PECVD多晶硅薄膜制备工艺和性能研究
第4章 PECVD低温制备多晶硅薄膜
4.1硅烷浓度对薄膜性能的影响
在用PECVD连续沉积硅薄膜时，反应气体流量比是影响薄膜生长的最重要参数之一，反应气体流量比的大小直接影响着生长的薄膜结构是非晶的还是多晶的，所以要想利用PECVD法沉积高质量的硅薄膜，必须控制好反应气体的流量比，保证离子体中有足够的离子氢含量。因为沉积的薄膜有很高的表面悬挂键，而高浓度的氢可以和硅原子结合形成SiH4中性基团，它可以结合薄膜的表面悬挂
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。所以，通常选择高氢稀释的硅烷作为硅
薄膜沉积的反应气源。
一般来说，增大硅烷的浓度可以增大薄膜的沉积速率，但是结晶效果会变差，硅烷浓度越小，薄膜的晶化状况越好，所以在硅薄膜的沉积工艺中，硅烷浓度的选择很重要。由于本文主要是通过固相结晶法制备多晶硅薄膜，因此为了获得高质量的非晶硅薄膜，我们可以适当的提高SiH4和H2的配比浓度。
4.11硅烷浓度对薄膜沉积速率和结构的影响
表4-1给出了具体的沉积时间、沉积温度、沉积压强、辉光功率参数值，
以及实验沉积过程中所用的硅烷浓度。
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表4-1不同硅烷含量下制备薄膜的工艺参数
图4-1给出了硅烷浓度对薄膜的沉积速率和晶粒大小的影响，从图中可以看出，随着硅烷浓度的增加，薄膜的沉积速度也随之增加,在硅烷浓度介于3～ 4%之间时，速度的增加量最大，当硅烷浓度大于4%时速度的增加量减小。这主要是因为随着浓度的增大，反应腔室里硅等离子体的浓度增加的结合几率增加片的浓度增加，，最终使薄膜的沉积速率上升。随着浓度的增加，，硅离子体反应物在基沉积速率增加，气体中的硅烷浓度减少，薄膜中的H增多，同时H原子对膜层表面Si-Si弱键的刻蚀作用增强，在表面形成Si-H键，进一步阻碍了Si-Si键的形成，导致成膜速率的下降???????。利用XRD特征峰(111)的半高宽(FWHM)，采用公式(2-2)，计算得出薄膜的平均晶粒大小随浓度的变化关系，从图中可以看出，晶粒尺寸随着浓度的增加先上升后下降。
图4-1硅烷浓度对薄膜的沉积速率和晶粒大小的影响
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图4-2不同硅烷浓度下沉积的a-Si:H红外透射图谱
利用傅里叶红外变换光谱测试了退火前非晶硅薄膜的键合情况，结果如图4-2所示，我们可以看出，随着硅烷浓度的增加，640cm?1 附近的Si-H透射峰的强度变大，说明薄膜中的H含量随着浓度增加而增加。但对薄膜的成分影响不大，都含有在2000cm?1左右的S i-H键，由于氧化而形成的1060 cm?1处的Si-O-Si键，850 cm?1附近的Si-H2键以及640 cm?1附近的S i-H键的摇摆模。将制备的非晶硅薄膜样品在800℃下进行快速热退火，由于薄膜退火过程中的氢释放导致所有的Si-Hx键消
1060cm?1附近的Si-O-Si键，参见图3-100。
4.12硅烷浓度对薄膜晶化的影响
4.2沉积温度对薄膜性能的影响
沉积温度是a-Si:H薄膜PECVD沉积过程中起关键作用的参数，也是众多可控影响参数中最重要的一个参数。沉积温度影响着薄膜的沉积速率、粘附系数、表面迁移速率、成核条件、临界厚度，影响着无定形衬底上膜的结晶和取向，单晶衬底上单晶膜的外延生长质量。还影响着衬底和膜材料之间的热膨胀系数之差，残余应力的产生，而且最主要影响a-Si:H薄膜材料的结构特性、材料中的H含量与缺陷态密度????。Ray S等人????通过改变衬底温度实现了材料结构由非晶
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向微晶的转变，得到了更符合要求的硅薄膜。
4.21沉积温度对薄膜沉积速率和结构的影响
为了研究沉积温度对a-Si:H的影响，我们采用单元素变量法，在确保其它沉积参量不变的情况下，制备了一系列不同温度下沉积的a-Si:H薄膜。具体的参数值如表4-2。
表4-2不同沉积温度下的成膜参数
图4-5沉积温度对薄膜的沉积速率和晶粒大小的影响
薄膜的沉积温度对沉积速率和晶粒尺寸的影响很大。从图4-5可以看出，随着温度的升高，薄膜的沉积速率随之增加，而晶粒大小随着沉积温度的升高先上升后下降。图中显示，沉积温度在200=3500C时，生长速率增长最快，但是当沉积温度太高(T>3 50 0C)时，增速明显减缓，沉积速率有下降的趋势。根据非晶硅薄膜在基片表面的生长模型[}}o}，基团先吸附在基片表面上，部分基团将在表面的扩散并在非晶硅网络结构上找到最佳的位置成键，另外的一部分则解吸附
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[fill。随着基片温度升高，可以为吸附到薄膜表面上的基团提供足够的能量增大表面基团的迁移率，在表面的扩散系数增加，则基团在表面的成键几率增大，所以生长速率相应地增加。
图4-6不同沉积温度下沉积的a-Si:H红外透射图谱
图4-6给出了在不同沉积温度制备的a-Si:H薄膜红外透射光谱，从640cm-1左右Si-H键和2000cm-‘附近的Si-H2键吸收峰强度对比看，在较低温度下沉积的样品，薄膜中的氢含量明显高于在较高温度下沉积的样品。在较低的沉积温度淀积过程中，由于含氢活性基团获得的能量较低，被吸附在薄膜表面的活性基团的扩散、迁移能力较差，活动能力较小，一方面不能在下一层原子团连续生长之前找到合适的成键位置，造成各种SiH、基团的堆垛，使SiH组态的相对含量增加，其红外光谱中呈现出明显的S i-H吸收峰;另一方面，样品中Si-H键中的H原子亦不能及时地从晶格网络中脱离出来，也就是释氢现象不易发生f}21。所以，生成的薄膜中通常含氢量高。而随着沉积温度的升高，薄膜的放氢环境有所改善，H从晶格网络中释放，薄膜中的H含量明显减少。经过快速退火处理后，H的扩散和迁移能力增强，薄膜中的氢含量会在退火过程中释放，如果薄膜中的H含量过高，由于H的大量释放，导致薄膜形成微空洞等缺陷，甚至导致薄膜大面积脱落，使材料的性能下降。
4.22沉积温度对薄膜晶化的影响
将在200℃、250℃、300℃0, 350℃, 400℃沉积的非晶硅薄膜样品在800℃图谱如图4-7所示。在退火前不同温度沉积的薄膜都是非晶态的，经过退火后薄
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