多晶硅薄膜的制备方法

多晶硅薄膜材料同时具有单晶硅材料的高迁移率及非晶硅材料的可大面积、低成本制备

的优点。因此，对于多晶硅薄膜材料的研究越来越引起人们的关注，多晶硅薄膜的制备工艺
可分为两大类：一类是高温工艺，制备过程中温度高于

600

℃,衬底使用昂贵的石英，但制

备工艺较简单。另一类是低温工艺，整个加工工艺温度低于

600

℃，可用廉价玻璃作衬底，

因此可以大面积制作，但是制备工艺较复杂。目前制备多晶硅薄膜的方法主要有如下几种：

　　

1 低压化学气相沉积（LPCVD）

　　这是一种直接生成多晶硅的方法。

LPCVD 是集成电路中所用多晶硅薄膜的制备中普遍

采用的标准方法，具有生长速度快，成膜致密、均匀，装片容量大等特点。多晶硅薄膜可采
用硅烷气体通过

LPCVD 法直接沉积在衬底上，典型的沉积参数是：硅烷压力为 13.3～

26.6Pa，沉积温度 Td=580～630

℃，生长速率 5～10nm/min。由于沉积温度较高，如普通玻

璃的软化温度处于

500～600

℃，则不能采用廉价的普通玻璃而必须使用昂贵的石英作衬底。

LPCVD 法生长的多晶硅薄膜，晶粒具有<110>择优取向，形貌呈"V"字形，内含高密度的
微挛晶缺陷，且晶粒尺寸小，载流子迁移率不够大而使其在器件应用方面受到一定限制。虽
然减少硅烷压力有助于增大晶粒尺寸，但往往伴随着表面粗糙度的增加，对载流子的迁移
率与器件的电学稳定性产生不利影响。

　　

2 固相晶化(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

LPCVD 方法在 550

℃左右沉积 a-Si:H 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。经大量研究表明，利用该方法制得的多晶硅晶粒尺
寸还与初始薄膜样品的无序程度密切相关，

T.Aoyama 等人对初始材料的沉积条件对固相晶

化的影响进行了研究，发现初始材料越无序，固相晶化过程中成核速率越低，晶粒尺寸越
大。由于在结晶过程中晶核的形成是自发的，因此，

SPC 多晶硅薄膜晶粒的晶面取向是随机

的。相邻晶粒晶面取向不同将形成较高的势垒，需要进行氢化处理来提高

SPC 多晶硅的性

能。这种技术的优点是能制备大面积的薄膜

,晶粒尺寸大于直接沉积的多晶硅。可进行原位掺

杂，成本低，工艺简单，易于形成生产线。由于

SPC 是在非晶硅熔融温度下结晶，属于高

温晶化过程，温度高于

600

℃，通常需要 1100℃左右，退火时间长达 10 个小时以上，不适

用于玻璃基底，基底材料采用石英或单晶硅，用于制作小尺寸器件，如液晶光阀、摄像机取
景器等。