专利名称：一种对晶硅薄膜掺杂制备超浅结的方法
技术领域：
本发明涉及半导体制备PN结的技术领域，尤其是一种对晶硅薄膜掺杂制备超浅结的方法。
背景技术：
随着半导体器件越来越小型化，要求节省材料、缩小尺寸的趋势越来越明显，相比较半导体晶片，薄膜半导体器件的优势越来越突出，无论是在TFT产业、光伏领域或者平板液晶显示行业，各种薄膜半导体器件扮演着越来越重要的角色。做为各种薄膜半导体器件中最基本的结构，薄膜中PN结的制备非常重要。目前技术中所用的薄膜PN结的制备，最常规的做法是通过同样的薄膜生长工艺， 调节所用材质的成份，依次生长不同类型的薄膜形成PN结。如常规生产中的PECVD法制备非晶硅太阳能电池工艺及液相外延技术制备的多晶硅薄膜太阳能电池。或者利用常规半导体晶体掺杂工艺，如专利号为200910080145. 6中提到的将晶化后，采用常规扩散办法制备多晶硅薄膜PN结。同时，业界也在寻找更好的制备薄膜PN结的制法。
发明内容
发明目的本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中对薄膜半导体器件PN 结制备工艺的改进，提供一种工艺简单、质量可靠、可操作性强的使用激光制备晶硅薄膜超浅结的方法，所制备的超浅结深度可以小于30NM。技术方案本发明公开了一种对单晶硅、多晶硅、微晶硅、掺杂制备超浅结的方法， 包括以下步骤步骤(1)，在真空条件下，以通气流量为50 lOOOsccm的速度通入H2以及另一种气体的混合物，此混合气体于薄膜表面晶格活化时会掺杂到薄膜表面；步骤O)，使用激光照射薄膜表面，使薄膜表面瞬间温升为1000°C 1400°C，最终在半导体表面形成超浅结，进一步优选地，薄膜表面瞬间温升为1200°C。本发明中，优选地，步骤( 使用激光照射薄膜表面，连续式激光器连续照射时间为5 50s，脉冲激光器累计照射5 20次。本发明中，优选地，步骤(1)所述真空条件是真空度为1000 10X10_3Pa的本
底真空。本发明中，一种方案，步骤(1)中该薄膜为N型薄膜，与通入的H2混合的另一种气体是KH6。本发明中，优选地，薄膜基片的衬底可以是玻璃、陶瓷、金属、铝箔、有机材料、半导体基片中的任意一种本发明中，优选地，当薄膜基片的衬底为玻璃、金属、半导体基片时，步骤(1)中可将衬底加热至500°C以下，可以防止基片在加热过程中出现额外掺杂，影响掺杂质量，加热温度稳定在10分钟以上。
本发明中，优选地，步骤⑴所述真空条件是真空度为6. 6Pa，混合气体中占体积百分比的Ι^-Ιδ^ 。本发明中，另一种方案，步骤(1)中该薄膜为P型薄膜，与通入的H2混合的另一种气体是PH3。本发明中，优选地，薄膜基片的衬底可以是玻璃、陶瓷、金属、铝箔、有机材料、半导体基片中的任意一种本发明中，优选地，当薄膜基片的衬底为玻璃、金属、半导体基片时，步骤(1)中可将衬底加热至500°C以下，可以防止基片在加热过程中出现额外掺杂，影响掺杂质量，加热温度稳定在10分钟以上本发明中，优选地，步骤⑴所述真空条件是真空度为6. 6Pa，混合气体中PH3占体积百分比的Ι^-Ιδ^ 。本发明中，又一个方案，当薄膜为I型时，视掺杂需要，当希望进行N型掺杂时，与通入的H2混合的另一种气体是PH3。当希望进行P型掺杂时，与通入的H2混合的另一种气体是KH6。本发明中，优选地，薄膜基片的衬底可以是玻璃、陶瓷、金属、铝箔、有机材料、半导体基片中的任意一种本发明中，优选地，当薄膜基片的衬底为玻璃、金属、半导体基片时，步骤(1)中可将衬底加热至500°C以下，可以防止基片在加热过程中出现额外掺杂，影响掺杂质量，加热温度稳定在10分钟以上。本发明中，优选地，步骤(2)所述激光工作介质为ArF，波长为193nm，或者所述激光工作介质为Kr，波长为248nm，或者所述激光工作介质为Xe，波长为308或351nm。本发明中选用的激光器功率在30MJ IJ之间可调，每脉冲小于20纳秒。本发明中所用的激光器，只要保证瞬间照射使薄膜表面升温到1200°C左右即符合本发明要求，不局限于本发明所给出的优选方案。有益效果本发明采用了一种与传统制备薄膜PN结相比，更为简单的工艺，这种工艺制备PN 结的结深可以小于30nm。如果采用镀膜方式达到纳米级的精度，对设备的要求会比较高，而本工艺所需的设备比较简单。另外，相对于通过控制工艺气体，利用各种真空及非真空办法依次生长薄膜形成的PN结而言，本工艺生成的PN结是一个整体，减少PN结的内部电阻，使 PN结具有更好的整流特性，有利于制成性能更优良的半导体器件。尤其相对于生长比较缓慢的多晶硅薄膜和微晶硅薄膜来说，减少了一层薄膜的制备，节约了大量的工艺时间。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和其他方面的优点将会变得更加清楚。图示为本发明一种对晶硅薄膜掺杂制备超浅结的方法的实现装置示意图。
具体实施例方式本发明公开了一种对晶硅薄膜掺杂制备超浅结的方法，包括以下步骤
步骤1，在真空条件下，以通气流量为50 lOOOsccm的速度通入H2以及另一种气体的混合物，此混合气体于薄膜表面晶格活化时会掺杂到薄膜表面；步骤2，使用激光照射衬底上的薄膜表面，使薄膜表面瞬间温升为1000°C 1400°C，最终薄膜表面形成超浅结。步骤1中，所述真空条件为1000 IOX 本底真空度。优选为所述本底真空度为6. 6Pa。步骤2中，使用激光照射衬底上的薄膜表面，连续式激光器连续照射时间为5 50s,脉冲激光器累计照射5 20次。使用短波长激光使薄膜表面瞬间升温到1000 1400°C，最佳温度为1200°C。所述激光工作介质为ArF，波长为193nm，或者所述激光工作介质为Kr，波长为248nm，或者所述激光工作介质为Xe，波长为308或351nm。一种方案，步骤1中该半导体薄膜为N型薄膜，与通入的H2混合的另一种气体是 ^H6，当薄膜衬底为玻璃、金属、半导体基片时，将衬底加热至500°C以下，所述真空条件是真空度为6. 6Pa，混合气体中IH6占体积百分比的 15%。当薄膜衬底为铝箔、陶瓷、有机材料等不适合加热的衬底时，衬底保持常温。另一种方案，步骤1中该半导体薄膜为P型半导体薄膜，与通入的H2混合的另一种气体是PH3，当薄膜衬底为玻璃、金属、半导体基片时，将衬底加热至500°C以下，所述真空条件是真空度为6. 6Pa，混合气体中PH3占体积百分比的 15%。当薄膜衬底为铝箔、 陶瓷、有机材料等不适合加热的衬底时，衬底保持常温。再一种方案，步骤1中该半导体薄膜为I型半导体薄膜，与通入的H2混合的另一种气体视掺杂成N型还是P型的需要分别可以是PH3* IH6，当薄膜衬底为玻璃、金属、半导体基片时，将衬底加热至500°C以下，所述真空条件是真空度为6. 6Pa，混合气体中PH3占体积百分比的 15%。当薄膜衬底为铝箔、陶瓷、有机材料等不适合加热的衬底时，衬底
保持常温。如图所示，本发明工艺步骤为将薄膜基片5( 为薄膜，5b为薄膜衬底)放入附图中的载片台6上，关闭真空室门，通过出气管道8对真空室3抽真空到本底真空度，通过进气管道4对真空室3通入混合气体，同时调节抽气系统抽气速率，使真空室内压强恒定。 同时，利用加热器7对基片加热。当真空室达到设定压强、薄膜基片温度达到设定温度时， 将符合要求波长和能量密度的激光1通过透光玻璃窗2照射到薄膜基片5上，此时薄膜基片5薄膜表面温度瞬间升到1200°C，激活了薄膜基片5表面薄膜的晶格，实现了掺杂气体的掺杂过程，使薄膜表面形成PN结。或者，将薄膜基片5( 为薄膜，恥为薄膜衬底)放入附图中的载片台6上，关闭真空室门，通过出气管道8对真空室3抽真空到本底真空度，通过进气管道4对真空室3通入混合气体，同时调节抽气系统抽气速率，使真空室内压强恒定。同时，保持真空室内为室温状态， 将符合要求波长和能量密度的激光1通过透光玻璃窗2照射到薄膜基片5上，此时薄膜基片5薄膜表面温度瞬间升到1200°C，激活了薄膜基片5表面薄膜的晶格，实现了掺杂气体的掺杂过程，使薄膜表面形成PN结。实施例1以IOOmmX IOOmmX 3. Omm的玻璃衬底附着厚度为1. 5 μ m的N型单晶硅薄膜，利用本发明在N型单晶硅薄膜上进行掺杂形成PN结，以此来进一步阐明本发明。其工艺步骤如下1、将经过清洁处理的薄膜基片放入真空室内的载片台上，单晶硅薄膜表面正对着透明玻璃窗。2、关闭真空室门，对真空室抽真空达到3. OX 10_3Pa，同时开启加热器，对薄膜基片加热，加热温度为350°C。3、当真空度达到本底真空度，加热温度稳定在350°C 10分钟以上， 薄膜基片均勻受热后，向真空室内通入流量为500sCCm的IH6和H2的混合气体，其中IH6百分含量为5%。同时调节抽气速率，使真空室压强恒定。4、开启激光器，使波长为193nm(激光器所用介质为ArF)、能量密度为500mJ，脉冲为20纳秒的激光束均勻地照射到薄膜基片上，使薄膜基片瞬间升温至1200°C。激光累计照射15次，此时薄膜表面形成符合要求，深度小于30nm，具有良好的迁移率及低的漏电流的质量良好的PN结，工艺过程完成。实施例2以156mmX156mmX180ym的P型多晶硅做基片，其上附着厚度为10 μ m的P型
多晶硅薄膜，利用本发明在P型多晶硅薄膜上进行掺杂形成PN结，以此来进一步阐明本发明。其工艺步骤如下1、将经过清洁处理的P型薄膜基片放入真空室内的载片台上，薄膜表面正对着透明玻璃窗。2、关闭真空室门，对真空室抽真空达到10Pa，同时开启加热器，对基片加热，加热温度为400°C。3、当真空度达到本底真空度，加热温度稳定在400°C且15分钟以上，硅片衬底均勻受热后，向真空室内通入流量为300sCCm的PH3和吐的混合气体，其中 PH3体积百分含量为8%。同时调节抽气速率，使真空室压强恒定。4、开启激光器，使波长为 248nm(激光器所用介质为Kr)、能量密度为500mJ，脉冲为20纳秒的激光束均勻地照射到基片上，使基片瞬间升温至1200°C，本实施例中，激光与基片之间保持相对运动，其中基片固定，激光扫射速度范围是15mm/s，当然，也可以使激光器固定，基片移动速度范围是15mm/ s,效果相同。激光累计照射15次，此时多晶硅薄膜表面形成符合要求，深度小于30nm，具有良好的迁移率及低的漏电流的质量良好的PN结，工艺过程完成。实施例3以IOOmmX IOOmmX 3. Omm的陶瓷衬底附着厚度为1. 5 μ m的N型微晶硅薄膜，利用
本发明在N型微晶硅薄膜上进行掺杂形成PN结，以此来进一步阐明本发明。其工艺步骤如下1、将经过清洁处理的薄膜基片放入真空室内的载片台上，微晶硅薄膜表面正对着透明玻璃窗。2、关闭真空室门，对真空室抽真空达到3. 0X10_3Pa，同时保持真空室内为恒定室温。3、当真空度达到本底真空度后，向真空室内通入流量为500sCCm的IH6和H2的混合气体，其中IH6百分含量为5%。同时调节抽气速率，使真空室压强恒定。4、开启激光器，使波长为308nm(激光器所用介质为Xe)、能量密度为400mJ，脉冲为20纳秒的激光束均勻地照射到薄膜基片上，使薄膜基片瞬间升温至1200°C。激光累计照射20次，此时薄膜表面形成符合要求，深度小于30nm，具有良好的迁移率及低的漏电流的质量良好的PN结，工艺过程完成。因为本实施例中以传热性能不好的陶瓷为衬底，对基片加热起不到使薄膜具有一个初始温度，从而加速反应的过程，因此采取了基片保持常温的做法，与此同时，类比对基片进行加热的工艺过程，在其它条件相同的条件下，本工艺过程要求较长一些的激光照射时间。实施例4以IOOOmmX 500mmX 3. Omm的有机膜材料衬底附着厚度为500nm的I型，利用本发
明在I型上进行掺杂形成IP型PN结，以此来进一步阐明本发明。其工艺步骤如下1、将经过清洁处理的薄膜基片放入真空室内的载片台上，以辊系统或者夹紧装置使薄膜张紧，表面正对着透明玻璃窗。2、关闭真空室门，对真空室抽真空达到3. 0X10_3Pa，同时保持真空室内为恒定室温。3、当真空度达到本底真空度后，向真空室内通入流量为500sCCm的IH6和 H2的混合气体，其中IH6百分含量为5%。同时调节抽气速率，使真空室内压强恒定。4、开启连续式激光器，调节其波长、功率、能量密度、束斑等参数，使激光束均勻地照射到薄膜基片上，薄膜基片瞬间升温至1200°C。激光照射时间持续50秒，此时薄膜表面形成符合要求， 深度小于30nm，具有良好的迁移率及低的漏电流的质量良好的PN结，工艺过程完成。若要在I型本征层上形成IN型PN结，将工艺气体中的IH6换成PH3,其它工序不变即可。
本发明提供了一种对晶硅薄膜掺杂制备超浅结的方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
权利要求
1.一种以激光制备PN结于单晶硅薄膜、多晶硅薄膜、微晶硅薄膜表面的方法，其特征在于，包括以下步骤步骤(1)，在真空条件下，通入压以及另一种气体的混合物，此混合气体于薄膜表面晶格活化时会掺杂到薄膜表面；步骤O)，使用激光照射到薄膜表面，使膜面瞬间温升为100(TC 1400°C，最终在薄膜表面形成PN结。
2.根据权利要求1所述的一种对晶硅薄膜掺杂制备PN结的方法，其特征在于，步骤 (2)使用激光照射薄膜表面，连续式激光器连续照射时间为5 50s ；或者使用脉冲激光器， 累计照射5 20次。
3.如权利要求1所述的一种对晶硅薄膜掺杂制备PN结的方法，其特征在于，步骤(1) 中该薄膜为N型薄膜时，与通入的压混合的另一种气体是&H6。
4.根据权利要求3所述的一种对晶硅薄膜掺杂制备PN结的方法，其特征在于，当衬底为玻璃、金属、半导体基片时，步骤(1)中将衬底加热至500°C以下。
5.根据权利要求4所述的一种对晶硅薄膜掺杂制备PN结的方法，其特征在于，步骤 (1)所述真空条件是真空度为6. 6Pa，混合气体中IH6占体积百分比的 15%。
6.如权利要求1所述的一种对晶硅薄膜掺杂制备PN结的方法，其特征在于，步骤(1) 中该薄膜为P型薄膜时，与通入的吐混合的另一种气体是ph3。
7.如权利要求1所述的一种对晶硅薄膜掺杂制备PN结的方法，其特征在于，步骤(1) 中该薄膜为本征I型薄膜时，与通入的H2混合的另一种气体根据掺杂的需要可在PH3和IH6 中选择一种。
8.根据权利要求4、8或者12所述的一种对晶硅薄膜掺杂制备PN结的方法，其特征在于，步骤(2)所述激光工作介质为ArF，波长为193nm，或者所述激光工作介质为Kr，波长为 248nm，或者所述激光工作介质为Xe，波长为308或351nm。
全文摘要
本发明公开了一种以激光制备超浅结于单晶硅薄膜、多晶硅薄膜表面的方法，包括以下步骤在真空条件下，以通气流量为50～1000sccm的速度通入H2以及另一种气体的混合物，此混合气体于基片晶格活化时会掺杂到薄膜表面；使用激光照射到衬底基片上的薄膜，使薄膜表面瞬间温升为1000℃～1400℃，最终薄膜表面形成超浅结，进一步优选地，薄膜表面瞬间温升为1200℃。本发明制备超浅结深度可以小于30NM，掺杂浓度视具体要求可调。相对于常规PN结，本工艺生成的PN结间无界面，减少了PN结的内部电阻，使PN结具有更好的整流特性。另外本工艺所需的设备配置比常规技术要低，同时，工艺更稳定快捷。
文档编号H01L21/223GK102477583SQ20101057007
公开日2012年5月30日 申请日期2010年11月24日 优先权日2010年11月24日
发明者刘莹 申请人:刘莹