（光学专业论文）准分子激光晶化多晶硅的研究.pdf

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s i ) m a t e r i a l ，p o l y c r y s t a l 1 i n e s i l i c o r t ( p - s i ) m a t e r i a lh a s m o r ev i r t u e so fh i g h e r m o b i l i t ya n dir l t e g r a t i o nw i t hp e r i p h e f a lc i r c u i t s s om o r ea n d m o r er es e a r c h e r sh a v ed e v o t e dt ot h er e s e a r c h i n go ft h em e t h o d t 0 p r e p a r ep - s i a t 1 0 w t e m p e r a t u r ew i t hc h e a pg l a ssa s s u b s t r a t e t 1 1t h is t h e s i s ，b yu t i l iz i n ge x c i m e 1 a s e ra n n e a l i n g ( e l 。a ) c r y s t a t l iz a t i o n ，t h es t u d yo fp - s ih a sb e e r l d e p l o y e dr ! l a ie 1 1y b e c g u s ep - s iiso fm o r es p e c i a lc h a r a c t e f is t i c s c o m p a r in gt 0 a s ia n dc s i ，f i r s t l y ，i s e tf o r t he l e c t r ic a lf e a t u r e so f ! o - s i f il ma n da c k n o w l e d g e p r o f o u n d l ye l e c t r ic a lm e c h a r t is mo f p - s i f i l m t h e nt h r e ep a r a m e t e r so fl a s e ra n n e a l i n g ，i i q c l u d i n g1 a s e r f r e q u e n c y 、a c c e p t e d p u l s e t i m e sa n dl a s e rp o w e rd e n s i t y a r e s z u d ie dh o wt 0i n f l u e r l c e c r y s t a l l i z a t i o no f p - s i a f t e r o b t a i n i n go p t i m iz e dl a s e l f r e q u e n c y5 h z 、a c c e i _ ) t e d p u ls e t i m e s 1 0 s e c o n db ye x p e r i m e n ts ，l a s e fp o w e rd e n s i t y ir l c r e a s e d1 i t t le b y1 i t t l e isf o c u s e d0 n s t u d y if i n dt h a tt h ec r y s t a l l iz a t i0 l q p e r f o r m a n c eist h eb e s ta t1 a s e r p o w e rd e n s it y3 0 0 m j c m2 i t m e a n sc r y s t a l i iz a t i o n d e g r e eist h eb e s t ，g r a i l 3 sa r et h ei n o s t u r l i f o r m i t y 8 , n df i l ms t r e s sist h e1 e a s t o nt h eh a s iso fm e t a li n d u c e dc r y s t a l l i z a t i o n ( m i c ) a n de l a w eh a v e p r o p o s e da n e wm e t h o do fm e t a l i n d u c e de x c i m e rl a s e r a n n e a l i n g ( t d i e l a ) l i t t l eg r a i i sn i s i 2w i t ht h ec h a r a c te r is t i c s o fc r y s t a l 一1 a t t i c e m a tc hw i t hc s i ，c a r l i n d u c ep - s iu n d e r1 a s e r r a d i a t i o n 1 3 yx r d ，i tb e c o m e sc le a rt h a t n o t 0 i 1 1 yh i g h e r 2 廖燕平硕士学位论文英文摘要 c r y s t a l l i z a t i o nd e g r e eh a sb e e no bc a i n e dc o m p a r ir i g t 0e l aa n d m i ci nt h es e t r f l ec o r l d i t i 0 1 3 s ，b u ta l s 0p s iw i t hs e le c t iv ec r y s t a l 0 r i e n t a t i 0 1 3h a sb e e l 3o c h i e v e dl i n d e rp r o p e rc o l q d i t i o f i sw i t ht h is m e t h o d t h isk i n d0 fp - s iw i t ho r d e r e dc r y s t a lo r ie n t a t i 0 1 3c a r l i m p r o v e s t h eu r l i f o r m i t y o fe tc h i n ga n dt h em o b i l i t y b u tt h e d is a d v a f t t a g e o fth ep s im a d ew i t ht h ism e t h o dist h ee x is t i n g 0 fn ic k e l0 nt h ef i l ms u r f a c e t h isw i l la f f e c tt h ee 1e c t r ic a l p e r f o r m a n c e o f p - s i s 0 n e x tw o l ks h 0 u l db et0 s t u d y t h e c r y s t a l l i z a t i o nm e c h a n is i l l 、n i c k e lc o n l ；e n tsa n dm o b i l i t ya f t e r t h en ic k e l 一s i l ic i d eo nt h es u r f a c eisr e l l l o v e d i no r d e rt 0 c a l r y ol i t e x p e r i m e n t sn o r l n a ll y t h e0 1 d e q u i p m e n t sp a r t l yh a y eb e e f tc o t i s t r u c t e da n dn e w m a d ee q u i p m e n t s h a v eb e e nt a k e n p a r t if t d e b u g g i n g i vt e s t i n g o fa s i n 9 1 e t r a n s is t o rh a sb e e nc a r f i e do u t t h ep - s if i l misp r e p a r e db ye l a a n de l e c t r o n m o b i l i t y isc a l c u l a t e da b o u t3 0 c m 2 v s t h et f t a r r a y sd r i v et h e o l e dt 01i g h t k e y w or d s ：a - s i ，p - s i ，e l a ，m i c ，m i e l a 3 摩燕平硕士学位论文 准分子激光晶化多晶硅的研究 第一章前言 信息时代的到来使人们与信息资源的交流越来越密切，信息载体 的完美追求促进了信息显示终端的快速发展。传统的c r t 显示出于笨 重、功耗大、微量辐射等缺点越来越被等离子体显示和液晶显示替代， 尤其是液晶显示，具有轻薄、功耗低、零辐射和易集成等优点，越来 越得到广泛的应用和研究。以硅材料为基础的薄膜晶体管有源矩阵液 晶显示技术以其大容量、高清晰度和高质量彩色视频显示发展了广阔 的应用前景，目前主要应用在数字照相机、笔记本电脑、g p $ 等便携 式电子设备中。随着社会的发展和平板显示技术的应用领域不断拓宽， 对显示品质提出了更高的要求和新课题。液晶显示的主流由a s i t f t a m l c d 正向p - s it f t a m l c d 发展，而且p s it f t 驱动的o l e d 也得 到越来越广泛的研究”“。 利用a - s i - a m l c d 技术，尺寸达4 0 英寸的大面积a m l c d 已得到应 用。但随着t f t - l c d 显示面积的进一步增大和象素密度的进一步提高， a s i 材料固有的迁移率低( 0 3 一l c m2 v s ) 的缺点难以满足周边驱动 电路集成一体化的要求。通过用p - s i 薄膜代替a s i ：h 作为t f t 的有 源层，它的迁移率比非晶硅高1 0 1 0 0 倍，能很好地解决上述难题。近 年来，众多的研究学者在p s i 材料和p s i t f t 器件领域积极展开了 基础和应用研究。 1 1 t f t 有源矩阵液晶显示 液晶显示在经历了t n 模式、s t n 模式到t f t 模式，即由无源液晶 显示( p m l c d ) 发展到有源液晶显示( a m l c d ) ，既解决了响应速度、 占空比、对比度、灰度级等的限制，又实现了高品质彩色视频显示。 目前t f t l c d 的主导产品是笔记本电脑显示器，而且在p c 机桌面显示 器也得到越来越广泛的应用。随着视角特性和响应速度等问题的解决， 及制造成本的进一步下降，t f t l c d 显示即将在显示器领域占有重要 地位。 廖燕平硕士学位论文 第一章前言 1 1 1 t f t 有源矩阵液晶显示的分类和特点 t f t 有源矩阵液晶显示通常有以下四种：c d s et f t “1 方式、t et f t ”1 方式、a s it f t 方式和p s it f t 方式。前两种由于薄膜材料存在化 学配比失配或关态漏电流大等缺点，未能得到进一步发展和实用化。 以a - s i ：h - t f t 寻址的有源液晶显示器是当今液晶显示的主流。目 前这种显示器已经解决了视角差和响应速度慢的缺点，实现了高密度、 高清晰度和全彩色的视频显示，其显示品质越来越逼近传统的c r t 显 示，并且有低功耗、无辐射、轻薄和便携式等优势，随着制造成本的 不断下降，它将成为人们考虑取代传统的c r t 显示的主要平板显示方 案之一。 a s i 材料的迁移率和掺杂效率较低，不能用来制备周边驱动电路 和进一步提高分辨率；由于p s i 的迁移率比a s i ( 0 3 - 1 o c m2 v s ) 高 卜2 个数量级，意味着p s it f t 的响应速度更快、图象数据写入速度 快和更适合大容量的视频显示，而且t f t 尺寸可以缩小，提高器件开 口率和分辨率。p - s it f t 能实现n + 、p + 两种类型的掺杂，能制备n m o s 和p m o s 两种类型的t f t ，即p s it f t 能制备成互补型晶体管驱动电 路，能实现p s i t f t l c d 周边驱动和显示屏的一体化，从而使器件的功 耗更低，体积更小，同时解决了高密度引线的问题，提高了器件成品 率和降低了生产成本。而且利用p - s i 易实现重掺杂，可以把p - s i 用 作栅极掩膜对p s i 进行离子注入，形成重掺杂的i i + p s i 源、漏区， 可以采用自对准工艺，从而减小了栅源、栅漏区的寄生电容，这样提 高了t f t 的工作特性和显示品质。 1 1 2t f t 器件结构和工作原理 常用的硅基t f t 器件结构可以分为以下两种“7 。“：一种是正交叠 型结构( n o r m a ls t a g g e r e d ) ，又称顶栅结构如图1 1 ( a ) ；另一种为 反交叠型结构( i n v e r t e ds t a g g e r e d ) ，又称底栅结构。底栅结构又分 为背沟道刻蚀型如图1 1 ( b ) 和背沟道保护型如图1 1 ( c ) 。不论那种器 件结构，一般都有以下结构：有源层( a s i ：h 或p - s i 层) 、欧姆接触 层( n + a s i ：h 或n + p s i ) 和栅绝缘层( s i o x 、s i n x ) 。对于p s i t f t 结构，为了减小t f t 漏电流，常采用l d d - p s i _ t f t 结构。 廖燕甲 硕士学位论文 准分子激光晶化多晶硅的研究 t f t 的工作原理和m o s 结构的工作原理类似。如图1 1 ( d ) 是一个 p 型半导体衬底m o s 结构的示意图。当在栅极加上正电压v c 后，电场 穿过绝缘层，使有源层的多子( 空穴) 受排斥而远离表面形成一个耗 a ：正交叠结构 c ：反交叠结构 背沟道保护型 b ：反交叠结构 背沟道刻蚀型 d ：t f t 的工作原理示意 图1 1t f t 结构图和工作原理图 尽层；当vc 大于v t 一时，少子( 电子) 被吸引到接触面形成电子反型 层，即形成导电沟道。n 型衬底的导电原理与p 性的类似，只是导电 沟道为空穴反型层。反型层的厚度非常薄，为德拜长度( 约几十纳米) ， 即晶体管的电流是由平行于硅表面的一薄层导电膜构成。t f t 器件的 开关态电流e h 下面三个式子表示。 当t f t 在截止状态时漏极电流为冲3 ： ：g ( 掣。+ 掣，) 毕 ( 1 1 ) 当t f t 导通但未到饱和状态时，即 漏极电流为 ： ，。= ，c ac 。孚 ( 一巧) ( 一) 一要( z 一z ) )( 1 2 )，。= ，。 ( 一巧) ( 一) 一去( 2 一2 ) ( 2 ) 塞鳌羔重主兰垡丝壅生= ! 坚坠直一 当t f t 工作在饱和状态时，即 ( 一) ， ，漏极电流为： ，。= 圭，c 。警( 一巧) 2 ( 1 3 ) 其中u 、c w 、l 和d 。分别代表迁移率、栅绝缘层单位面积电容、沟 道的宽度、长度和有源层的厚度。 1 2 多晶硅薄膜的制备与表征 为了能在廉价的玻璃衬底上制备p s i t f t a m l c d ，就需要发展一 种低于玻璃变形的温度条件下生长多晶硅的技术方法。多晶硅薄膜的 制备技术按照其生长环境可以分为以下四种：预淀积法 ( a s d e p o s i te d ) 、固相晶化法( s p c ) 、脉冲快速热烧结法( p r t a ) 和 激光晶化法( e l a ) 1 “。 1 2 1 多晶硅薄膜的制备方法 1 、预淀积法 多晶硅薄膜的预淀积法常有低压化学气相淀积( l p c v d ) 和常压化 学气相淀积( a p c v d ) 和光化学淀积等。但它们淀积的多晶硅都具有晶 粒尺寸小( 小于5 0 n m ) ，晶化度低和晶界态密度商的缺点，而且l p c v d 和a p c v d 方法淀积温度较高( 6 0 0 。c 以上) ，无法在廉价的玻璃衬底上 实现，因此在p s i t f t a m l c d 中未得到实用和发展。 近年新出现一种多晶硅薄膜的预淀积法叫催化化学淀积 ( c a t - c v d ) 或热线型淀积( h o t w i r ec v d ) “1 。它是在p e c v d 技 术的基础上发展起来的，通过在反应室放置高温( 1 5 0 0 。c ) 的w 、m g 或v 等金属，使s i h 。分子在其表面发生催化裂解反应，以提高s i h 。+ 和 s i h ：+ 的含量，从而在较低温度的衬底上淀积多晶硅材料。此方法制备 的多晶硅具有氢含量低和迁移率较高的优点，但催化线圈的污染有待 进一步解决。 2 、固相晶化法 固相晶化法是在p e c v d 和l p c v d 制备非晶硅薄膜或微晶硅薄膜的 基础上，把非晶硅薄膜直接加热再晶化制备多晶硅薄膜材料的一种方 法。它的优点主要有粒度均匀、表面平整、成本低和可以大面积制备； 廖燕平 硕士学位论文 准分子激光晶化多晶硅的研究 缺点是烧结温度高( 5 5 0 。c ) 和烧结时间长( 2 4 h ) “7 1 等。为了降低晶 化温度和缩短晶化时间，人们开发了金属诱导晶化法( m i c ) ，即在淀 积的非晶硅上再制备一层金属或其盐类，如a u 、a 1 、cu 、a g 、n i 、n i c l 。 和c u ( n o 。) 。“”“等。金属诱导法可以把固相晶化法的温度降低到5 0 0 o c 以下，晶化周期缩短到8 小时以下。如果在晶化区加上电场还可以使 晶化温度和时间减少到4 0 0 。c 和4 小时左右”“。金属诱导法的缺点是 多晶硅中有金属污染，降低了迁移率，难以得到高质量的t f t l c d 。 除金属诱导法外，由传统的固相晶化法衍生的多晶硅薄膜制备方 法还有多晶硅薄膜离子自注入非晶化再晶化法”“和微波诱导晶化法 ”。前者优点是晶粒尺寸较大，晶界缺陷态密度低，缺点是以多晶硅 薄膜为基础，同时增加了离子注入工序。后者利用微波促使薄膜中硅 原子的固相迁移，在5 5 0 。c 、3 h 的晶化条件下可以获得晶粒尺寸为 0 5 5 - 0 6 5 u m 的多晶硅薄膜，缺点是晶化温度偏高，迁移率较低。 3 、准分子激光晶化法和脉冲快速热烧结法 激光晶化法和脉冲快速热烧结法属于液相再结晶法。此方法制各 的多晶硅薄膜性能较好，能得到较大的晶粒尺寸和良好的电学性能。 脉冲快速热烧结法在烧结过程中温度为8 0 0 0 c 左右，但由于脉冲时间 短和经过薄膜的吸收，不会导致玻璃衬底的变形，因此在d s i t f t 中也得到应用。准分子激光晶化法是当前得到实用化的唯一的一种低 温制备多晶硅薄膜的方法。它基本上不会在玻璃衬底上产生应力，能 制各出高质量的p s i - t f t l c d 1 2 2 多晶硅薄膜的表征方法 采用多种分析测试仪器对制备的多晶硅薄膜的结构和性能进行测 试分析，有利于优化多晶硅薄膜的制备工艺条件，对于获得高质量的 t f t 器件具有重要意义。 用以表征多晶硅薄膜材料的分析测试手段常有x 射线衍射( x r d ) 、 拉曼光谱( r a m a ns p e c t r o s c o p y ) 、原予力显微镜( a f m ) 、扫描电镜( s e m ) 和透射电镜( t e m ) 等等。表1 1 给出了常用以表征多晶硅薄膜信息的 测试方法。 廖燕平硕：t 学位论文 第一章前言 表1 1 多晶硅的常用测试方法 表征方法样品制备测试参数 扫描电镜经过s e c c o 腐蚀的一晶粒尺寸 ( s e m )多晶硅薄膜一晶粒形状和晶界 单晶硅衬底或玻璃一结晶度和晶粒大 x 射线衍射衬底上的多晶硅薄小 ( x r d )膜 一结晶取向和寄生 应力 原子力显微镜玻璃衬底上的多晶一表面粗糙度 ( a f m ) 硅薄膜一表面形藐 拉曼光谱玻璃衬底上的多晶一结晶度 ( r a m a n硅 一寄生应力 s p e c t r o s c o p y ) 透射电镜多晶硅膜薄片一晶粒尺寸和形藐 ( t e m ) 一结晶度和晶界 1 3 小结和本论文的主要研究内容 本章简要地介绍了薄膜晶体管有源矩阵液晶显示技术的发展，阐 述了薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器件结构和工作原理；针对 p s i t f t 比a s i t f t 具有更快的响应速度和容易实现周边驱动电路 集成一体化等优点，综述了多晶硅的制备方法，最后对多晶硅薄膜的 测试方法作了概述。 本文的主要内容是为了配合课题( 8 6 3 课题) “驱动彩色o l e d 的2 英寸p s it f t 阵列研究”用准分子激光器制备多晶硅薄膜材料的研究。 因为准分子激光晶化法具有大面积制各、粒度均匀、无污染和迁移率 高等优点。应用准分子激光制备出晶化度高、粒度均匀、薄膜应力小 和迁移率高的多晶硅薄膜是本论文的主要工作。 ， 文中先阐述多晶硅薄膜的电学性质，进一步了解多晶硅的导电机 制；然后介绍准分子激光晶化原理和准分子激光器原理，重点研究三 个主要参数：激光频率、受光次数和激光功率密度对晶化多晶硅的影 响，通过x r d 、s e m 和r a m a n 测试表征，获得晶化度较高的多晶硅薄膜， 得到优化的晶化参数；结合金属诱导晶化和准分子激光晶化原理的基 础上，研究非晶硅表层含n i s i ：的激光晶化多晶硅的结果和分析可能 原因。最后测试激光晶化法制备的p s i t f t 的i v 特性，并由此计算 出p s i 的电子迁移率。 摩燕平硕士学位论文 准分子激光晶化多晶硅的研究 参考文献 1 t s h i m o d a ，m k i m u r s ，s m iy a s h i t a n d r h f r ie n d , j h b u r r o u g h e s c u r r e l 3 ts t a tu sa n df u t u r eo fl i g h t e m i t t i n gp o l y m e r d is p l a yd r iv e nb yp o l y - s it f t ，s i d ( 1 9 9 9 ) m a y l 8 - 2 0 ，p 3 7 2 2 r m a d a w s 0 1 3 ，z s h e n ，d a f u r s t ，s c o n n o r ，ap 0 1 y s i a c tiv e m a t r i xo l e dd is p l a yw i t hie l t e g r a te d1 ) r i v e r s s i d ( 1 9 9 9 ) m a y l 8 2 0 ，p 4 3 8 3 k ir i l l k a i ，h k i m l i r a ，m i iz u k a m i ，4 0 一i n t f t o l e d d i s p l a y s8 1 3 d an o v e l d i g it a ld r i v i n gm e t h o d ，s i d ( 2 0 0 0 ) m a y l 6 1 8 ，p 9 2 4 4 t b r o d y ，j a s a rs ，a n d g d i x o r l ：s i d 7 3 d i g e s t ，p 17 9 ( 1 9 7 3 ) a m is u i i i i ，k s u n a h a r a ，t t t a n a b e ，a n d k u m a d a ：i e d m 8 1 ，p 3 0 5 ( 1 9 8 1 t s u m a t a ，t u k a w a ，k m i y a k ea n ds a o k i ，1 9 8 5i d i r c ，( 1 9 8 5 ) p 1 8 0 t o m i t a ，k s h i i l l iz u ，y a s a ia r l dn k o k o d o ，s i dd i g e s t0 ft e c h e l ic a l p a p e r s ，( 1 9 8 9 ) p 1 5 1 8 t m a g a y a s a ，t o k e t a n i ，t h i r o b e a n d w a s h iz u k a ，1 9 8 8 i d r c ， ( 1 9 8 8 ) p 5 6 9 熊绍珍，孟志国，代永平，徐温元，半导体学报，1 5 ( 1 9 9 3 ) p 1 3 1 1 0 w 1 彭尼，l 劳编，金属一氧化物一半导体集成电路，科学出版社 ( 1 9 7 7 ) 11 a c h i a n g ，i w w u ，m h a c k ，a g l e w i s ，t y h u a n ga n dc c t s a i ， e x t e n d e da b s tz a c t0 fs s d m9 1 ，( 1 9 9 1 ) ：5 8 6 1 2 w g h a w k ir l s ，p o ly c r y s t a l l i n e s i l ic o nd e v ic e t e c h n o l o g y f o rl a r g e 一8 r e ae le c t r 0 1 2 ic s ，i e e e t r a n s e l e c t r o nd e v ic e s e d 一3 3 ，( 1 9 8 6 ) ：4 7 7 13 m y u k i ，k m a s m oa n dm k u n i g i t a t e c h d i g e s to fs i d8 9 ，( 1 9 8 9 ) ：1 4 3 1 4 y m i y a t a ，m f u r u t a ，t y o s h i o k aa n dt k a w a m u r a ，5 t hi n t m ic r o p r o c e s sc 0 f ，( 1 9 9 2 ) ：15 4 1 5 h k a k in u m a ，m t 培o h r i ，a n dt t s u r u o k a ，m e c h a n is mo fl o 一t e d e r a t u r ep 0 1 y c r y s t a ll if i es ilic or l g r o w t hf r o m as i f4 s i hd h2p 1 a s m a ，j a p p l p h y s 7 7 ( 2 ) ，( 1 9 9 5 ) ：6 4 6 1 6 h m a r cs l i i r a ，f o r m a t i o i l0 fs i l i o n - b a s e dth i nf i l m s p r e p a r e d 1 0 壁壅兰堡_ 上兰丝堡苎羔二_ 兰堕量一 b yc a t a ly t i cc h e m ic a lv a p o rd e p o s i t i o n ( c a t c v d ) m e h o d ， j p n j a p p l p h y s 3 7 ，( 1 9 9 8 ) ：3 1 7 5 f 17 y t t a n ，z a k d u r r a n i ，a n d h a h m e d ，e l e c t r i c a l a n ds t 。“。t “。8 l 口r o p e r t i e s o fs o l i dp h a s ec r y s t a l l i z e dp o l y c r y s t a l l i n e s i l i o na n d t h e i rc o r r e l a t i o n t os i n g l e e l e c t r o ne f f e c t s ，j a p p l p h y s 8 9 ( 2 ) ， ( 2 0 0 1 ：1 2 6 2 ) f 18 g r a s n o c z i ，a r o b e r t s s o n ，h t g h e n t ze 1 1 ，s f g o n g ta n d m a h a s a n ，a l i n d u c e dc r y s t a l l i n z a t i o no fa s i ，j a p p l p h y s 6 9 ( 9 ) ( 1 9 9 1 ) ：6 3 9 4 1 9 w w a n g ，h b a i ，a n d y z h a n g ，p h a s e s e le c t i o n i ni n t e r f a c i a l r e a c t i o no fn i a m o r p h o u ss im u l t i l a y e r s ，j a p p l p h y 7 3 ( 9 ) ， ( 1 9 9 3 ) ：4 3 13 2 0 s y o o n ，k k i m ，a n d c k i m ，l o wt e m p e r a t u r e m e t a li n d u c e d c r y s t a l l i z a t i o no fa m o r p h o u s s i l i c o nu s i n gan is 0 l u t i o n ， j a p p l p h y s 8 2 ( 1 1 ) ，( 1 9 9 7 ) ：5 8 6 5 2 1 e g u l i a n t s ，w a n d e r s o n ，s t u d y o fd y n a m ic sa n dm e c h a n i s mo f m e t a l 一i n d u c e d s i l ic o ng r o w t h ，j a p p l p h y s 8 9 ( 8 ) ， ( 2 0 0 1 ) ：4 6 4 8 2 2 r b i v e r s o n a n dr r e i f ，r e c r y s t a l l iz a t i o n o f a m o r p h i z e d p 0 1 y c r y s t a l l i n e s i l i c o nf i l m s o ns i 0 2 ：t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c eo ft h ec r y s t a l l i z a t i o rp a r a m e t e r s ，j h a a l p h y s 6 2 ( 5 ) ，( 1 9 8 7 ) 1 6 7 5 2 3 y c h o i ，j l e e ，t j a n g ，a n d b a h n ，t h i n f i l m t r a n s t r a t o r s f a b r i c a t e dw i t hp 0 1 y - s i f i i m sc r y s t a l l iz e d a t1 0 w t e m p e r a t u r eb y m i c r o w a v e a n n e a 1i n g , i e e e e 1e c t r o n d e v i c e s 2 0 ( 1 ) ，( 1 9 9 9 ) ：2 壁整兰堡主兰堡兰壅 堡坌王堂堂曼些兰旦鉴塑堕 第二章多晶硅薄膜的电学理论 多晶硅薄膜材料的电学性质比非晶硅薄膜材料的电学性质更具有 优点，如容易实现重掺杂和具有较高的迁移率等：同时与单晶硅材料 相比，更具有复杂性。本章主要介绍多晶硅的导电理论基础，讨论多 晶硅的电学性能机制。 2 1 多晶硅薄膜的导电模型 2 1 1 多晶硅导电模型基本特征 与非晶硅材料的连续无规则网络结构不同，多晶硅材料中晶粒与 晶粒之间是直接接触的，并且存在明显的晶粒问界。尤其是采用准分 子激光烧结方法制备的多晶硅材料，与化学汽相沉积和固相晶化相比， 显示出更高的电子迁移率，表明其具有特殊的电学性质和结构特征。 显然，开展多晶硅材料的电学性质研究，对于了解多晶硅材料电学性 质与其结构和工艺条件的关系，进而改善多晶硅t f t 器件及 p s 卜t f t l c d 显示性能具有重要意义。 为什么多晶硅薄膜的电学性质和单晶硅有很大不同? 其根本原因 是因为多晶硅薄膜存在着晶粒间界。我们知道，多晶硅材料是由许多 小晶粒组成的，在晶粒内部原子周期性地有序排列，因此可以把每一 个晶粒看作一块小的单晶体，它们各自具有不同的晶向。在各个不同 晶向的小单晶颗粒之问是晶粒间界。晶粒间界是一个晶向的晶粒向另 一晶向的晶粒的过度区，它的结构复杂，原子呈无序排列，其厚度通 常为几个原子层。考虑晶粒间界的复杂性，提出了两种主要的理论模 型，即杂质分凝模型”2 1 和载流子陷阱模型n “。 杂质分凝模型认为，由于晶粒和晶粒间界结构不同，原子在品粒 内和晶粒间界处的化学势也不同，一般杂质在晶粒间界处的化学势较 低因此掺杂原子优先沉积在晶粒闻界，结果使晶粒内的掺杂浓度低 于均匀掺杂的情况，直到晶界饱和。分凝在晶粒间界处的杂质原子， 在电学上是不活动的。载流子陷阱模型认为杂质原予是均匀分布在多 晶硅中的，晶粒问界处原子呈无序排列，因此存在着大量的悬挂键和 磨燕甲硕士学位论文 第二章多晶硅薄膜的电学理论 缺陷态，从而形成接近于硅表面态密度的陷阱能级。起初这些陷阱能 级是电中性的，一旦俘获载流子之后就带电，因而在它的周围形成一 个多子势垒，阻挡载流子从一个晶粒向另外一个晶粒运动，因此使载 流子迁移率降低。图2 1 ( a ) 和( b ) 分别定性地表示了晶粒间界的这两 种作用。 e 。 ； i i 1 ； ；i q v 8 ( a ) 载流子陷阱 l l l l l e ce ， e 。 图2 1 晶粒间界作用的定性示意图 ( b ) 杂质分凝 晶粒间界对多晶硅膜电导性能的影响可以概括为 日a e c e 。 总的掺杂浓度n 。分为两部分：( 1 ) 在晶粒间界分凝，浓度为n ( 2 ) 晶粒内掺杂，浓度为n 。对非重掺杂情况，室温下，可以认为浓度为 n c 的杂质全部电离提供载流子，其中一部分被晶粒间界陷阱所俘获， 浓度为n t ，因而真正参与导电的只是其中的一部分，浓度为n 。 廖燕平硕上学位论文 准分子激光晶化多晶硅的研究 2 1 2 多晶硅导电模型的s e t o 理论 到目前为止，能够对多晶硅电学性质作出比较合理解释的理论是 s e t o 模型。y w s e t 0 ”3 以及g b a c c a r a n i 和b r ic c 0 ”1 将晶粒间界 陷阱效应和通过势垒的热电子发射理论结合起来，发展了多晶硅薄膜 中载流子输运理论，并成功地解释了多晶硅电导的许多现象。在这一 理论中，以如下一些基本假设为出发点。 ( 1 ) 虽然在实际的多晶硅薄膜中所包含的晶粒，大小不一，形状 各异，然而我们认为它们是大小一致，长度为l 的整齐的立方体结构， 周围被晶粒间界所包围； ( 2 ) 掺杂浓度为n 。的原子，是单一n 型( 或p 型) 掺杂，均匀分 布于各晶粒中，且在室温下全部电离； ( 3 ) 分凝在晶粒间界的掺杂浓度为n 。的杂质全部非电激活，不再 影响电导过程； ( 4 ) 与晶粒长度l 相比较，晶粒间界厚度( 一般为几个原子层) 可以略去不计； ( 5 ) 处于晶粒间界的电子与空穴陷阱，面密度为n 。( c m 。) ，能级 为e 。( 以下我们定义以禁带中间作为零点) ，在未俘获载流予时为电 中性。 s e t o 理论假设晶界处的态密度呈v 形分布，但当耗尽区没有扩展 到整个晶体区时，该理论没有涉及这些状态可能仅是部分填充的，因 此该理论仅适用于陷阱能级高度低于费米能级的特殊情形。 k a m i n s 认为由于杂质原子在晶界处出现杂质分凝效应，因此可将 晶晃看作是杂质原子的沉积区，从而使晶体中的杂质含量低了。这样， 与杂质均匀分布的情形相比，这时载流子的浓度就要小得多。当晶界 被杂质原子饱和以后，载流子浓度才会逐渐接近掺杂浓度。另外，晶 界处暴露的非饱和原子键也会导致大量缺陷的出现。这些因素都将导 致晶界处陷阱态的形成。由于其对载流子的俘获作用，使载流子的移 动能力下降，能够参与电学传导的自由载流子数目减少。在俘获可动 载流子以后，陷阱态成为电中性，并形成了能量势垒，阻碍了载流子 从一个晶粒到另一个晶粒的迁移，从可测电学性能的角度看，是使载 流子的迁移率下降。 廖燕平硕上学位论文 第二章多晶硅薄膜的电学理论 品粒闻界 品粒 ( a ) _ 、厂、厂一 e f q vb ( b ) 一 二 e t= 、一- 、一 二 一 乏： 卜l 叶 ( c ) 图2 2 多晶硅的能带图 ( d ) x e 。 q vb 1 、载流子浓度 图2 2 给出了多晶硅的能带图，在离晶粒间界( l 2 ) 区域内所 有可动载流子均被陷阱捕获形成耗尽层时的情形。尽管实际的多晶硅 材料是三维物质状态，但在计算其输运性质时，仅考虑一维情