的制備方法，使用中壓等離子體設(shè)備制備硅薄膜，包括以下步驟：將襯底清洗后放入沉積腔室的樣品臺上；將所述沉積腔室抽真空；在等離子體噴槍的腔體中通入第一氣體，所述第一氣體在所述等離子體噴槍的腔體中生成等離子體；在所述等離子體噴槍的腔體中通入第二氣體，所述第二氣體在所述等離子體噴槍的腔體中分解為包含硅原子的氣體粒子；所述硅原子在所述等離子體的攜帶下進入沉積腔室，并沉積在所述襯底上形成硅薄膜；在所述硅薄膜的沉積過程中，所述沉積腔室中的壓力為0.1kPa～10kPa，且所述壓力值恒定。上述方法可實現(xiàn)較低溫度下硅薄膜的快速生長。
【專利說明】硅薄膜的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制備【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種硅薄膜的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 半導(dǎo)體工業(yè)中，相對于傳統(tǒng)的拋光硅片，外延硅片越來越被廣泛采用，尤其是硅片 的厚度<32nm時，這主要是由于外延硅片可以提供更加可控的摻雜刨面，而且基本上不會 引入C、0等雜質(zhì)元素。
[0003] 以常壓化學(xué)氣相沉積（APCVD)為代表的熱化學(xué)氣相沉積（TCVD)技術(shù)為娃薄膜的 最主要的快速外延沉積技術(shù)，其外延生長速度達到幾十納米每秒的量級。但是，TCVD的化學(xué) 產(chǎn)率較低，自理論上和實際上都限制在30%以下，會導(dǎo)致原材料的極大浪費；并且，TCVD - 般在大于1200°C的高溫下進行，生長溫度過高不利于晶硅薄膜技術(shù)中所需要的精確原位摻 雜的實現(xiàn)，同時高溫過程中引入的自摻雜效應(yīng)和雜質(zhì)污染不利于低級別廉價襯底的使用， 且高溫過程還直接把低成本的玻璃襯底和柔性襯底排除在外，不利于器件向著低成本和柔 性化發(fā)展，此外，高溫過程中局部溫度梯度分布很容易在襯底中引入較大的應(yīng)力，直接降低 了襯底的重復(fù)利用率。
[0004] 利用等離子體技術(shù)可實現(xiàn)較低溫度下硅薄膜的生長。等離子體增強化學(xué)氣相沉 積（PECVD)為目前常用的硅薄膜的生長方法，其克服上述高溫過程中的一些不利影響，但 是TOCVD采用的壓力較低，因而等離子體的密度較低，導(dǎo)致硅薄膜的生長速率較低，限制了 硅薄膜的規(guī)模化生產(chǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供了一種硅薄膜的制備方法，可實現(xiàn)較低溫度下硅薄膜的快速生長。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0007] -種硅薄膜的制備方法，使用中壓等離子體設(shè)備制備硅薄膜，包括以下步驟：
[0008] 將襯底清洗后放入沉積腔室的樣品臺上；
[0009] 將所述沉積腔室抽真空；
[0010] 在等離子體噴槍的腔體中通入第一氣體，所述第一氣體在所述等離子體噴槍的腔 體中生成等離子體；
[0011] 在所述等離子體噴槍的腔體中通入第二氣體，所述第二氣體在所述等離子體噴槍 的腔體中分解為包含硅原子的氣體粒子；
[0012] 所述硅原子在所述等離子體的攜帶下進入沉積腔室，并沉積在所述襯底上形成硅 薄膜；
[0013] 在所述硅薄膜的沉積過程中，所述沉積腔室中的壓力為0. lkPa?10kPa，且所述 壓力值恒定。
[0014] 在其中一個實施例中，在所述硅薄膜的沉積過程中，所述沉積腔室中的壓力為 0. 2kPa ?2kPa。
[0015] 在其中一個實施例中，在所述硅薄膜沉積之前，調(diào)節(jié)所述襯底的溫度至100°C? 1100。。。
[0016] 在其中一個實施例中，在所述硅薄膜沉積之前，調(diào)節(jié)所述襯底的溫度至500°C? 700。。。
[0017] 在其中一個實施例中，所述第一氣體為Ar、He和H2中的一種或多種；
[0018] 所述第二氣體為SiH4、SiH2Cl2和SiHCl 3中的一種或多種，或SiH4、SiH2Cl2和SiHCl 3 中的一種或多種與H2的組合。
[0019] 在其中一個實施例中，在將所述沉積腔室抽真空的步驟中，將所述沉積腔室抽至 10_3?10_6Pa的本底真空度。
[0020] 在其中一個實施例中，所述硅薄膜為多晶硅薄膜或單晶硅薄膜。
[0021] 在其中一個實施例中，在將所述沉積腔室抽真空之前，還包括以下步驟：
[0022] 調(diào)節(jié)所述樣品臺的高度，使所述襯底表面與所述等離子體噴槍出口的距離為 20mm ?60mm〇
[0023] 在其中一個實施例中，在所述等離子體噴槍的腔體中通入的第一氣體的流量為 8slm?40slm，在所述等離子體噴槍的腔體中通入的第二氣體的流量為lOsccm?500sccm。
[0024] 在其中一個實施例中，所述第一氣體在所述等離子體噴槍中生成等離子體包括以 下步驟：
[0025] 打開射頻電源，調(diào)節(jié)所述射頻電源的功率；
[0026] 所述射頻電源的電流作用于所述等離子噴槍的腔體外側(cè)的電感線圈上，所述第一 氣體在所述電感線圈的感應(yīng)下受到激發(fā)，生成等離子體。
[0027] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0028] 在本發(fā)明的硅薄膜的制備方法中，采用等離子體技術(shù)沉積薄膜，大大降低了硅薄 膜的沉積溫度；并且，在硅薄膜的沉積過程中，沉積腔室中的壓力，即沉積壓力維持在中壓 (0. lkPa?10kPa)水平，在此壓力范圍內(nèi)，沉積腔室中的等離子體的密度較大，由于硅原子 是通過等離子體的攜帶到達襯底表面，因此，等離子體密度越大，薄膜的沉積速率越快，故 相比于傳統(tǒng)制備方法中的PECVD，采用本發(fā)明的方法大大提高了薄膜的沉積速率。
[0029] 同時，本發(fā)明中的等離子體的氣體溫度低于高壓等離子體技術(shù)中等離子體的氣體 溫度，電子溫度低于低壓等離子體技術(shù)中等離子體的電子溫度，由于這些特性，本發(fā)明中的 等離子體中的氣體組分主要以原子態(tài)存在，減少了由于離子轟擊和熱損傷而導(dǎo)致的膜質(zhì)變 差的現(xiàn)象，提高了硅薄膜質(zhì)量及沉積速率。
[0030] 綜上所述，本發(fā)明的硅薄膜的制備方法，利用中壓等離子體的優(yōu)異特性，結(jié)合等離 子體噴涂技術(shù)，大大降低了硅薄膜的沉積溫度，提高了硅薄膜的沉積速率和質(zhì)量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明的硅薄膜的制備方法中使用的中壓等離子體設(shè)備一實施例的結(jié)構(gòu) 示意圖；
[0032] 圖2為本發(fā)明的硅薄膜的制備方法中硅薄膜的生長示意圖；
[0033] 圖3為等離子體的電子溫度和氣體溫度隨壓力的變化曲線圖；
[0034] 圖4為實施例1和實施例2中制備的硅薄膜的掃描電鏡圖；
[0035] 圖5為實施例1和實施例2中制備的硅薄膜的XRD衍射圖譜。

【具體實施方式】
[0036] 以下對本發(fā)明的【具體實施方式】進行詳細說明。應(yīng)當理解的是，此處所描述的具體 實施方式僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。
[0037] 本發(fā)明提供了一種硅薄膜的制備方法，可實現(xiàn)硅薄膜的外延生長，具有沉積溫度 低、速率高、沉積薄膜質(zhì)量好等優(yōu)點。
[0038] 本發(fā)明使用中壓等離子體設(shè)備制備硅薄膜，中壓等離子體設(shè)備是一種能夠產(chǎn)生等 離子體的設(shè)備，利用該設(shè)備容易實現(xiàn)沉積腔室中的中壓范圍（〇. lkPa?10kPa)的壓力。以 下對該中壓等離子體設(shè)備詳細說明：
[0039] 參見圖1，本發(fā)明使用的中壓等離子體設(shè)備包括沉積腔室100、氣體導(dǎo)入管200、等 離子體噴槍300、抽真空系統(tǒng)400、壓力控制系統(tǒng)500、氣體系統(tǒng)600、射頻電源700和電感 線圈800。其中，氣體導(dǎo)入管200泛指通氣管路，用于將第一氣體和第二氣體通入等離子體 噴槍300中，其一端與氣體系統(tǒng)600連通，另一端與等離子體噴槍300連通；等離子體噴槍 300與沉積腔室100連通，用于在射頻電源700和電感線圈800的作用下將第一氣體激發(fā)為 等離子體，以及將第二氣體分解為包含硅原子的氣體粒子；沉積腔室1〇〇中設(shè)置有樣品臺 110,樣品臺110用于放置襯底；抽真空系統(tǒng)100與反應(yīng)腔體100連通，用于將沉積腔室100 抽真空；壓力控制系統(tǒng)500與反應(yīng)腔體100連通，用于將反應(yīng)腔體100的壓力控制在中壓范 圍（0· lkPa ?10kPa)。
[0040] 等離子體噴槍300包括腔體310、第一水冷系統(tǒng)330和第二水冷系統(tǒng)340。其中， 電感線圈800設(shè)置在腔體310的外側(cè)，且電感線圈800圍繞腔體310的外側(cè)繞匝，作為一種 可實施方式，電感線圈800的匝數(shù)為3?6匝；射頻電源700與電感線圈800電連接。工作 時，射頻電源700的電流作用于電感線圈800,腔體310內(nèi)部的第一氣體在電感線圈800的 感應(yīng)下生成等離子體。作為一種可實施方式，射頻電源700的功率為5kw?40kw，頻率為 2MHz ?40MHz。
[0041] 上述中壓等離子體設(shè)備中，第一水冷系統(tǒng)330設(shè)置在腔體310的外側(cè)，且第一水冷 系統(tǒng)330與腔體310的外側(cè)壁緊密接觸。較佳地，第一水冷系統(tǒng)330為石英管，石英管中通 有冷卻水，通過冷卻水的循環(huán)來降低腔體310的溫度，避免了腔體310在等離子體的高溫下 受到損傷。第二水冷系統(tǒng)340設(shè)置在腔體310的進氣端端口處，并將腔體310的進氣端端口 密封，起到保護氣體導(dǎo)入管200和腔體310的作用。較佳地，氣體導(dǎo)入管200為水冷結(jié)構(gòu)， 避免了其本身在高溫下的損害，保證了氣體的順利導(dǎo)入。
[0042] 此外，在沉積腔室100的外側(cè)、樣品臺110處以及射頻電源700處均設(shè)置有水冷系 統(tǒng)，用于降低溫度，保護該中壓等離子體設(shè)備。
[0043] 繼續(xù)參見圖1，氣體系統(tǒng)600包括流量控制器610和氣源620。流量控制器610設(shè) 置在氣源620與氣體導(dǎo)入管200之間，用于控制氣體的流量。
[0044] 抽真空系統(tǒng)400包括分子泵組410和閘板閥420。閘板閥420設(shè)置在分子泵組410 和沉積腔室100之間，用于控制分子泵組410與沉積腔室100的連通。工作時，接通電源， 旋開閘板閥420,分子泵組410將沉積腔室100中的氣體抽出。
[0045] 壓力控制系統(tǒng)500包括壓力控制閥520和工藝泵組510。作為優(yōu)選，壓力控制閥 520采用蝶閥，當沉積腔室100中的壓力大于設(shè)置的壓力值時，壓力控制閥520的調(diào)節(jié)角度 增加，工藝泵組510抽出沉積腔室100中的部分氣體，直至沉積腔室100中的壓力滿足設(shè)置 的壓力值；當沉積腔室100中的壓力小于設(shè)置的壓力值時，壓力控制閥520的調(diào)節(jié)角度減 小，使得沉積腔室100中的氣體排出速度減小，直至沉積腔室100中的壓力滿足設(shè)置的壓力 值。
[0046] 利用上述的中壓等離子體設(shè)備進行硅薄膜的制備包括以下步驟：
[0047] S100 :將襯底清洗后放入沉積腔室100的樣品臺110上。
[0048] 一般地，襯底分別經(jīng)丙酮、異丙醇和去離子水的超聲清洗，以保證襯底的潔凈度， 減少沉積薄膜的缺陷，有助于得到高質(zhì)量的薄膜。
[0049] S200 :將沉積腔室100抽真空。
[0050] 該步驟中，將沉積腔室100抽至10_3?10_6Pa的本底真空度，較優(yōu)地，將沉積腔室 100抽至10_ 5?10_6Pa的本底真空度。真空度越高，沉積腔室100中殘余的空氣越少，有效 防止了薄膜沉積過程中雜質(zhì)的摻入。
[0051] S300 :在等離子體噴槍300的腔體310中通入第一氣體，第一氣體在等離子體噴槍 300的腔體310中生成等離子體。
[0052] 較佳地，通入的第一氣體的流量為8slm?40slm。作為一種可實施方式，第一氣體 為Ar、He和H 2中的一種或多種。
[0053] 步驟S300中，第一氣體在腔體310中生成等離子體包括以下步驟：
[0054] 打開射頻電源700,調(diào)節(jié)射頻電源700的電壓；射頻電源700的電壓作用于等離子 噴槍300的腔體310外側(cè)的電感線圈800上，第一氣體在電感線圈800的感應(yīng)下受到激發(fā)， 生成等離子體。本發(fā)明中采用電感耦合的方式產(chǎn)生等離子體，避免了因為電極的腐蝕而引 入的污染問題，提高了沉積薄膜的純度。
[0055] S400 :在等離子體噴槍300的腔體310中通入第二氣體，第二氣體在等離子體噴槍 300的腔體310中分解，生成包含硅原子的氣體粒子。
[0056] 需要說明的是，第一氣體可以和第二氣體一起通入，也可以混合通入。本實施例中 優(yōu)選先通入第一氣體后再通入第二氣體。
[0057] 較佳地，通入的第二氣體的流量為lOsccm?500sccm。
[0058] 在步驟S300中，通過射頻耦合產(chǎn)生了等離子體，因為等離子體中心的溫度較高， 一般在3000°C以上，因此，當通入第二氣體后，第二氣體受到高溫影響，在等離子體的中心 區(qū)域分解為包含硅原子的氣體粒子。
[0059] 作為一種可實施方式，第二氣體為SiH4、SiH2CljP SiHCl3中的一種或多種，或 SiH4、SiH2Cl2和SiHCl3中的一種或多種與H 2的組合。其中，H2的作用為增加對Si的還原。
[0060] 較優(yōu)地，在等離子體噴槍300的腔體310中通入第二氣體之前，首先利用步驟S300 中產(chǎn)生的等離子體對襯底表面進行清洗以除去襯底表面的氧化層。
[0061] S500 :硅原子在等離子體的攜帶下進入沉積腔室100,并沉積在襯底上形成硅薄 膜；在硅薄膜的沉積過程中，沉積腔室100中的壓力為0. lkPa?10kPa，并保持恒定。
[0062] 其中，沉積腔室100中的壓力通過壓力控制系統(tǒng)500進行調(diào)節(jié)，一般在通入第一氣 體后，即進行沉積腔室100中壓力的調(diào)節(jié)，并保持壓力值恒定。
[0063] 本發(fā)明采用電感耦合的方式產(chǎn)生等離子體，并且通過等離子體噴涂的方式將硅原 子快速運輸至襯底表面，能實現(xiàn)較低溫度下硅薄膜的快速沉積。
[0064] 需要說明的是，步驟S500中，第二氣體分解產(chǎn)生的除Si原子以外的其他粒子也會 在等離子體的攜帶下進入沉積腔室100。
[0065] 參見圖2,為硅薄膜的生長示意圖。沉積原子（硅原子）在等離子體的攜帶下， 快速運輸至襯底的表面。在等離子體與襯底表面之間由于溫度梯度存在一層熱邊界層，運 往襯底表面的硅原子在熱邊界層內(nèi)迅速冷凝、形成納米團簇，通過調(diào)節(jié)熱邊界層的厚度可 以調(diào)節(jié)納米團簇的尺寸和特性。當熱邊界層的厚度足夠小時，所形成的納米團簇的尺寸在 lnm?3nm之間，且具有松散的結(jié)構(gòu)，在高速撞擊到襯底表面后，娃原子能夠?qū)崿F(xiàn)自發(fā)的遷 移和重新排列，從而實現(xiàn)硅薄膜的快速外延沉積生長，形成外延膜（單晶薄膜）。該過程中 松散結(jié)構(gòu)納米團簇的形成和硅原子在襯底表面的自發(fā)遷移、重新排列也是本發(fā)明的技術(shù)區(qū) 別與其他等離子體技術(shù)的重要特點，同時也是實現(xiàn)快速外延的關(guān)鍵之處。
[0066] 其中，熱邊界層的厚度可調(diào)。例如，可通過調(diào)節(jié)襯底的溫度來進行熱邊界層的厚度 的調(diào)節(jié)，也可通過調(diào)節(jié)等離子體的溫度來進行熱邊界層的厚度的調(diào)節(jié)。熱邊界層越厚，硅原 子形成的納米團簇越大，在撞擊到襯底表面后，硅原子的自發(fā)遷移率降低，此時，容易形成 多晶薄膜。
[0067] 因此，本發(fā)明可通過控制熱邊界層的厚度來形成多晶硅薄膜或單晶硅薄膜。
[0068] 參見圖3,為等離子體的電子溫度和氣體溫度隨壓力的變化曲線圖。由圖可知，與 低壓（< 0. OlkPa)等離子體相比，中壓（0. lkPa?10kPa)等離子體具有較低的電子溫度， Te < lev ;與高壓等離子體（熱等離子體）相比，中壓（0. lkPa?10kPa)等離子體具有較 低的氣體溫度，Tge (1000,5000)K。由于這些特性，本發(fā)明中的等離子體中的氣體組分主 要以原子態(tài)存在，減少了由于離子轟擊和熱損傷而導(dǎo)致的膜質(zhì)變差的現(xiàn)象，提高了硅薄膜 質(zhì)量及沉積速率。
[0069] 在本發(fā)明的硅薄膜的制備方法中，采用等離子體技術(shù)沉積薄膜，大大降低了硅薄 膜的沉積溫度；并且，在硅薄膜的沉積過程中，沉積腔室中的壓力，即沉積壓力維持在中壓 (0. lkPa?10kPa)水平，在此壓力范圍內(nèi)，沉積腔室中的等離子體的密度較大，由于硅原子 是通過等離子體的攜帶到達襯底表面，因此，等離子體密度越大，薄膜的沉積速率越快，故 相比于傳統(tǒng)制備方法中的PECVD，采用本發(fā)明的方法大大提高了薄膜的沉積速率。
[0070] 綜上所述，本發(fā)明的硅薄膜的制備方法，利用中壓等離子體的優(yōu)異特性，結(jié)合等離 子體噴涂技術(shù)，大大降低了硅薄膜的沉積溫度，提高了硅薄膜的沉積速率和質(zhì)量。
[0071] 優(yōu)選地，作為一種可實施方式，在硅薄膜的沉積過程中，沉積腔室100中的壓力為 0.2kPa?2kPa。該壓力下，硅原子在熱邊界層中的凝結(jié)過程中可生成尺寸相對較小的團 簇，利于單晶硅薄膜的生成；并且，該壓力下，等離子體具有更低的電子溫度和氣體溫度，能 夠進一步提高成膜速率和薄膜質(zhì)量。
[0072] 襯底的溫度會直接影響熱邊界層的厚度，從而影響薄膜的沉積速度及沉積類型。 優(yōu)選地，在硅薄膜沉積之前，還包括以下步驟：調(diào)節(jié)襯底的溫度至l〇〇°C?1100°C。更優(yōu)地， 在硅薄膜沉積之前，調(diào)節(jié)襯底的溫度至500°C?700°C，該溫度下有利于生成質(zhì)量較佳的單 晶硅薄膜。其中，襯底的溫度可通過調(diào)節(jié)樣品臺110處水冷系統(tǒng)的水流量進行調(diào)節(jié)，也可通 過抽真空之前在樣品臺110和襯底之間插入不同厚度和導(dǎo)熱系數(shù)的材料進行調(diào)節(jié)，還可通 過調(diào)節(jié)射頻電源700的功率來進行調(diào)節(jié)。
[0073] 作為一種可實施方式，在將沉積腔室100抽真空之前，還包括以下步驟：調(diào)節(jié)樣品 臺110的高度，使得襯底表面與等離子體噴槍300出口的距離為20mm?60mm。該方式能夠 使得等離子體所攜帶的硅原子在撞擊襯底時保持較高的速度，并且使得熱邊界層的厚度相 對較小，保證硅原子在撞擊過程中能夠?qū)崿F(xiàn)自發(fā)的遷移和重新排列，利于得到質(zhì)量較高的 單晶薄膜。
[0074] 為了更好地理解本發(fā)明，下面通過具體的實施例對本發(fā)明的硅薄膜的制備方法進 一步說明。
[0075] 實施例1
[0076] (1)將清洗后的單晶硅片作為襯底安裝在沉積腔室的樣品臺上，其中，（100)晶面 朝上放置；
[0077] (2)調(diào)節(jié)樣品臺的高度，使襯底表面與等離子體噴槍的出口距離為30mm ;
[0078] (3)開啟抽真空系統(tǒng)，將沉積腔室抽至l(T5Pa的本底真空度；
[0079] (4)開啟壓力控制系統(tǒng)，向等離子噴槍中通入流量為13slm的高純Ar，通過壓力控 制系統(tǒng)使沉積腔室內(nèi)的壓力達到800Pa并維持該壓力；
[0080] (5)打開射頻電源，并調(diào)節(jié)功率至25kW，產(chǎn)生等離子體；并將襯底的溫度調(diào)節(jié)至 129。。；
[0081] (6)向等離子噴槍中通入總流量為lOOsccm的SiHCl3和H2混合氣體，混合氣體在 等離子噴槍中分解；
[0082] (7)混合氣體分解產(chǎn)生的Si原子在等離子體的攜帶下進入沉積腔室，沉積在襯底 表面，沉積厚度為50微米；
[0083] (8)沉積結(jié)束后，關(guān)閉SiHCl3和H2混合氣體、關(guān)閉射頻電源、關(guān)閉Ar。
[0084] 本實施例中，在薄膜的沉積過程中，沉積腔室內(nèi)的壓力保持800Pa不變。
[0085] 實施例2
[0086] (1)將清洗后的單晶硅片作為襯底安裝在沉積腔室的樣品臺上，其中，（100)晶面 朝上放置；
[0087] (2)調(diào)節(jié)樣品臺的高度，使襯底表面與等離子體噴槍的出口距離為30mm ;
[0088] (3)開啟抽真空系統(tǒng)，將沉積腔室抽至10_5Pa的本底真空度；
[0089] (4)開啟壓力控制系統(tǒng)，向等離子噴槍中通入流量為13slm的高純Ar，通過壓力控 制系統(tǒng)使沉積腔室內(nèi)的壓力達到800Pa并維持該壓力；
[0090] (5)打開射頻電源，并調(diào)節(jié)功率至25kW，產(chǎn)生等離子體；并將襯底的溫度調(diào)節(jié)至 500。。；
[0091] (6)向等離子噴槍中通入總流量為lOOsccm的SiHCl3和H2混合氣體，混合氣體在 等離子噴槍中分解；
[0092] (7)混合氣體分解產(chǎn)生的Si原子在等離子體的攜帶下進入沉積腔室，沉積在襯底 表面，沉積厚度為50微米；
[0093] (8)沉積結(jié)束后，SiHCl3和H2混合氣體、關(guān)閉射頻電源、關(guān)閉Ar。
[0094] 本實施例中，在薄膜的沉積過程中，沉積腔室內(nèi)的壓力保持800Pa不變。
[0095] 參見圖4,為實施例1和實施例2中所沉積的硅薄膜的掃描電鏡圖。其中（a)與 (b)分別為實施例1中所沉積的硅薄膜的表面的掃描電鏡圖和斷面的掃描電鏡圖；（c)和 (d)分別為實施例2中所沉積的硅薄膜的表面的掃描電鏡圖和斷面的掃描電鏡圖。
[0096] 由圖4可知，當襯底溫度為129°C時，所沉積的硅薄膜具有明顯的晶粒結(jié)構(gòu)，且與 襯底之間有明顯的界面層；當襯底溫度為500°C時，所沉積的硅薄膜無明顯的晶粒結(jié)構(gòu)，且 與襯底之間沒有明顯的界面層。
[0097] 參見圖5，為實施例1和實施例2中所沉積的硅薄膜的XRD衍射圖譜。其中，上面 的圖為實施例1中所沉積的硅薄膜的XRD衍射圖譜；下面的圖為實施例2中所沉積的硅薄 膜的XRD衍射圖譜。
[0098] 由圖5可知，實施例1中的硅薄膜在Si (111)、（220)、（311)、（400)和（331)晶面 上具有明顯的衍射峰，表明了實施例1沉積的薄膜具有多晶的結(jié)構(gòu)；實施例1中的硅薄膜只 在Si (n00)晶面上具有明顯的衍射峰，由于實施例2中沉積的硅薄膜的厚度為50微米，因 此XRD圖譜所反應(yīng)的是實施例2中沉積的硅薄膜的的晶體取向，因此，實施例2中制備的硅 薄膜為外延膜，即單晶薄膜。
[0099] 實施例3
[0100] (1)將清洗后的單晶硅片作為襯底安裝在沉積腔室的樣品臺上，其中，（1〇〇)晶面 朝上放置；
[0101] (2)調(diào)節(jié)樣品臺的高度，使襯底表面與等離子體噴槍的出口距離為30mm;
[0102] (3)開啟抽真空系統(tǒng)，將沉積腔室抽至l(T6Pa的本底真空度；
[0103] (4)開啟壓力控制系統(tǒng)，向等離子噴槍中通入流量為13slm的高純Ar和0· 6slm的 高純H2，通過壓力控制系統(tǒng)使沉積腔室內(nèi)的壓力達到200Pa并維持該壓力；
[0104] (5)打開射頻電源，并調(diào)節(jié)功率至25kW，產(chǎn)生等離子體；并將襯底的溫度調(diào)節(jié)至 300。。；
[0105] (6)向等離子噴槍中通入總流量為lOOsccm的SiH4和H2的混合氣體，混合氣體在 等離子體噴槍中分解；
[0106] (7)混合氣體分解產(chǎn)生的Si原子在等離子體的攜帶下進入沉積腔室，沉積在襯底 表面，沉積時間為5min ;
[0107] (8)沉積結(jié)束后，關(guān)閉SiHjPH2的混合氣體、關(guān)閉H2、關(guān)閉射頻電源、關(guān)閉Ar。
[0108] 本實施例中，在薄膜的沉積過程中，沉積腔室內(nèi)的壓力保持200Pa不變。
[0109] 實施例4
[0110] (1)將清洗后的單晶硅片作為襯底安裝在沉積腔室的樣品臺上，其中，（1〇〇)晶面 朝上放置；
[0111] (2)調(diào)節(jié)樣品臺的高度，使襯底表面與等離子體噴槍的出口距離為30mm;
[0112] (3)開啟抽真空系統(tǒng)，將沉積腔室抽至l(T3Pa的本底真空度；
[0113] (4)開啟壓力控制系統(tǒng)，向等離子噴槍中通入流量為21slm的高純Ar和0.6slm的 高純H 2，通過壓力控制系統(tǒng)使沉積腔室內(nèi)的壓力達到2000Pa并維持該壓力；
[0114] (5)打開射頻電源，并調(diào)節(jié)功率至30kW，產(chǎn)生等離子體；并將襯底的溫度調(diào)節(jié)至 650。。；
[0115] (6)向等離子噴槍中通入流量為300sccm的SiHCl3氣體，5丨此1 3氣體在等離子體 噴槍中分解；
[0116] (7) 51此13氣體分解產(chǎn)生的Si原子在等離子體的攜帶下進入沉積腔室，沉積在襯 底表面，沉積時間為2min ;
[0117] (8)沉積結(jié)束后，關(guān)閉SiHCl3、關(guān)閉H2、關(guān)閉射頻電源、關(guān)閉Ar。
[0118] 本實施例中，在薄膜的沉積過程中，沉積腔室內(nèi)的壓力保持2000Pa不變。
[0119] 實施例5
[0120] (1)將清洗后的單晶硅片作為襯底安裝在沉積腔室的樣品臺上，其中，（100)晶面 朝上放置；
[0121] (2)調(diào)節(jié)樣品臺的高度，使襯底表面與等離子體噴槍的出口距離為20mm;
[0122] (3)開啟抽真空系統(tǒng)，將沉積腔室抽至l(T5Pa的本底真空度；
[0123] (4)開啟壓力控制系統(tǒng)，向等離子噴槍中通入流量為21slm的高純Ar和0.6slm的 高純H 2，通過壓力控制系統(tǒng)使沉積腔室內(nèi)的壓力達到400Pa并維持該壓力；
[0124] (5)打開射頻電源，并調(diào)節(jié)功率至29kW，產(chǎn)生等離子體；并將襯底的溫度調(diào)節(jié)至 1100°C ；
[0125] (6)向等離子噴槍中通入流量為lOsccm的SiHCl3氣體，SiHCl 3氣體分解；
[0126] (7) 51此13氣體分解產(chǎn)生的Si原子在等離子體的攜帶下進入沉積腔室，沉積在襯 底表面，沉積時間為20min ;
[0127] (8)沉積結(jié)束后，關(guān)閉SiHCl3、關(guān)閉H2、關(guān)閉射頻電源、關(guān)閉Ar。
[0128] 本實施例中，在薄膜的沉積過程中，沉積腔室內(nèi)的壓力保持400Pa不變。
[0129] 實施例6
[0130] (1)將清洗后的單晶硅片作為襯底安裝在沉積腔室的樣品臺上，其中，（100)晶面 朝上放置；
[0131] (2)調(diào)節(jié)樣品臺的高度，使襯底表面與等離子體噴槍的出口距離為60_;
[0132] (3)開啟抽真空系統(tǒng)，將沉積腔室抽至l(T5Pa的本底真空度；
[0133] (4)開啟壓力控制系統(tǒng)，向等離子噴槍中通入流量為40slm的高純Ar，通過壓力控 制系統(tǒng)使沉積腔室內(nèi)的壓力達到lOOOOPa并維持該壓力；
[0134] (5)打開射頻電源，并調(diào)節(jié)功率至30kW，產(chǎn)生等離子體；并將襯底的溫度調(diào)節(jié)至 700 V ；
[0135] (6)向等離子噴槍中通入總流量為250sccm的SiH4和H2的混合氣體，混合氣體分 解；
[0136] (7)混合氣體分解產(chǎn)生的Si原子在等離子體的攜帶下進入沉積腔室，沉積在襯底 表面，沉積時間為20s ;
[0137] (8)沉積結(jié)束后，關(guān)閉SiHjPH2的混合氣體、關(guān)閉射頻電源、關(guān)閉Ar。
[0138] 本實施例中，在薄膜的沉積過程中，沉積腔室內(nèi)的壓力保持lOOOOPa不變。
[0139] 實施例7
[0140] (1)將清洗后的單晶硅片作為襯底安裝在沉積腔室的樣品臺上，其中，（100)晶面 朝上放置；
[0141] (2)調(diào)節(jié)樣品臺的高度，使襯底表面與等離子體噴槍的出口距離為60_;
[0142] (3)開啟抽真空系統(tǒng)，將沉積腔室抽真空至l(T6Pa的本底真空度；
[0143] (4)開啟壓力控制系統(tǒng)，向等離子噴槍中通入流量為8slm的高純Ar，通過壓力控 制系統(tǒng)使沉積腔室內(nèi)的壓力達到l〇〇Pa并維持該壓力；
[0144] (5)打開射頻電源，并調(diào)節(jié)功率至26kW，產(chǎn)生等離子體；并將襯底的溫度調(diào)節(jié)至 200。。；
[0145] (6)向等離子噴槍中通入流量為200sccm的SiHCl3氣體，SiHCl 3氣體在等離子體 噴槍中分解；
[0146] (7) 51此13氣體分解產(chǎn)生的Si原子在等離子體的攜帶下進入沉積腔室，沉積在襯 底表面，沉積時間為3min ;
[0147] (8)沉積結(jié)束后，關(guān)閉SiHCl3、關(guān)閉射頻電源、關(guān)閉Ar。
[0148] 本實施例中，在薄膜的沉積過程中，沉積腔室內(nèi)的壓力保持lOOPa不變。
[0149] 參見表1，為實施例3?7中硅薄膜的沉積速率、襯底溫度和霍爾遷移率的結(jié)果。 在實施例3、實施例4和實施例5中，可生成霍爾遷移率較高的單晶硅薄膜，在實施例6和實 施例7中，可生成多晶硅薄膜。其中，在實施例6中，薄膜的沉積壓力較高（lOOOOPa)，硅原 子在快速凝結(jié)過程中生成尺寸相對較大的團簇，因此硅原子不能在襯底表面很好低進行遷 移，導(dǎo)致了多晶結(jié)構(gòu)的生成；在實施例7中，襯底的溫度較低（200°C)，過低的襯底溫度阻礙 了硅原子在襯底表面的遷移，因此生成多晶結(jié)構(gòu)。同時，在實施例3?7中，硅薄膜均具有 較高的沉積速率。
[0150] 表1實施例3?7的薄膜的沉積速度、襯底溫度和霍爾遷移率表
[0151]

【權(quán)利要求】
1. 一種硅薄膜的制備方法，其特征在于，使用中壓等離子體設(shè)備制備硅薄膜，包括以下 步驟： 將襯底清洗后放入沉積腔室的樣品臺上； 將所述沉積腔室抽真空； 在等離子體噴槍的腔體中通入第一氣體，所述第一氣體在所述等離子體噴槍的腔體中 生成等離子體； 在所述等離子體噴槍的腔體中通入第二氣體，所述第二氣體在所述等離子體噴槍的腔 體中分解為包含硅原子的氣體粒子； 所述硅原子在所述等離子體的攜帶下進入沉積腔室，并沉積在所述襯底上形成硅薄 膜； 在所述硅薄膜的沉積過程中，所述沉積腔室中的壓力為0. lkPa?lOkPa，且所述壓力 值恒定。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅薄膜的制備方法，其特征在于，在所述硅薄膜的沉積過程 中，所述沉積腔室中的壓力為〇· 2kPa?2kPa。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅薄膜的制備方法，其特征在于，在所述硅薄膜沉積之前，調(diào) 節(jié)所述襯底的溫度至l〇〇°C?1KKTC。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅薄膜的制備方法，其特征在于，在所述硅薄膜沉積之前，調(diào) 節(jié)所述襯底的溫度至500°C?700°C。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅薄膜的制備方法，其特征在于，所述第一氣體為Ar、He和 H2中的一種或多種； 所述第二氣體為SiH4、SiH2Cl2和SiHCl3中的一種或多種，或SiH 4、SiH2Cl2和SiHCl3中 的一種或多種與H2的組合。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅薄膜的制備方法，其特征在于，在將所述沉積腔室抽真空 的步驟中，將所述沉積腔室抽至1〇_3?l〇_ 6Pa的本底真空度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅薄膜的制備方法，其特征在于，所述硅薄膜為多晶硅薄膜 或單晶硅薄膜。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅薄膜的制備方法，其特征在于，在將所述沉積腔室抽真空 之前，還包括以下步驟： 調(diào)節(jié)所述樣品臺的高度，使所述襯底表面與所述等離子體噴槍出口的距離為20mm? 60mm〇
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅薄膜的制備方法，其特征在于，在所述等離子體噴槍的腔 體中通入的第一氣體的流量為8slm?40slm，在所述等離子體噴槍的腔體中通入的第二氣 體的流量為lOsccm?500sccm。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1?9任一項所述的硅薄膜的制備方法，其特征在于，所述第一氣體 在所述等離子體噴槍中生成等離子體包括以下步驟： 打開射頻電源，調(diào)節(jié)所述射頻電源的功率； 所述射頻電源的電流作用于所述等離子噴槍的腔體外側(cè)的電感線圈上，所述第一氣體 在所述電感線圈的感應(yīng)下受到激發(fā)，生成等離子體。
【文檔編號】C23C16/24GK104152864SQ201410419021
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月22日
【發(fā)明者】鄔蘇東, 葉繼春, 高平奇, 楊映虎, 韓燦 申請人:中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所