在异质衬底上制作晶体半导体薄膜的方法技术

在异质支撑衬底上形成多晶半导体薄膜的方法，所述方法包括：　　　　ｉ．在所述衬底的目标表面上沉积金属薄膜，在所述金属薄膜之上形成多晶半导体薄膜；　　　　ｉｉ．在金属表面上形成金属氧化物和／或金属氢氧化物的薄膜；　　　　ｉｉｉ．在金属氧化物和／或金属氢氧化物薄膜表面上形成非晶半导体材料层；　　　　ｉｖ．将所述衬底、金属、金属氧化物和／或氢氧化物薄膜和半导体材料加热到一定温度，在所述温度下所述半导体层被吸收入金属层，并通过金属诱发结晶（ＭＩＣ）沉积在目标表面形成多晶层，由此金属被剩余，形成覆盖层覆盖在沉积的多晶层上，所述金属层中包含有半导体内含物，且多晶半导体薄膜和覆盖层被多孔界面金属氧化物和／或金属氢氧化物薄膜隔开，而半导体内含物又通过所述多孔界面金属氧化物和／或金属氢氧化物相接触，　　　　ｖ．通过刻蚀方法去除覆盖层和界面金属氧化物和／或金属氢氧化物薄膜中的金属，该刻蚀过度刻蚀半导体内含物形成与多晶层微弱连接的孤岛，而不使位于下面的多晶半导体层显著减薄，　　　　ｖｉ．通过剥离过程从多晶半导体层表面将半导体孤岛去除。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体涉及形成用于电子元器件制造的半导体薄膜的制作方法，尤其涉及在异质衬底上，通过使用与相应异质衬底相容的每一个工艺步骤中的热收支(theremal budget)形成多晶半导体薄膜的方法。本文中，术语多晶材料的意思是具有平均晶粒尺寸为500nm以上的材料，术语热收支涉及在每一个工艺步骤中需施加的热的量(即工艺步骤的温度-时间曲线下面的面积)。
技术介绍
在玻璃或其它异质衬底上的多晶硅薄膜(pc-Si)对于各种的大面积电子应用非常具有吸引力，所述应用包括光电(PV)模块薄膜，有源矩阵液晶显示器(AMLCDs)和有源矩阵有机发光二极管显示器(AMOLEDs)。比较非晶Si(a-Si)薄膜，其主要的优点是在显示器应用中具有更高的载流子迁移率，在光电应用中具有稳定的能量转化率和更长的产品寿命。通常，将实现晶体硅晶粒具有尽可能大的晶粒尺寸为目标。玻璃衬底的应用很有吸引力，因为其成本低且透明。然而，商购低成本的玻璃衬底有限的热稳定性，严重限制了每一个制作步骤所允许的热收支(作为单凭经验的方法，玻璃温度不能超过650℃，如果所述过程持续一小时或更长)，从而导致需要一种新的技术使其在这些低温度下获得良好的材料特性。由于低温下在异质衬底上形成多晶半导体膜的一个主要障碍是由于半导体的高熔点，因此过去的实验工作主要是涉及纳米晶体(或者，等同地，微晶)材料的制备。具有如此细晶粒(＜500nm)的材料必然具有很低的电子特性。Schropp和Zeman(Schropp and Zeman，“非晶和微晶硅太阳能电池(Amorphous and microcrystallinesilicon solarcells)”，Kluwer Academic Publishers，Dordrecht(1998))著有的一篇关于纳米晶体硅材料的综述。制备纳米晶体材料的一种方法是在温度为200-600℃范围内进行的氢稀释等离子增强化学气相沉积(PECVD)，由此，氢对于半导体的生长过程和位于晶粒内和晶界上的悬空结晶键的钝化都很有利。氢稀释等离子增强化学气相沉积对于制造需要相当厚的半导体膜(例如晶体硅太阳能电池)的器件的缺点是纳米晶体半导体材料的低沉积率(在硅时远小于1nm/s)。与纳米晶体材料相比，多晶材料理论上具有更好的电子特性，但是已被证明，低温下在异质衬底上获得高质量的多晶材料是很难实现的。低温下在异质衬底上制备多晶半导体薄膜的方法包括非晶半导体材料的固相晶化(Matsuyama et al.，“High-quality polycrystallinesilicon thin film prepared by a solid phase crystallizationmethod”，Journal of Non-Crystalline Solids 198-200，pp.940-944(1996).)，固溶生长(Shi et al.，“Solution growth ofpolycrystalline silicon on glass at low temperatures”，Proceedings First World Conference on Photovoltaic EnergyConversion，Hawaii，pp.1579-1582(Dec.1994)(IEEE，New York，1995).)，非晶半导体材料激光诱发结晶(Im and Sposili，“Sequential lateral solidification of thin silicon films onSiO2”，Applied Physics Letters 69，pp.2864-2866(1996))和非晶半导体材料金属诱发(或等同地，金属调节的)结晶(Nast et al.，“Aluminum-induced crystallization of amorphous silicon onglass substrates above and below the eutectic temperature”，Applied Physics Letters 73，pp.3214-3216 Nov.1998，Widenborgand Aberle，“Surface morphology of poly-Si films made byaluminium-induced crystallisation on glass substrates”，Journal of Crystal Growth 242，pp.270-282(July 2002)，和Jin et.al.“Nickel induced crystallisation of amorphoussilicon thin films”，Journal of Applied Physics 84，pp.194-200(July 1998))。上述所有方法都受到如下一个或多个因素的限制i.长制备周期ii.粗糙表面iii.高掺杂的薄膜iv.小的晶粒尺寸尽管研究兴趣很高，没有一种方法可以获得商业可得的光电装置。最接近商业化低成本多晶硅(pc-Si)光电产品的组织是澳大利亚Sydney的Pacific solar Pty ltd，用小规模生产线生产效率为8％的模块。为了在异质衬底上达到最佳效果，多晶材料的制备通常需要一个预备步骤，在异质衬底上形成一层薄的多晶“晶种层”，该晶种层的电子性能是不重要的。该晶种层原则上可通过上述每一个方法制得。新南威尔士大学(UNSW)研发的非晶半导体材料金属诱发结晶(MIC)工艺(Nast and Hartmann，“Influence of interface andAl structure on layer exchange during aluminum-inducedcrystallization of amorphous silicon”，Journal of AppliedPhysics 88，pp.716-724(July 2000))简单快速，因此具有极大的工业需求。所选金属和半导体必须选择能够形成共晶体系，在低温下能够结晶化，不形成金属硅化物。但是关于使用已形成的多晶半导体薄膜制备电子元器件或作为晶种层，使用MIC方法制备的多晶半导体薄膜一个重要问题是其上覆盖有一层含有金属和半导体内含物的覆盖层，并且在多晶半导体薄膜和覆盖层之间存在有金属氧化物和/或金属氢氧化物界面薄膜，通过该界面薄膜，半导体内含物互相连接并且牢固地连接在一起(Widenborg and Aberle，“Surface morphologyof poly-Si films made by aluminium-induced crystallisation onglasss ubstrates”，Journal of Crystal Growth 242，pp.270-282(July 2002))。多晶半导体薄膜对于制造元器件(如薄膜晶体管)或用于晶种层具有重要意义，因此金属及半导体覆盖层和金属氧化物和/或氢氧化物界面薄膜必须在适当工艺过程中去除，而不显著减薄或损坏下面的多晶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.在异质支撑衬底上形成多晶半导体薄膜的方法，所述方法包括i.在所述衬底的目标表面上沉积金属薄膜，在所述金属薄膜之上形成多晶半导体薄膜；ii.在金属表面上形成金属氧化物和/或金属氢氧化物的薄膜；iii.在金属氧化物和/或金属氢氧化物薄膜表面上形成非晶半导体材料层；iv.将所述衬底、金属、金属氧化物和/或氢氧化物薄膜和半导体材料加热到一定温度，在所述温度下所述半导体层被吸收入金属层，并通过金属诱发结晶(MIC)沉积在目标表面形成多晶层，由此金属被剩余，形成覆盖层覆盖在沉积的多晶层上，所述金属层中包含有半导体内含物，且多晶半导体薄膜和覆盖层被多孔界面金属氧化物和/或金属氢氧化物薄膜隔开，而半导体内含物又通过所述多孔界面金属氧化物和/或金属氢氧化物相接触，v.通过刻蚀方法去除覆盖层和界面金属氧化物和/或金属氢氧化物薄膜中的金属，该刻蚀过度刻蚀半导体内含物形成与多晶层微弱连接的孤岛，而不使位于下面的多晶半导体层显著减薄，vi.通过剥离过程从多晶半导体层表面将半导体孤岛去除。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底提供平基底，半导体材料被支撑在所述基底上。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中支撑半导体材料的表面具有纹理，用于帮助半导体材料中的光陷阱。4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中所述衬底包括衬底材料片，预备层被沉积在其上，且目标表面是预备层的表面。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述预备层为氮化硅、铝氧化物或硅氧化物薄膜。6.根据权利要求1-5之一所述的方法，其中，作为MIC步骤的结果，金属原子被剩余在多晶层中作为掺杂剂，在剥离过程之后，多晶半导体层被掺杂剂掺杂，该掺杂剂过补偿在MIC步骤后由剩余在多晶层中的金属原子引起的掺杂，由此使多晶半导体层具有整体的掺杂极性，所述极性与由金属原子单独产生的极性相反。7.根据权利要求6所述的方法，其中掺杂剂的过补偿是通过在多晶半导体薄膜上沉积旋转涂覆掺杂剂薄膜，加热试样，以及去除旋转涂覆掺杂剂薄膜获得的。8.根据权利要求6所述的方法，其中掺杂剂补偿是通过在含有掺杂剂原子的气体氛围下加热多晶半导体层而获得的。9.根据权利要求1-5之一所述的方法，其中，作为MIC步骤的结果，金属原子被剩余在多晶层中作为掺杂剂，非晶半导体材料在其形成过程中被产生与在MIC步骤后剩余在多晶层中的金属原子引起的掺杂极性相比较时相反的极性掺杂的原子掺杂，所述相反极性掺杂足以过补偿所述金属原子的存在，由此，经过MIC步骤后，净掺杂产生的极性与金属原子单独产生的极性相反。10.根据权利要求1-9之一所述的方法，其中所述衬底的材料从以下材料中选择蓝宝石、石英、玻璃(包括浮法玻璃、硼硅酸盐玻璃和其它玻璃类型)、金属、石墨、陶瓷、塑料和聚合物。11.根据权利要求1-10之一所述的方法，其中所述多晶半导体薄膜的半导体材料从以下材料中选择硅，锗，及硅锗合金。12.根据权利要求1-11之一所述的方法，其中选择金属，以使所述金属能和所选半导体形成共晶溶液。13.根据权利要求12所述的方法，其中所述金属从下列中选择Be，Al，Zn，Ga，Ag，Cd，In，Sn，Sb和Au。14.根据权利要求13所述的方法，其中半导体是Si，金属为Al。15.根据权利要求14所述的方法，其中铝氢氧化物薄膜是通过将铝层在室温(22°±1°)，一个大气压力下，暴露在相对湿度为100％的空气气氛中1个小时以上而得到的。16.根据权利要求14所述的方法，其中铝氢氧化物薄膜是通过将铝层在室温(22°±1°)，一个大气压力下，暴露在相对湿度为100％的空气气氛中至少24个小时而得到的。17.根据权利要求14所述的方法，其中铝氧化物薄膜是通过将铝层在室温(22°±1°)，一个大气压力下，暴露在干燥的空气气氛中(即相对湿度为0％)6个小时以上而得到的。18.根据权利要求14所述的方法，其中铝氢氧化物薄膜是通过将铝层在室温(22°±1°)，一个大气压力下，暴露在干燥的空气气氛中(即相对湿度为0％)至少24个小时而得到的。19.根据权利要求14所述的方法，其中包含铝氧化物和铝氢氧化物的混合物的薄膜是通过将铝层在室温(22°±1°)，一个大气压力下，暴露在半干燥的相对湿度大于0％小于100％的空气气氛中1个小时以上而得到的。20.根据权利要求14所述的方法，其中包含铝氧化物和铝氢氧化物的混合物的薄膜是通过将铝层在室温(22°±1°)，一个大气压力下，暴露在半干燥的相对湿度大于0％小于100％的空气气氛中至少24个小时而得到的。21.根据权利要求1-20任一所述的方法，其中金属和金属氧化物和/或金属氢氧化物的刻蚀是用磷酸溶液进行的。22.根据权利要求21所述的方法，其中磷酸溶液是85％的磷酸的100％的溶液，刻蚀温度为130℃±3℃，刻蚀时间为20分钟±30秒。23.根据权利要求1-22任一所述的方法，其中所述剥离过程从下列中选择在溶液浴中的声学处理，刷洗过程或流体动力射流过程。24.根据权利要求1-23任一所述的方法，其中所述剥离过程为刷洗过程。25.根据权利要求1-24任一所述的方法，其中所述方法进一步包含以下步骤剥离过程完成后，进行均匀表面处理，以使在随后半导体薄膜使用之前，使试样表面光洁度得到改善。26.根据权利要求25所述的方法，其中进一步的步骤是刻蚀步骤，包括一个或多个下述刻蚀KOH刻蚀，NaOH刻蚀，HF/HNO3刻蚀，H3PO4刻蚀和氩等离子体刻蚀。27.根据权利要求1-26任一所述的方法，其中所述金属层具有的厚度范围为30-500nm。28.根据权利要求1-27任一所述的方法，其中用于金属诱发结晶过程的非晶半导体层具有的厚度范围为30-750nm。29.根据权利要求28所述的方法，其中所述金属层的厚度为200nm±10％，所述非晶半导体层的厚度为300nm±10％。30.根据权利要求1-29任一所述的方法，其中金属诱发结晶是通过将试样在650℃或低于650℃的温度下退火进行的。31.根据权利要求30所述的方法，其中金属诱发结晶是通过将试样在500℃或低于500℃的温度下退火2小时进行的。32.根据权利要求1-31任一所述的方法，其中通过在异质衬底上金属诱发结晶形成的多晶层，被用作形成另外多晶层的晶种层，所述方法进一步包括清洁晶种层表面以去除任何氧化物或其它污染物；在晶种层清洁的表面上形成第二半导体材料非晶层；加热衬底，晶种层和第二非晶层通过固相外延(SPE)使半导体材料晶化。33.根据权利要求32所述的方法，其中晶种层的半导体材料和第二非晶层由具有相同或不同掺杂的相同半导体材料组成。34.根据权利要求32所述的方法，其中晶种层和第二非晶层的半导体材料是不同的半导体材料。35.根据权利要求32或34所述的方法，其中第二非晶层的半导体材料是锗或者硅和锗的合金。36.根据权利要求35所述的方法，其中所述衬底、晶种层和第二非晶层被加热到温度为200-650℃的范围，以使半导体材料通过SPE晶化。37.根据权利要求32或33所述的方法，其中第二非晶层为硅。38.根据权利要求37所述的方法，其中所述衬底、晶种层和第二非晶层被加热到温度为520-560℃的范围，保温时间为15-20小时，以使半导体材料晶化。39.根据权利要求38所述的方法，其中所述衬底、晶种层和第二非晶层被加热到温度为540±5℃，保温17±0.1小时，以使半导体材料晶化。40.根据权利要求32-39任一所述的方法，其中所述第二非晶层在其形成的同时被掺杂。41.根据权利要求37、38或39所述的方法，其中所述第二非晶层在其形成的同时且逐渐地被锗然后磷掺杂。42.根据权利要求37、38或39所述的方法，其中所述第二非晶层在其形成的同时且逐渐地被硼然后磷掺杂。43.根据权利要求32-42任一所述的方法，其中所述第二非晶半导体层通过等...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·阿伯利，P·I·怀登伯格，A·斯特劳布，DH·纽豪斯，O·哈特利，NP·哈德，
申请(专利权)人：单检索有限公司，
类型：发明
国别省市：