硅薄膜的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种硅薄膜的制备方法，使用中压等离子体设备制备硅薄膜，包括以下步骤：将衬底清洗后放入沉积腔室的样品台上；将所述沉积腔室抽真空；在等离子体喷枪的腔体中通入第一气体，所述第一气体在所述等离子体喷枪的腔体中生成等离子体；在所述等离子体喷枪的腔体中通入第二气体，所述第二气体在所述等离子体喷枪的腔体中分解为包含硅原子的气体粒子；所述硅原子在所述等离子体的携带下进入沉积腔室，并沉积在所述衬底上形成硅薄膜；在所述硅薄膜的沉积过程中，所述沉积腔室中的压力为0.1kPa～10kPa，且所述压力值恒定。上述方法可实现较低温度下硅薄膜的快速生长。
【专利说明】硅薄膜的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体制备【技术领域】，特别是涉及一种硅薄膜的制备方法。
【背景技术】
[0002] 半导体工业中，相对于传统的抛光硅片，外延硅片越来越被广泛采用，尤其是硅片 的厚度<32nm时，这主要是由于外延硅片可以提供更加可控的掺杂刨面，而且基本上不会 引入C、0等杂质元素。
[0003] 以常压化学气相沉积（APCVD)为代表的热化学气相沉积（TCVD)技术为娃薄膜的 最主要的快速外延沉积技术，其外延生长速度达到几十纳米每秒的量级。但是，TCVD的化学 产率较低，自理论上和实际上都限制在30%以下，会导致原材料的极大浪费；并且，TCVD - 般在大于1200°C的高温下进行，生长温度过高不利于晶硅薄膜技术中所需要的精确原位掺 杂的实现，同时高温过程中引入的自掺杂效应和杂质污染不利于低级别廉价衬底的使用， 且高温过程还直接把低成本的玻璃衬底和柔性衬底排除在外，不利于器件向着低成本和柔 性化发展，此外，高温过程中局部温度梯度分布很容易在衬底中引入较大的应力，直接降低 了衬底的重复利用率。
[0004] 利用等离子体技术可实现较低温度下硅薄膜的生长。等离子体增强化学气相沉 积（PECVD)为目前常用的硅薄膜的生长方法，其克服上述高温过程中的一些不利影响，但 是TOCVD采用的压力较低，因而等离子体的密度较低，导致硅薄膜的生长速率较低，限制了 硅薄膜的规模化生产。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种硅薄膜的制备方法，可实现较低温度下硅薄膜的快速生长。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] -种硅薄膜的制备方法，使用中压等离子体设备制备硅薄膜，包括以下步骤：
[0008] 将衬底清洗后放入沉积腔室的样品台上；
[0009] 将所述沉积腔室抽真空；
[0010] 在等离子体喷枪的腔体中通入第一气体，所述第一气体在所述等离子体喷枪的腔 体中生成等离子体；
[0011] 在所述等离子体喷枪的腔体中通入第二气体，所述第二气体在所述等离子体喷枪 的腔体中分解为包含硅原子的气体粒子；
[0012] 所述硅原子在所述等离子体的携带下进入沉积腔室，并沉积在所述衬底上形成硅 薄膜；
[0013] 在所述硅薄膜的沉积过程中，所述沉积腔室中的压力为0. lkPa?10kPa，且所述 压力值恒定。
[0014] 在其中一个实施例中，在所述硅薄膜的沉积过程中，所述沉积腔室中的压力为 0. 2kPa ?2kPa。
[0015] 在其中一个实施例中，在所述硅薄膜沉积之前，调节所述衬底的温度至100°C? 1100。。。
[0016] 在其中一个实施例中，在所述硅薄膜沉积之前，调节所述衬底的温度至500°C? 700。。。
[0017] 在其中一个实施例中，所述第一气体为Ar、He和H2中的一种或多种；
[0018] 所述第二气体为SiH4、SiH2Cl2和SiHCl 3中的一种或多种，或SiH4、SiH2Cl2和SiHCl 3 中的一种或多种与H2的组合。
[0019] 在其中一个实施例中，在将所述沉积腔室抽真空的步骤中，将所述沉积腔室抽至 10_3?10_6Pa的本底真空度。
[0020] 在其中一个实施例中，所述硅薄膜为多晶硅薄膜或单晶硅薄膜。
[0021] 在其中一个实施例中，在将所述沉积腔室抽真空之前，还包括以下步骤：
[0022] 调节所述样品台的高度，使所述衬底表面与所述等离子体喷枪出口的距离为 20mm ?60mm〇
[0023] 在其中一个实施例中，在所述等离子体喷枪的腔体中通入的第一气体的流量为 8slm?40slm，在所述等离子体喷枪的腔体中通入的第二气体的流量为lOsccm?500sccm。
[0024] 在其中一个实施例中，所述第一气体在所述等离子体喷枪中生成等离子体包括以 下步骤：
[0025] 打开射频电源，调节所述射频电源的功率；
[0026] 所述射频电源的电流作用于所述等离子喷枪的腔体外侧的电感线圈上，所述第一 气体在所述电感线圈的感应下受到激发，生成等离子体。
[0027] 本发明的有益效果如下：
[0028] 在本发明的硅薄膜的制备方法中，采用等离子体技术沉积薄膜，大大降低了硅薄 膜的沉积温度；并且，在硅薄膜的沉积过程中，沉积腔室中的压力，即沉积压力维持在中压 (0. lkPa?10kPa)水平，在此压力范围内，沉积腔室中的等离子体的密度较大，由于硅原子 是通过等离子体的携带到达衬底表面，因此，等离子体密度越大，薄膜的沉积速率越快，故 相比于传统制备方法中的PECVD，采用本发明的方法大大提高了薄膜的沉积速率。
[0029] 同时，本发明中的等离子体的气体温度低于高压等离子体技术中等离子体的气体 温度，电子温度低于低压等离子体技术中等离子体的电子温度，由于这些特性，本发明中的 等离子体中的气体组分主要以原子态存在，减少了由于离子轰击和热损伤而导致的膜质变 差的现象，提高了硅薄膜质量及沉积速率。
[0030] 综上所述，本发明的硅薄膜的制备方法，利用中压等离子体的优异特性，结合等离 子体喷涂技术，大大降低了硅薄膜的沉积温度，提高了硅薄膜的沉积速率和质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0031] 图1为本发明的硅薄膜的制备方法中使用的中压等离子体设备一实施例的结构 示意图；
[0032] 图2为本发明的硅薄膜的制备方法中硅薄膜的生长示意图；
[0033] 图3为等离子体的电子温度和气体温度随压力的变化曲线图；
[0034] 图4为实施例1和实施例2中制备的硅薄膜的扫描电镜图；
[0035] 图5为实施例1和实施例2中制备的硅薄膜的XRD衍射图谱。
【具体实施方式】
[0036] 以下对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体 实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0037] 本发明提供了一种硅薄膜的制备方法，可实现硅薄膜的外延生长，具有沉积温度 低、速率高、沉积薄膜质量好等优点。
[0038] 本发明使用中压等离子体设备制备硅薄膜，中压等离子体设备是一种能够产生等 离子体的设备，利用该设备容易实现沉积腔室中的中压范围（〇. lkPa?10kPa)的压力。以 下对该中压等离子体设备详细说明：
[0039] 参见图1，本发明使用的中压等离子体设备包括沉积腔室100、气体导入管200、等 离子体喷枪300、抽真空系统400、压力控制系统500、气体系统600、射频电源700和电感 线圈800。其中，气体导入管200泛指通气管路，用于将第一气体和第二气体通入等离子体 喷枪300中，其一端与气体系统600连通，另一端与等离子体喷枪300连通；等离子体喷枪 300与沉积腔室100连通，用于在射频电源700和电感线圈800的作用下将第一气体激发为 等离子体，以及将第二气体分解为包含硅原子的气体粒子；沉积腔室1〇〇中设置有样品台 110,样品台110用于放置衬底；抽真空系统100与反应腔体100连通，用于将沉积腔室100 抽真空；压力控制系统500与反应腔体100连通，用于将反应腔体100的压力控制在中压范 围（0· lkPa ?10kPa)。
[0040] 等离子体喷枪300包括腔体310、第一水冷系统330和第二水冷系统340。其中， 电感线圈800设置在腔体310的外侧，且电感线圈800围绕腔体310的外侧绕匝，作为一种 可实施方式，电感线圈800的匝数为3?6匝；射频电源700与电感线圈800电连接。工作 时，射频电源700的电流作用于电感线圈800,腔体310内部的第一气体在电感线圈800的 感应下生成等离子体。作为一种可实施方式，射频电源700的功率为5kw?40kw，频率为 2MHz ?40MHz。
[0041] 上述中压等离子体设备中，第一水冷系统330设置在腔体310的外侧，且第一水冷 系统330与腔体310的外侧壁紧密接触。较佳地，第一水冷系统330为石英管，石英管中通 有冷却水，通过冷却水的循环来降低腔体310的温度，避免了腔体310在等离子体的高温下 受到损伤。第二水冷系统340设置在腔体310的进气端端口处，并将腔体310的进气端端口 密封，起到保护气体导入管200和腔体310的作用。较佳地，气体导入管200为水冷结构， 避免了其本身在高温下的损害，保证了气体的顺利导入。
[0042] 此外，在沉积腔室100的外侧、样品台110处以及射频电源700处均设置有水冷系 统，用于降低温度，保护该中压等离子体设备。
[0043] 继续参见图1，气体系统600包括流量控制器610和气源620。流量控制器610设 置在气源620与气体导入管200之间，用于控制气体的流量。
[0044] 抽真空系统400包括分子泵组410和闸板阀420。闸板阀420设置在分子泵组410 和沉积腔室100之间，用于控制分子泵组410与沉积腔室100的连通。工作时，接通电源， 旋开闸板阀420,分子泵组410将沉积腔室100中的气体抽出。
[0045] 压力控制系统500包括压力控制阀520和工艺泵组510。作为优选，压力控制阀 520采用蝶阀，当沉积腔室100中的压力大于设置的压力值时，压力控制阀520的调节角度 增加，工艺泵组510抽出沉积腔室100中的部分气体，直至沉积腔室100中的压力满足设置 的压力值；当沉积腔室100中的压力小于设置的压力值时，压力控制阀520的调节角度减 小，使得沉积腔室100中的气体排出速度减小，直至沉积腔室100中的压力满足设置的压力 值。
[0046] 利用上述的中压等离子体设备进行硅薄膜的制备包括以下步骤：
[0047] S100 :将衬底清洗后放入沉积腔室100的样品台110上。
[0048] 一般地，衬底分别经丙酮、异丙醇和去离子水的超声清洗，以保证衬底的洁净度， 减少沉积薄膜的缺陷，有助于得到高质量的薄膜。
[0049] S200 :将沉积腔室100抽真空。
[0050] 该步骤中，将沉积腔室100抽至10_3?10_6Pa的本底真空度，较优地，将沉积腔室 100抽至10_ 5?10_6Pa的本底真空度。真空度越高，沉积腔室100中残余的空气越少，有效 防止了薄膜沉积过程中杂质的掺入。
[0051] S300 :在等离子体喷枪300的腔体310中通入第一气体，第一气体在等离子体喷枪 300的腔体310中生成等离子体。
[0052] 较佳地，通入的第一气体的流量为8slm?40slm。作为一种可实施方式，第一气体 为Ar、He和H 2中的一种或多种。
[0053] 步骤S300中，第一气体在腔体310中生成等离子体包括以下步骤：
[0054] 打开射频电源700,调节射频电源700的电压；射频电源700的电压作用于等离子 喷枪300的腔体310外侧的电感线圈800上，第一气体在电感线圈800的感应下受到激发， 生成等离子体。本发明中采用电感耦合的方式产生等离子体，避免了因为电极的腐蚀而引 入的污染问题，提高了沉积薄膜的纯度。
[0055] S400 :在等离子体喷枪300的腔体310中通入第二气体，第二气体在等离子体喷枪 300的腔体310中分解，生成包含硅原子的气体粒子。
[0056] 需要说明的是，第一气体可以和第二气体一起通入，也可以混合通入。本实施例中 优选先通入第一气体后再通入第二气体。
[0057] 较佳地，通入的第二气体的流量为lOsccm?500sccm。
[0058] 在步骤S300中，通过射频耦合产生了等离子体，因为等离子体中心的温度较高， 一般在3000°C以上，因此，当通入第二气体后，第二气体受到高温影响，在等离子体的中心 区域分解为包含硅原子的气体粒子。
[0059] 作为一种可实施方式，第二气体为SiH4、SiH2CljP SiHCl3中的一种或多种，或 SiH4、SiH2Cl2和SiHCl3中的一种或多种与H 2的组合。其中，H2的作用为增加对Si的还原。
[0060] 较优地，在等离子体喷枪300的腔体310中通入第二气体之前，首先利用步骤S300 中产生的等离子体对衬底表面进行清洗以除去衬底表面的氧化层。
[0061] S500 :硅原子在等离子体的携带下进入沉积腔室100,并沉积在衬底上形成硅薄 膜；在硅薄膜的沉积过程中，沉积腔室100中的压力为0. lkPa?10kPa，并保持恒定。
[0062] 其中，沉积腔室100中的压力通过压力控制系统500进行调节，一般在通入第一气 体后，即进行沉积腔室100中压力的调节，并保持压力值恒定。
[0063] 本发明采用电感耦合的方式产生等离子体，并且通过等离子体喷涂的方式将硅原 子快速运输至衬底表面，能实现较低温度下硅薄膜的快速沉积。
[0064] 需要说明的是，步骤S500中，第二气体分解产生的除Si原子以外的其他粒子也会 在等离子体的携带下进入沉积腔室100。
[0065] 参见图2,为硅薄膜的生长示意图。沉积原子（硅原子）在等离子体的携带下， 快速运输至衬底的表面。在等离子体与衬底表面之间由于温度梯度存在一层热边界层，运 往衬底表面的硅原子在热边界层内迅速冷凝、形成纳米团簇，通过调节热边界层的厚度可 以调节纳米团簇的尺寸和特性。当热边界层的厚度足够小时，所形成的纳米团簇的尺寸在 lnm?3nm之间，且具有松散的结构，在高速撞击到衬底表面后，娃原子能够实现自发的迁 移和重新排列，从而实现硅薄膜的快速外延沉积生长，形成外延膜（单晶薄膜）。该过程中 松散结构纳米团簇的形成和硅原子在衬底表面的自发迁移、重新排列也是本发明的技术区 别与其他等离子体技术的重要特点，同时也是实现快速外延的关键之处。
[0066] 其中，热边界层的厚度可调。例如，可通过调节衬底的温度来进行热边界层的厚度 的调节，也可通过调节等离子体的温度来进行热边界层的厚度的调节。热边界层越厚，硅原 子形成的纳米团簇越大，在撞击到衬底表面后，硅原子的自发迁移率降低，此时，容易形成 多晶薄膜。
[0067] 因此，本发明可通过控制热边界层的厚度来形成多晶硅薄膜或单晶硅薄膜。
[0068] 参见图3,为等离子体的电子温度和气体温度随压力的变化曲线图。由图可知，与 低压（< 0. OlkPa)等离子体相比，中压（0. lkPa?10kPa)等离子体具有较低的电子温度， Te < lev ;与高压等离子体（热等离子体）相比，中压（0. lkPa?10kPa)等离子体具有较 低的气体温度，Tge (1000,5000)K。由于这些特性，本发明中的等离子体中的气体组分主 要以原子态存在，减少了由于离子轰击和热损伤而导致的膜质变差的现象，提高了硅薄膜 质量及沉积速率。
[0069] 在本发明的硅薄膜的制备方法中，采用等离子体技术沉积薄膜，大大降低了硅薄 膜的沉积温度；并且，在硅薄膜的沉积过程中，沉积腔室中的压力，即沉积压力维持在中压 (0. lkPa?10kPa)水平，在此压力范围内，沉积腔室中的等离子体的密度较大，由于硅原子 是通过等离子体的携带到达衬底表面，因此，等离子体密度越大，薄膜的沉积速率越快，故 相比于传统制备方法中的PECVD，采用本发明的方法大大提高了薄膜的沉积速率。
[0070] 综上所述，本发明的硅薄膜的制备方法，利用中压等离子体的优异特性，结合等离 子体喷涂技术，大大降低了硅薄膜的沉积温度，提高了硅薄膜的沉积速率和质量。
[0071] 优选地，作为一种可实施方式，在硅薄膜的沉积过程中，沉积腔室100中的压力为 0.2kPa?2kPa。该压力下，硅原子在热边界层中的凝结过程中可生成尺寸相对较小的团 簇，利于单晶硅薄膜的生成；并且，该压力下，等离子体具有更低的电子温度和气体温度，能 够进一步提高成膜速率和薄膜质量。
[0072] 衬底的温度会直接影响热边界层的厚度，从而影响薄膜的沉积速度及沉积类型。 优选地，在硅薄膜沉积之前，还包括以下步骤：调节衬底的温度至l〇〇°C?1100°C。更优地， 在硅薄膜沉积之前，调节衬底的温度至500°C?700°C，该温度下有利于生成质量较佳的单 晶硅薄膜。其中，衬底的温度可通过调节样品台110处水冷系统的水流量进行调节，也可通 过抽真空之前在样品台110和衬底之间插入不同厚度和导热系数的材料进行调节，还可通 过调节射频电源700的功率来进行调节。
[0073] 作为一种可实施方式，在将沉积腔室100抽真空之前，还包括以下步骤：调节样品 台110的高度，使得衬底表面与等离子体喷枪300出口的距离为20mm?60mm。该方式能够 使得等离子体所携带的硅原子在撞击衬底时保持较高的速度，并且使得热边界层的厚度相 对较小，保证硅原子在撞击过程中能够实现自发的迁移和重新排列，利于得到质量较高的 单晶薄膜。
[0074] 为了更好地理解本发明，下面通过具体的实施例对本发明的硅薄膜的制备方法进 一步说明。
[0075] 实施例1
[0076] (1)将清洗后的单晶硅片作为衬底安装在沉积腔室的样品台上，其中，（100)晶面 朝上放置；
[0077] (2)调节样品台的高度，使衬底表面与等离子体喷枪的出口距离为30mm ;
[0078] (3)开启抽真空系统，将沉积腔室抽至l(T5Pa的本底真空度；
[0079] (4)开启压力控制系统，向等离子喷枪中通入流量为13slm的高纯Ar，通过压力控 制系统使沉积腔室内的压力达到800Pa并维持该压力；
[0080] (5)打开射频电源，并调节功率至25kW，产生等离子体；并将衬底的温度调节至 129。。；
[0081] (6)向等离子喷枪中通入总流量为lOOsccm的SiHCl3和H2混合气体，混合气体在 等离子喷枪中分解；
[0082] (7)混合气体分解产生的Si原子在等离子体的携带下进入沉积腔室，沉积在衬底 表面，沉积厚度为50微米；
[0083] (8)沉积结束后，关闭SiHCl3和H2混合气体、关闭射频电源、关闭Ar。
[0084] 本实施例中，在薄膜的沉积过程中，沉积腔室内的压力保持800Pa不变。
[0085] 实施例2
[0086] (1)将清洗后的单晶硅片作为衬底安装在沉积腔室的样品台上，其中，（100)晶面 朝上放置；
[0087] (2)调节样品台的高度，使衬底表面与等离子体喷枪的出口距离为30mm ;
[0088] (3)开启抽真空系统，将沉积腔室抽至10_5Pa的本底真空度；
[0089] (4)开启压力控制系统，向等离子喷枪中通入流量为13slm的高纯Ar，通过压力控 制系统使沉积腔室内的压力达到800Pa并维持该压力；
[0090] (5)打开射频电源，并调节功率至25kW，产生等离子体；并将衬底的温度调节至 500。。；
[0091] (6)向等离子喷枪中通入总流量为lOOsccm的SiHCl3和H2混合气体，混合气体在 等离子喷枪中分解；
[0092] (7)混合气体分解产生的Si原子在等离子体的携带下进入沉积腔室，沉积在衬底 表面，沉积厚度为50微米；
[0093] (8)沉积结束后，SiHCl3和H2混合气体、关闭射频电源、关闭Ar。
[0094] 本实施例中，在薄膜的沉积过程中，沉积腔室内的压力保持800Pa不变。
[0095] 参见图4,为实施例1和实施例2中所沉积的硅薄膜的扫描电镜图。其中（a)与 (b)分别为实施例1中所沉积的硅薄膜的表面的扫描电镜图和断面的扫描电镜图；（c)和 (d)分别为实施例2中所沉积的硅薄膜的表面的扫描电镜图和断面的扫描电镜图。
[0096] 由图4可知，当衬底温度为129°C时，所沉积的硅薄膜具有明显的晶粒结构，且与 衬底之间有明显的界面层；当衬底温度为500°C时，所沉积的硅薄膜无明显的晶粒结构，且 与衬底之间没有明显的界面层。
[0097] 参见图5，为实施例1和实施例2中所沉积的硅薄膜的XRD衍射图谱。其中，上面 的图为实施例1中所沉积的硅薄膜的XRD衍射图谱；下面的图为实施例2中所沉积的硅薄 膜的XRD衍射图谱。
[0098] 由图5可知，实施例1中的硅薄膜在Si (111)、（220)、（311)、（400)和（331)晶面 上具有明显的衍射峰，表明了实施例1沉积的薄膜具有多晶的结构；实施例1中的硅薄膜只 在Si (n00)晶面上具有明显的衍射峰，由于实施例2中沉积的硅薄膜的厚度为50微米，因 此XRD图谱所反应的是实施例2中沉积的硅薄膜的的晶体取向，因此，实施例2中制备的硅 薄膜为外延膜，即单晶薄膜。
[0099] 实施例3
[0100] (1)将清洗后的单晶硅片作为衬底安装在沉积腔室的样品台上，其中，（1〇〇)晶面 朝上放置；
[0101] (2)调节样品台的高度，使衬底表面与等离子体喷枪的出口距离为30mm;
[0102] (3)开启抽真空系统，将沉积腔室抽至l(T6Pa的本底真空度；
[0103] (4)开启压力控制系统，向等离子喷枪中通入流量为13slm的高纯Ar和0· 6slm的 高纯H2，通过压力控制系统使沉积腔室内的压力达到200Pa并维持该压力；
[0104] (5)打开射频电源，并调节功率至25kW，产生等离子体；并将衬底的温度调节至 300。。；
[0105] (6)向等离子喷枪中通入总流量为lOOsccm的SiH4和H2的混合气体，混合气体在 等离子体喷枪中分解；
[0106] (7)混合气体分解产生的Si原子在等离子体的携带下进入沉积腔室，沉积在衬底 表面，沉积时间为5min ;
[0107] (8)沉积结束后，关闭SiHjPH2的混合气体、关闭H2、关闭射频电源、关闭Ar。
[0108] 本实施例中，在薄膜的沉积过程中，沉积腔室内的压力保持200Pa不变。
[0109] 实施例4
[0110] (1)将清洗后的单晶硅片作为衬底安装在沉积腔室的样品台上，其中，（1〇〇)晶面 朝上放置；
[0111] (2)调节样品台的高度，使衬底表面与等离子体喷枪的出口距离为30mm;
[0112] (3)开启抽真空系统，将沉积腔室抽至l(T3Pa的本底真空度；
[0113] (4)开启压力控制系统，向等离子喷枪中通入流量为21slm的高纯Ar和0.6slm的 高纯H 2，通过压力控制系统使沉积腔室内的压力达到2000Pa并维持该压力；
[0114] (5)打开射频电源，并调节功率至30kW，产生等离子体；并将衬底的温度调节至 650。。；
[0115] (6)向等离子喷枪中通入流量为300sccm的SiHCl3气体，5丨此1 3气体在等离子体 喷枪中分解；
[0116] (7) 51此13气体分解产生的Si原子在等离子体的携带下进入沉积腔室，沉积在衬 底表面，沉积时间为2min ;
[0117] (8)沉积结束后，关闭SiHCl3、关闭H2、关闭射频电源、关闭Ar。
[0118] 本实施例中，在薄膜的沉积过程中，沉积腔室内的压力保持2000Pa不变。
[0119] 实施例5
[0120] (1)将清洗后的单晶硅片作为衬底安装在沉积腔室的样品台上，其中，（100)晶面 朝上放置；
[0121] (2)调节样品台的高度，使衬底表面与等离子体喷枪的出口距离为20mm;
[0122] (3)开启抽真空系统，将沉积腔室抽至l(T5Pa的本底真空度；
[0123] (4)开启压力控制系统，向等离子喷枪中通入流量为21slm的高纯Ar和0.6slm的 高纯H 2，通过压力控制系统使沉积腔室内的压力达到400Pa并维持该压力；
[0124] (5)打开射频电源，并调节功率至29kW，产生等离子体；并将衬底的温度调节至 1100°C ；
[0125] (6)向等离子喷枪中通入流量为lOsccm的SiHCl3气体，SiHCl 3气体分解；
[0126] (7) 51此13气体分解产生的Si原子在等离子体的携带下进入沉积腔室，沉积在衬 底表面，沉积时间为20min ;
[0127] (8)沉积结束后，关闭SiHCl3、关闭H2、关闭射频电源、关闭Ar。
[0128] 本实施例中，在薄膜的沉积过程中，沉积腔室内的压力保持400Pa不变。
[0129] 实施例6
[0130] (1)将清洗后的单晶硅片作为衬底安装在沉积腔室的样品台上，其中，（100)晶面 朝上放置；
[0131] (2)调节样品台的高度，使衬底表面与等离子体喷枪的出口距离为60_;
[0132] (3)开启抽真空系统，将沉积腔室抽至l(T5Pa的本底真空度；
[0133] (4)开启压力控制系统，向等离子喷枪中通入流量为40slm的高纯Ar，通过压力控 制系统使沉积腔室内的压力达到lOOOOPa并维持该压力；
[0134] (5)打开射频电源，并调节功率至30kW，产生等离子体；并将衬底的温度调节至 700 V ；
[0135] (6)向等离子喷枪中通入总流量为250sccm的SiH4和H2的混合气体，混合气体分 解；
[0136] (7)混合气体分解产生的Si原子在等离子体的携带下进入沉积腔室，沉积在衬底 表面，沉积时间为20s ;
[0137] (8)沉积结束后，关闭SiHjPH2的混合气体、关闭射频电源、关闭Ar。
[0138] 本实施例中，在薄膜的沉积过程中，沉积腔室内的压力保持lOOOOPa不变。
[0139] 实施例7
[0140] (1)将清洗后的单晶硅片作为衬底安装在沉积腔室的样品台上，其中，（100)晶面 朝上放置；
[0141] (2)调节样品台的高度，使衬底表面与等离子体喷枪的出口距离为60_;
[0142] (3)开启抽真空系统，将沉积腔室抽真空至l(T6Pa的本底真空度；
[0143] (4)开启压力控制系统，向等离子喷枪中通入流量为8slm的高纯Ar，通过压力控 制系统使沉积腔室内的压力达到l〇〇Pa并维持该压力；
[0144] (5)打开射频电源，并调节功率至26kW，产生等离子体；并将衬底的温度调节至 200。。；
[0145] (6)向等离子喷枪中通入流量为200sccm的SiHCl3气体，SiHCl 3气体在等离子体 喷枪中分解；
[0146] (7) 51此13气体分解产生的Si原子在等离子体的携带下进入沉积腔室，沉积在衬 底表面，沉积时间为3min ;
[0147] (8)沉积结束后，关闭SiHCl3、关闭射频电源、关闭Ar。
[0148] 本实施例中，在薄膜的沉积过程中，沉积腔室内的压力保持lOOPa不变。
[0149] 参见表1，为实施例3?7中硅薄膜的沉积速率、衬底温度和霍尔迁移率的结果。 在实施例3、实施例4和实施例5中，可生成霍尔迁移率较高的单晶硅薄膜，在实施例6和实 施例7中，可生成多晶硅薄膜。其中，在实施例6中，薄膜的沉积压力较高（lOOOOPa)，硅原 子在快速凝结过程中生成尺寸相对较大的团簇，因此硅原子不能在衬底表面很好低进行迁 移，导致了多晶结构的生成；在实施例7中，衬底的温度较低（200°C)，过低的衬底温度阻碍 了硅原子在衬底表面的迁移，因此生成多晶结构。同时，在实施例3?7中，硅薄膜均具有 较高的沉积速率。
[0150] 表1实施例3?7的薄膜的沉积速度、衬底温度和霍尔迁移率表
[0151]
【权利要求】
1. 一种硅薄膜的制备方法，其特征在于，使用中压等离子体设备制备硅薄膜，包括以下 步骤： 将衬底清洗后放入沉积腔室的样品台上； 将所述沉积腔室抽真空； 在等离子体喷枪的腔体中通入第一气体，所述第一气体在所述等离子体喷枪的腔体中 生成等离子体； 在所述等离子体喷枪的腔体中通入第二气体，所述第二气体在所述等离子体喷枪的腔 体中分解为包含硅原子的气体粒子； 所述硅原子在所述等离子体的携带下进入沉积腔室，并沉积在所述衬底上形成硅薄 膜； 在所述硅薄膜的沉积过程中，所述沉积腔室中的压力为0. lkPa?lOkPa，且所述压力 值恒定。
2. 根据权利要求1所述的硅薄膜的制备方法，其特征在于，在所述硅薄膜的沉积过程 中，所述沉积腔室中的压力为〇· 2kPa?2kPa。
3. 根据权利要求1所述的硅薄膜的制备方法，其特征在于，在所述硅薄膜沉积之前，调 节所述衬底的温度至l〇〇°C?1KKTC。
4. 根据权利要求1所述的硅薄膜的制备方法，其特征在于，在所述硅薄膜沉积之前，调 节所述衬底的温度至500°C?700°C。
5. 根据权利要求1所述的硅薄膜的制备方法，其特征在于，所述第一气体为Ar、He和 H2中的一种或多种； 所述第二气体为SiH4、SiH2Cl2和SiHCl3中的一种或多种，或SiH 4、SiH2Cl2和SiHCl3中 的一种或多种与H2的组合。
6. 根据权利要求1所述的硅薄膜的制备方法，其特征在于，在将所述沉积腔室抽真空 的步骤中，将所述沉积腔室抽至1〇_3?l〇_ 6Pa的本底真空度。
7. 根据权利要求1所述的硅薄膜的制备方法，其特征在于，所述硅薄膜为多晶硅薄膜 或单晶硅薄膜。
8. 根据权利要求1所述的硅薄膜的制备方法，其特征在于，在将所述沉积腔室抽真空 之前，还包括以下步骤： 调节所述样品台的高度，使所述衬底表面与所述等离子体喷枪出口的距离为20mm? 60mm〇
9. 根据权利要求1所述的硅薄膜的制备方法，其特征在于，在所述等离子体喷枪的腔 体中通入的第一气体的流量为8slm?40slm，在所述等离子体喷枪的腔体中通入的第二气 体的流量为lOsccm?500sccm。
10. 根据权利要求1?9任一项所述的硅薄膜的制备方法，其特征在于，所述第一气体 在所述等离子体喷枪中生成等离子体包括以下步骤： 打开射频电源，调节所述射频电源的功率； 所述射频电源的电流作用于所述等离子喷枪的腔体外侧的电感线圈上，所述第一气体 在所述电感线圈的感应下受到激发，生成等离子体。
【文档编号】C23C16/24GK104152864SQ201410419021
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月22日 优先权日:2014年8月22日
【发明者】邬苏东, 叶继春, 高平奇, 杨映虎, 韩灿 申请人:中国科学院宁波材料技术与工程研究所