多晶薄膜的制备方法

1.本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种多晶薄膜的制备方法。


背景技术：

2.三维单片集成技术通过堆叠的方式将传统二维晶体管的布局由平铺改为纵向堆叠，可以大幅度提高器件的集成度。
3.以cmos(互补金属氧化物半导体)器件制备为例，传统制备二维晶体管的方法，是将cmos中的nmos(n型金属-氧化物-半导体)和pmos(p型金属-氧化物-半导体)都制备在衬底材料的同一层。而对于三维集成技术来说，则是先将nmos(或pmos)制备完成后，再在其顶部制备pmos(或nmos)，底层的器件可以直接在硅衬底上制备，而顶层的器件，则需要在底层器件的顶部重新制备一个有源区材料层，即薄膜，才可以在这上面制作顶层器件。因此这个有源区材料层的质量对器件性能影响很大，该有源区材料层的品质约接近衬底的单晶材料，则制备出的cmos器件的质量越高。
4.现有方法虽然可以在底层前进的顶部制备出材料是单晶硅、较为理想中的薄膜，但是其成本高，且成品率低。同时，现有的还是采用激光结晶的方法制备多晶硅薄膜，以作为底层器件上的有源区材料层，其主要的方法是在衬底的上表面刻蚀出深孔以后，然后在衬底的上表面和深孔内设置介质层，通过激光对介质层上表面的大部分区域进行熔融，以进行重结晶处理，以使衬底表面形成形状规则的多晶材料颗粒，并保留深孔的底部未被熔融的介质层区域作为籽晶层，待激光移开后重新结晶，以形成多晶薄膜。其中，形状规则是指多晶硅晶粒一个个呈正方形形状，单个多晶硅晶粒的特性与单晶的质量接近，因此如果器件能够制备在这个晶粒内，就可以获得跟单晶硅材料相当的器件性能。
5.但是激光结晶的方法的关键是要保证深孔的尺寸和形貌。如果激光孔的孔径过大，则很难形成缺陷少，即晶界少的、晶向单一的晶粒，如此必须将深孔的孔径控制到150nm以下，由此必须采用lpcvd(低压化学气相沉积)工艺，但是该工艺生长速率慢，且热预算高，进而将会导致多晶薄膜制备成本的增加，且采用该工艺刻蚀出的激光孔的形貌也难以得到保证，如此将会降低多晶薄膜的成品率。
6.另外，在soi衬底(绝缘硅衬底)器件制备的过程中，绝缘硅材料也可以采用这种多晶材料，其性能可以与单晶硅材料接近。
7.因此，如何降低多晶薄膜的制备难度和制备成本、提高多晶薄膜的成品率，成为亟需解决的难题。


技术实现要素：

8.为解决上述问题，本发明提供的多晶薄膜的制备方法，通过在凹槽的侧壁上形成侧墙结构，并以侧墙结构作为籽晶过滤器，使得激光热处理后的薄膜层重新结晶，从而到拥有形状规则的多晶材料颗粒的多晶薄膜，操作简单，成本低，成品率高。
9.本发明提供一种多晶薄膜的制备方法，包括：
10.提供衬底；
11.在衬底的表面刻蚀出凹槽；
12.在凹槽的侧壁上沉积非晶半导体材料，以形成侧墙结构；
13.在凹槽内填充介质材料并进行平坦化处理，形成填充结构，填充结构的表面与衬底的表面平齐；
14.在衬底的表面生长薄膜层，薄膜层覆盖侧墙结构和填充结构；
15.激光热处理薄膜层的表面，以使薄膜层进行重结晶并形成多晶薄膜。
16.可选地，在衬底的表面生长薄膜层的步骤之前，制备方法还包括：
17.还原退火处理露出衬底表面的侧墙结构的表面。
18.可选地，凹槽的宽度大于100nm。
19.可选地，侧墙结构的厚度小于150nm。
20.可选地，衬底背离凹槽的表面设置有金属氧化物半导体。
21.可选地，衬底的材料包括：硅或锗。
22.可选地，介质材料为绝缘材料。
23.可选地，介质材料包括：氧化硅、氮化硅和氮氧化硅中的至少一种。
24.可选地，在衬底的表面生长薄膜层的步骤包括：
25.在600摄氏度以下的温度下生长薄膜层。
26.可选地，激光热处理薄膜层的表面中所使用的激光光源的穿透深度小于凹槽的深度。
27.可选地，激光热处理薄膜层的表面中所使用的激光光源的能量密度的范围为1.5j/cm2至3j/cm2。
28.可选地，还原退火处理露出衬底表面的侧墙结构的表面的步骤包括：
29.在氮气或惰性气体环境中，以600摄氏度以下且200摄氏度以上的温度对露出衬底表面的侧墙结构的表面进行退火；
30.采用酸性溶液腐蚀露出衬底表面的侧墙结构的表面，以去除露出衬底表面的侧墙结构的表面上的氧化层。
31.本发明实施例提供的多晶薄膜的制备方法，通过在凹槽的侧壁上形成侧墙结构，并以被绝缘介质包裹的侧墙结构作为籽晶过滤器，其中侧墙结构的厚度可以限定重新结晶过程中只能容下单个晶粒通过侧墙结构并进入薄膜层，从而起到限制薄膜层中晶体的晶向的作用。相较于激光结晶的方法，本发明所提供的多晶薄膜的制备方法中的侧墙结构的厚度比采用光刻方式形成的指定孔径的孔更易控制，且直接通生长的办法就可以形成指定厚度的侧墙结构，甚至可以实现纳米尺度的结构，如此操作更简单，产额更高；同时，由于无需刻蚀出深孔，减少了使用高精度光刻即的频次，并省去了形成深孔所需的硬掩膜刻蚀技术，提高了多晶薄膜的制备效率。另外，本发明中的制备方法不必因为考虑非晶硅的填充问题而必须采用lpcvd，而本发明采用pecvd(等离子体增强化学的气相沉积法)形成侧墙结构所需要的温度更低，并也完全可以满足对籽晶过滤器的需求，从而降低了工艺的热预算，降低了多晶薄膜的制作成本。
附图说明
32.为了更清楚地说明本技术实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为本技术一实施例的多晶薄膜的制备方法的示意性流程图；
34.图2a至图2d为本技术一实施例的扇多晶薄膜的制备方法中相关步骤所呈现的示意性结构图；
35.图3为本技术一实施例的多晶薄膜的制备方法的示意性流程图；
36.图4a至图4e为本技术一实施例的多晶薄膜的制备方法中相关步骤所呈现的示意性结构图。
37.附图标记
38.1、衬底；11、凹槽；2、第一预备层；21、预设结构；211、侧墙结构；212、底面结构；3、第二预备层；31、填充结构；4、薄膜层。
具体实施方式
39.为了便于理解本技术，下面将参照相关附图对本技术进行更全面的描述。附图中给出了本技术的实施例。但是，本技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本技术的公开内容更加透彻全面。
40.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
41.空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
42.需要说明的是，当元件被称为“固定连接”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
43.在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
44.第一方面，本实施例提供一种多晶薄膜的制备方法，参见图1，并结合图2a至图2d，
该制备方法包括步骤s101至步骤s106：
45.步骤s101：提供衬底1。
46.其中，该衬底1可为cmos器件中顶层的器件中的衬底，也可为soi衬底。
47.在该衬底1为cmos器件中顶层的器件中的衬底时，衬底1下表面设置有金属氧化物半导体；衬底1的材料可为硅或锗，但并不限于此。其中，衬底1下方的金属氧化物半导体可为nmos或pmos。在本实施例中，衬底1的材料为硅，衬底1下方的金属氧化物半导体为nmos。
48.步骤s102：在衬底1的表面刻蚀出凹槽11。
49.其中，凹槽11的宽度大于100nm，如110nm、120nm、150nm或200nm等。在本实施例中，凹槽11位于衬底1的上表面，凹槽11的宽度为120nm。需要说明的是，凹槽11的深度由步骤s107中所使用的激光的波长决定。如激光波长532nm，凹槽11的深度则不低于300nm。
50.步骤s103：在凹槽11的侧壁上沉积非晶半导体材料，以形成侧墙结构211。
51.其中，侧墙结构211的厚度小于150nm，如在100nm以下，优选100nm。
52.在一种可选的实施例中，步骤s103包括步骤s1031，步骤s1031为在衬底1的上表面、凹槽11的底面和凹槽11的侧壁上沉积非晶半导体材料。其中，非晶半导体材料为非晶硅、非晶态的ge，sige，sic，gan等半导体材料，但不限于此。
53.在本实施例中，侧墙结构211的材料为非晶硅。
54.在一种可选的实施例中，步骤s103包括步骤s1032，步骤s1032为在衬底1的上表面、凹槽11的底面和凹槽11的侧壁上沉积非晶半导体材料，去除凹槽11的底面上沉积的非晶半导体材料。
55.步骤s104：在凹槽11内填充介质材料并进行平坦化处理，形成填充结构31。填充结构31的表面与衬底1的表面平齐。
56.介质材料为绝缘材料。具体的，介质材料包括：氧化硅、氮化硅和氮氧化硅中的至少一种。在本实施例中，介质材料为氧化硅。
57.需要说明的是，在填充介质材料的过程中，可使介质材料覆盖步骤s1031中得到的衬底1上的非晶半导体材料；之后进行化学机械平坦化处理，以去除衬底1上方的介质材料和非晶半导体材料，从而由非晶半导体材料形成位于凹槽11底面上和侧面上的预设结构21，以及填充在凹槽11内剩余空间的填充结构31。其中，预设结构21包括侧墙结构211，且经步骤s104得到的填充结构31的上表面以及侧墙的上表面均与衬底1的表面平齐。介质材料包括：氧化硅、氮化硅和氮氧化硅中的至少一种。在本实施例中，介质材料为氧化硅。
58.步骤s105：在衬底1的表面生长薄膜层4。
59.薄膜层4覆盖侧墙结构211和填充结构31。薄膜层4的材料与侧墙结构21的材料相同，可以为非晶硅、非晶态的ge，sige，sic，gan等半导体材料，但并不限于此。本实施例以薄膜层4的材料为非晶硅为例。
60.进一步的，在衬底1的表面生长薄膜层4的步骤包括：在600摄氏度以下的温度下生长薄膜层4。在上述衬底1为cmos器件中顶层的器件中的衬底时，通过对生长薄膜层4的温度进行限定，能够保证衬底1下方的金属氧化物半导体不受热处理的损伤。
61.在一种可选的实施例中，在步骤s105之前，该制备方法还包括：还原退火处理露出衬底1表面的侧墙结构211的表面。
62.通过还原退火处理侧墙结构211的上表面，可使侧墙结构211的上表面直接与后续
的薄膜层4接触，并可使侧墙结构211中的氢溢出侧墙结构211，从而保证薄膜层4重结晶成多晶薄膜的质量。
63.在一种可选的实施例中，还原退火处理露出衬底1表面的侧墙结构211的表面的步骤包括：
64.在氮气或惰性气体环境中，以600摄氏度以下且200摄氏度以上的温度对露出衬底1表面的侧墙结构211的表面进行退火；采用酸性溶液腐蚀露出衬底1表面的侧墙结构211的表面，以去除侧墙结构211的上表面上的自然氧化层。其中，惰性气体可为氩气或氦气等。
65.优选地，在400摄氏度的温度对露出衬底1表面的侧墙结构211的表面进行退火。
66.采用酸性溶液腐蚀露出衬底1表面的侧墙结构211的表面的步骤进一步包括：采用酸性溶液为水和溶质比例为100：1的氢氟酸溶液在18～23摄氏度的温度下，腐蚀侧墙结构211的上表面30秒，但并不限于此。
67.需要说明的是，在对侧墙结构211的上表面进行还原退火处理的过程，同时还对衬底1的上表面和填充结构31的上表面进行还原退火处理。而本实施例进行还原退火仅是为将侧墙结构211的上表面的受空气氧化形成的自然氧化层，以使侧墙结构211能够直接与后续的薄膜层4接触，从而有利于薄膜层4在经过激光热处理后形成多晶硅薄膜，提高多晶薄膜的质量。另外，除采用酸性溶液的方式去除侧墙结构211的上表面上的自然氧化层以外，还可通过研磨的方式去除侧墙结构211的上表面上的自然氧化层。
68.其中，采用酸性溶液腐蚀衬底1的上表面能够去除衬底1上表面的自然氧化层。
69.步骤s106：激光热处理薄膜层4的表面，以使薄膜层4进行重结晶并形成多晶薄膜。
70.其中，激光热处理薄膜层4的表面中所使用的激光光源的穿透深度小于凹槽11的深度；激光热处理薄膜层4的表面中所使用的激光光源的能量密度的范围为1.5j/cm2至3j/cm2，对此本实施例不做进一步限定。
71.第二方面，本实施例提供一种多晶薄膜的制备方法，参见图3，并结合图4a至图4e，该制备方法包括步骤s201至步骤s208：
72.步骤s201：提供衬底1。
73.步骤s202：在衬底1的表面刻蚀出凹槽11。
74.步骤s203：在衬底1的上表面、凹槽11的底面和凹槽11的侧壁上沉积非晶硅，形成第一预备层2。
75.其中，位于凹槽11的侧壁上沉积非晶半导体材料形成侧壁结构。
76.步骤s204：在第一预备层2上沉积介质材料，形成第二预备层3。
77.介质材料覆盖衬底1上表面上的非晶硅并填充凹槽11内剩余的空间。
78.步骤s205：对第一预备层2和第二预备层3进行化学机械平坦化处理，以使侧墙结构211的上表面和由介质材料形成的结构的上表面均与衬底1的上表面平齐。
79.其中，化学机械平坦化处理后的第一预备层2构成侧墙结构211和与衬底1上表面平行的底面结构212，即上述预设结构21由侧墙结构211和底面结构212构成；化学机械平坦化处理后的介质材料构成填充结构31。
80.步骤s206：还原退火处理侧墙结构211的上表面。
81.步骤s207：在衬底1的上表面生长薄膜层4。
82.薄膜层4覆盖侧墙结构211和填充结构31。
83.步骤s208：激光热处理薄膜层4的表面，以使薄膜层4进行重结晶并形成多晶薄膜。
84.在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
85.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
86.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。