第一章 序論
1.5 低溫複晶矽結晶方法
1.5.3 金屬誘發/金屬誘發側向結晶法(MIC/MILC, Metal Induced/Metal Induced Lateral
Wagner 和 Ellis 在 1963 年發現少量的特定金屬可以幫助矽結晶。依照不同誘發結晶 的方式可以分成兩類：第一種是與矽產生共晶反應(例如：Al[8]、Au[9]等)，由於共晶點
的溫度通常比一般單相結晶的溫度低，所以可以在低溫下產生結晶。以 Al 為例，M. S.
Haque 在研究中指出 Al 與 Si 的共晶溫度在 577℃，但在 200℃左右便開始與 a-Si 層反 應產生結晶。金屬向內擴散時不僅使 a-Si 結晶，同時因為金屬摻雜的關係導致 Si 層轉 變成 p 型。
另一種低溫結晶的方式是利用金屬與矽反應成介穩定(Metastable)的矽化物(例如：
Ni[10]~[13]、Pd[14],[15]等)，在矽化物移動的過程中，金屬原子的自由電子與介面處的 Si-Si 共價鍵發生反應，降低 a-Si 結晶所需的能障(Energy Barrier)，使得結晶溫度降低。
一般較常用的金屬為 Ni，而其機制也最清楚，因此以 Ni 來說明此類金屬誘發結晶的過 程。 Ni 會先與 Si 反應成多種矽化物[16]，在靠近 a-Si 區域的地方會產生富 Si 的 NiSi2。 由圖 1-3 的 Ni-Si 反應自由能圖[17]中可知，在 NiSi2中的 Ni 原子在 NiSi2與 a-Si 介面的 自由能比在 NiSi2與 c-Si 介面處低，這個自由能差會使 Ni 原子往 a-Si 層移動；反之，
在 NiSi2中的 Si 原子在 NiSi2與 c-Si 介面的自由能比在 NiSi2與 a-Si 介面處低，所以有 個驅動力驅使 Si 原子往 c-Si 的方向擴散。這結果會使得 NiSi2持續的往 a-Si 延伸，而所 經之處產生 Si 結晶。由 Hayzelden 在 1993 年提出的分裂機制，首先會在 NiSi2上形成 c-Si 結晶核，然後 Si 會往 c-Si/NiSi2的介面移動，而誘發結晶，如圖 1.4(a)所示，接著，
又在 NiSi2的領導端(leading edge)處形成結晶（c-Si）核，而為了降低 Ni 在 NiSi2/c-Si 介 面處的化勢（Chemical Potential），因此 Ni 會往 NiSi2/a-Si 介面處擴散，而造成 NiSi2 的遷移，同時也形成一個新的 NiSi2/c-Si 介面，如圖 1.4(b)，而此過程一直重複，因而得 到針狀的誘發結晶，圖 1.4(c) 。
圖 1-3 Ni-Si 反應自由能圖
圖 1-4 c-Si 在 NiSi2/a-Si 介面形成的結晶成長機制
圖 1-5 Si 與 NiSi2晶體結構
NiSi2 屬於螢石(Fluorite)結構、晶格常數為 5.406Å，兩者因晶格常數不同所產生的晶格 不匹配(Lattice Mismatch)僅有 0.44％。在眾多金屬矽化物中 NiSi2擁有與矽最相似的結構 及最接近的晶格常數，因此相當適合做為誘發結晶的核。故我們在實驗中將以 Ni 為誘 發結晶的金屬。
Ni 在元素週期表中屬於過渡金屬，在結晶或非晶矽中都屬於快速擴散源，由於 Ni 較小的原子尺寸與矽為較鬆散的鑽石結構，因此 Ni 在矽中主要是藉著間隙式擴散 (Interstitial Diffusion)來快速移動。在此機制中，擴散係數(D)會遵守 Arreherius 方程式：
(1-1)
其中 HiM為焓的變化量，Di,0為指數係數，T 為溫度。以 Ni 而言，在非晶矽中的擴 散係數大概是 2.9*10-3exp[-1.3(eV)/kT] cm2/s[18]，在 400℃下，這約為在結晶矽中擴散的 十萬分之一，這擴散被抑制的原因來自於非晶矽內部的本質缺陷(intrinsic defect)，Ni 在 非晶矽中擴散係數可由下式表示
圖 1-6 鎳金屬薄膜對應不同溫度下之矽化物相[19]
Ni 與 a-Si 反應形成了 NiSi2，接著由於熱力學上的驅動力，使得 NiSi2往前移動，如 前述的結晶成長機制，形成金屬誘發結晶（MIC）。若整個反應是發生在薄膜之中，則 NiSi2的移動受限於表面與基板底部，迫使 NiSi2向只能向薄膜的水平方向移動，則形成 金屬誘發側向結晶（MILC），如圖 1-7。
圖 1-7 鎳金屬誘發側向結晶成長機制
MILC 成長方向有其優選性，如前所述 NiSi2（111）平面跟 Si（111）平面的晶格常 數只有 0.44﹪的不匹配。當 c-Si 在 NiSi2{111}平面上產生磊晶時，並不會有介面差排的 出現。所以在 MILC 的過程中，{111}為其 c-Si 的優選方向[17]。圖 1-8 為 3 個不同軸 向的 NiSi2核，在軸向為<110>的情況下，NiSi2八面體結構的四個{111}方向將會平行薄 膜的上下表面。但是如果軸向為<100>或<111>的情況下，{111}方向並不會平行薄膜表 面。所以 c-Si 的成長將會被薄膜上下表面所限制。所以 c-Si 的成長的優選軸向為<110>
而優選成長方向為<111>。由於 MILC 有上述的優選性，所以以此方法成長的複晶矽會 有其方向性，這也成為 MILC 方法最大的優點。
圖 1-8 MILC 的優選成長方向