（凝聚态物理专业论文）catcvd+ltpstft制备技术研究.pdf

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c v d 为主体工艺的像素驱动o e l d 的双t f t 和存储电容的 结构和工艺流程。该流程栅绝缘和有源层连续生长，需要五次光刻，简单可靠。 关键词：低温多晶( r 圭( l t p s ) ；催化化学气相沉积( c a t - c v d ) ：薄膜晶体管( t f t ) c a t - c v dl t p st f t 技术研究 a b s t r a c t j u n f e n gk u a n g ( c o n d e n s e ds t a t ep h y s i c s ) d i r e c t e db ya s s o c l a t ep r o f h a lj i n ga n da s s o c l a t ep r o f g u o z h uf u t h et e c h n o l o g yo fa c t i v em a t r i xa d d r e s s i n gw i t ht h i nf i l mt r a n s i s t o r - r s ( t f t ) h a v eb e c o m et h el i n c h p i nu p o nw h i c hh i g h q u a l i t yf l a tp a n e ld i s p l a y s d e p e n d ，s oi tw i 儿h a v eab i gm a r k e tb e f o r el o n g a tp r e s e n t ，t h em a i n s t r e a m t e c h n o l o g yo ft f ti sa m o r p h o u ss i l i c o n ( a s i ) t f t c o m p a r i n gt oa s im a t e r i a l ， p o l y c r y s t a l li n es i l i c o n ( p - s i ) m a t e r i a lh a sh i g h e rm o b i l i t ya n di sp r o n et o b ea d u l t e r a t e d ，a n di t i sf i t f o rm a k i n gp e r i p h e r a l i n t e g r a t e dc h i p o w i n g t ot h o s em e t t s ，p - s ih a sb e c o m ean e wm a t e r i a lo ft f tt ob er e s e a r c h e d b e c a u s e g l a s sa n ds o f ts u b s t r a t e sr e s t r i c tt h ep r o c e s s t e m p e r a t u r eo ft f tw i t h i nl o w t e m p e r a t u r eli m i t s ，m o r ea n dm o r er e s 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 g o ft h em e t h o dt op r e p a r ed e v i c e q u a l i t yp - s ia tl o wt e m p e r a t u r ea n dw i t hi o w c o s t i nt h i st h e s i s ，t h et e c h n o l o g yo fc a t a l y t i cc h e m i c a l v a p o rd e p o s i t i o n ( c a t c v d ) a n dp - s im a t e r i a lp r e p a r e db yc a t - c v da tl o wt e m p e r a t u r ea r es t u d i e d m a i n l y f i r s t l y ，ii n t r o d u c et h es t r u c t u r ea n de l e c t r i c a lf e a t u r e so fd s i a n de x p o u n dt r a n s f e r sm e c h a n i s mo fc a r r i e ri nt h ep - s i t h e n ，t h ed y n a m i c p r o c e s so fc a t c v dw h e np - s if i l m sa r ep r e p a r e di sd i s c u s s e di nd e t a i l a c c o r d i n ga st h e s ea n dt h er e s u l t st h o s eo t h e r sh a v eg o t ，w eh a v er e b u ii tt h e i n s t a l l a t i o no fl o wp r e s sc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ( l p c v d ) i n t ot h ec a t c v d a p p a r a t u s w es t u d i e d d e t a i l e d l y t h ee f f e c t so f h y d r o g e n d i l u t i o n r a t i o ( h 2 ( h 2 + s i h d ) ) a n dp r e s s u r eo nt h ep - s if il m sp r e p a r e db yc a t c v d t h e s t r u c t u r a lp r o p e r t i e so ft h e s ef i l m sh a v eb e e n i n v e s t i g a t e db yr a m a n s p e c t r o s c o p y ，x - r a yd i f f r a c t i o ns p e c t r o s c o p y ，s c a ne l e c t r i cm i r r o r t h e r e s u l t ss h o wt h ec r y s t a l l i n ef r a c t i o np o l y c r y s t a l l i n es i l i c o np h a s ei n c r e a s e d 2 摘要 w i t hi n c r e a s in gt h eh j s i h r a t i oh y d r o g e nr a d i c a ti m p r o v et h ec r y s t a l i i n i t y o ft h ef i i m sb yd e h y d r o g e n i z i n ga tt h es u r f a c eo ft h ef i i m s ，e t c h i n gw e a ks i s i n e t w o r ka n dc a p t u r i n gt h eh y d r o g e nc o v e r e d1 nt h ef ii m s t h er e s u it sa b o u t p r e s s u r es h o wt h ef i l m g r o w t hr a t ei sp r o p o r t i o n a lt op r e s s u r e ，d e p o s it e d r a d i c a lsd on o th a v ee n o u g ht i m et od e h y d r o g e n i z ea n da r r a n g ei nh i g h e r p r e s s u r e ( 3 0 p a ) ，w h e nt h ep r e s s u r er e d u c et o3 5 p a ，t h eq u a l i t yo ff i i m sa r e i m p r o v e d w h e nt h et e m p e r a t u r eo ft h e s u b s t r a t e si sa b o u t2 5 0 。c ，w eg e t d e v i c e q u a l i t yp - s i f l l m sw i t h i nd i l u t i o n r a t e r a n g e0 9 0 9 5a n d p r e s s u r e r a n g e3 5 p a l a s t l y ，t h es t r u c t u r ea n dp r o c e s s e so fad o u b l e t f ta n ds t o r a g ec a p a c i t o r t ob ep r e p a r e db yc a t c v d ，w h i c hd r i v e sap i x e lo fo l e d ，a r ed e s i g n e d t h i s d e s i g ni n c l u d e s f i v ep e p ，a n dg a t e d i e i e c t r i cl a y e ra n dp - s il a y e ra r e d e p o s i t e dc o n t i n u o u s l y t h ep r o c e s s e si ss i m p l ea n dt h er e l i a b i l i t yo ft f t w i l l b ei m p r o v e d k e yw o r d ：l o wt e m p e r a t u r ep o l y c r y s t a l l i n es i l i c o n ( l t p s ) ；c a t a l y t i cc h e m i c a l v a p o rd e p o s i t i o n ( c a t c v d ) ：t h i nf i l mt r a n s i s t o r ( t f t ) 3 c a t c v dl t p st f t 技术研究 第一章 引言 自现代电子显示技术取代印刷技术成为知识、信息传播途径以来，阴极射线管 ( c r t ) 显示技术在显示产业一直占据绝对统治地位。然而，全球化、实时性信息交流 的实现使得人们对显示器的需求量越来越大的同时，对性能规格的要求也越来越高， 平板显示( f p d ) 技术应运而生。 1 1 平扳显示现状 阴极射线管( c r n 已有1 0 0 多年的发展历史，是实现最早、应用最为广泛的一种 电子显示技术c r t 以其成熟的技术、优质的显示效果、很高的性能价格比等特点 长期占据市场优势。然而，c r t 的显示原理注定了其体积庞大、无数字寻址、高压 驱动，不适合现代通讯要求，一般只用作电视，台式电脑显示器。正是c r t 的上述 缺陷，为f p d 显示带来了广阔的拓展空间和市场前景。 乎板显示器件轻薄、便携，目前已占据整个显示市场5 0 以上的份额。就相对活 跃的平板显示技术而言，按显示原理分类主要有：液晶显示( l c d ) ，等离子体显示 ( p d p ) ，有机电致发光显示( o l e d ) 。以上各种显示模式分别以丰富多彩的应用形 式体现着其商业价值。 一般认为p d p 在3 0 4 0 英寸大型平板显示中最具优势，产值年增长率达3 8 ， 今后将在大屏幕壁挂电视、高清晰度电视( h d t v ) 、计算机工作站和多媒体显示等 领域形成巨大的市场，成本过高是目前p d p 存在的最严重的问题。 l c d 在f p d 的市场份额中占8 0 以上，是现今平板显示的主流，主要应用于笔 记本电脑，桌上监视器，电视，个人数字助理( p d a ) ，移动电话等，短距离、对大 视角无迫切要求的直观作业环境。l c d 技术为非主动发光显示，亮度受背光源技术 的限制，且液晶光阀显示原理决定了其视角较窄。 o l e d 显示模式由有机发光材料自发光，无需添加光源，亮度、对比度高，无视 角限制，结构简单，便于生产，有望成为低成本产品，是l c d 的有力竞争者。o l e d 4 第一章引言 正在以每年2 0 0 的增长速度发展，有关寿命和彩色等技术问题获得彻底解决后，将 在中小屏幕的显示器上大放异彩【1 1 。 电泳动显示( e p d ，e l e c t r o p h o r e t i cd i s p l a y ) 和厚膜电致发光显示( t d e l ， t h i n k d i e l e c t r i ce l e c t r o l u m i n e s c e n t ) 技是新兴平板显示技术。电泳动显示技术成本投 入低，器件物理化学性能稳定，能在特殊的环境( 水，紫外辐射) 下工作，轻薄如纸 ( 5 r a i l ) ，结实耐用，可弯曲，宽视角，底功耗，堪称真正的电子纸。该技术目前尚 处在发展的初级阶段，ei n k 公司研制的e p d 电子阅读器样机( 如图1 1 ( a ) 所示) 已问世，即将投入批量生产 2 】。t d e l 技术工艺简单，产业化总体成本投入较少( 约 为l c d 的6 0 ) ，产率高，加拿大i f i r e 公司己研制出1 7 英寸面板样机( 如图1 1 ( b ) 所示) 3 】。低成本是e p d 和t d e l 进入平板显示市场的关键支撑点，e p d 和t d e l 技术的进一步发展和完善，不仅给c r t 造成毁灭性的威胁，也将给现有的f p d 技术 带来严峻的挑战。 ( a )( b ) 图1 1 ( a je i n k 公司e p d 电子阅读器样机 ( b ) i f i r e 公司1 7 英寸t d e l 面板样机 1 2 无源矩阵和有源矩阵驱动 对于l c d 、o l e d 、e p d 显示，都可以分为无源矩阵( p a s s i v e m a t r i x ) 和有源 矩阵( a c t i v e m a t r i x ) 寻址，下面以l c d 为例，说明有源寻址技术的重要性。 无源矩阵液晶显示( p m l c d ) 是由液晶盒上下玻璃基板内表面的正交电极组所 构成，图1 2 所示为无源矩阵结构示意图。行电极，称为扫描电极，它们将被按时 间顺序加上一串扫描脉冲电压；列电极，称为信号电极，它们于扫描电极同步分别输 入选通电压和非选通电压。一个像素被选择时，该像素所在行和列上的所有像素上都 5 c a t - c v dl t p st f t 技术研究 加有电压，这些像素被称为半选择像素。由于l c d 是电压驱动，当半选择像素上的 电压大于液晶盒的阈值电压时，会呈现半显示状态，这就是无源驱动所固有的交叉效 古 v 古 列电极 图1 2 无源矩阵驱动结构示意图 应。交叉效应使选择像素与非选择像素之间的对比度下降。随着行列数的增加，交叉 效应更加严重，占空比也下降，显示效果明显恶化。所以，无源驱动无法实现高清晰 度，高对比度，大面积显示。 有缘驱动技术实现了独立驱动一个像素的设想，从根本上解决了无源驱动固有的 一系列问题。图1 - 3 给出了l c d 有源矩阵的结构和寻址过程。如图1 3 ( a ) 有源矩 阵结构示意图所示，每个像素上串联一个薄膜晶体管( t f t ) 作为开关，同一行上 t f t 的栅极连在一起，作为扫描线，同一列上的漏极连在作为信号线，t f t 的源极与 像素电极相连。为了增加液晶的弛豫时间，还对像素并联一个存储电容c 。当扫描 某一行时，扫描脉冲使该行上的所有t f t 导通，同时各列信号电压施加到像素上， 并对并联的电容充电。当一行扫描过后，该行上的t f t 处于开路状态，由于存储电 容的存在，信号电压可在像素上保持到下一帧扫描到来( 若t f t 和液晶的漏电流足 够小) 。t f t 开关及存储电容的使用彻底解决交叉效应问题，改善了占空比对行列数 的限制。 与l c d 显示的工作原理不同，o l e d 显示是由有机发光二极管在电流的驱动下， 6 第一章引言 主动发光，发光强度与注入的电流成正比。在无源矩阵的条件下，像素在非选择时 显示很快消失，屏的平均亮度等于每列的亮度被列数平均。为使显示达到一定亮度 扫 ( a ) 有源矩阵l c d 结构 扫描线r l 电压波形 扫描线n + l 电压波形 扫描线n + 2 电压波形 信号线电压波形 扫描线n 信号线m信号线m + l 扫描线n + 1 ( b ) 像素电路 h f 卜 - _ 一 r m 一十音1 ：i = ：= ： 。世：= ：曩 ) il l ( c ) 驱动电压波形 图1 3l c d 有源矩阵的结构和寻址过程示意图 随着列数的增加，每列的亮度必须相应增加。而器件的发光效率随驱动电流的增加而 降低，所以，通过加大驱动电流密度提升亮度效果不好，且增加功耗。另外，不同颜 色的发光材料的发光效率不同，无源矩阵不能对各色光的亮度进行独立调控，无法实 现真正的彩色化。故o l e d 也迫切需要t f t 有源驱动技术。 1 3t f t 技术及发展状况 t f t 技术使l c d ，o l e d 等平板显示器件进入高画质，真彩色显示的新阶段， 所以，许多高档的平板显示器件都毫无例外的使用t f t 有源矩阵。目前，t f t o l c d 产值在l c d 总产值的份额已超过9 0 。t f t - o l e d 产业化技术也日渐成熟，正逐步 进入市场。t f t 已成为电子产业中一个经济增长热点。 基于产业化的需求，衡量t f t 器件性能主要有三个技术指标，即：迁移率， 7 c a t c v dl t p st f t 技术研究 稳定性，器件制程中的最高工艺温度。迁移率影响t f t 的工作频率，因此关系 到周边驱动电路的集成问题；稳定性制约显示质量及使用寿命；最高工艺温度与衬底 材料的选择息息相关，从而涉及生产成本问题。 目前活跃在学术界和产业界的t f t 主要有两种：非晶硅( a s i ) t f t 和多晶硅 ( p s i ) t f t 。二者的主要区别在于有源层薄膜材料的结构。结构决定性质，两者的电 性能差别很大，分别有着不同的应用范围和市场前景。 a s it f t 的有源层为无序网状结构非晶硅，其缺陷密度很高，迁移率很低。等离 子增强化学气相沉积( p e c v d ) 是目前广泛采用的低温制备a s i 的主要方法。该工 艺a - s i 薄膜含氢量较高( 1 0 3 0 ) ，氢的存在能终止无序s i 网中大量的悬挂键，对薄膜 的电缺陷有一定程度的改善。低温工艺条件下( 6 0 0 c ) 和低温多晶硅( l t p s ， 时，。鹕j j w p f 。, j 一 ) 2 ( 1 2 ) 当 k ，时，毛= 力匕了w 吃) 一孚) ( 1 ，3 ) 其中，为阈值电压，仃_ 询道载流子的迁移率，c g 为单位栅极面积对应的绝缘 层电容，w 和? 分别是沟道宽度和长度。两 c g = 孥 ( 1 4 ) 其中，d 为绝缘层厚度。 式( 1 ，1 ) 描述的是理想截止状态下t f t 的沟道电流。实际上，沟道的方块电阻晔。 是有限的，这就导致了t f t 关态电流kf i 】： k = w 心。f = q ( 必千瞒) 罢蔓 ( 1 5 ) 其中，q 、”、p 、以、以和吐分别代表电子电荷量、沟道有源层内电子密度、 空穴密度、电子迁移率、空穴迁移率和有源层沟道厚度。 式( 1 2 ) 和( 1 3 ) 分别表达了t f t 在未饱和与饱和状态下的w 特征。作为开 关器件时，t 一般工作在饱和状态下。由上述公式可以看出，t f t 的性能与器件材 料、结构和制备工艺休戚相关。 1 4 本文的研究内容及意义 配合本实验室承担的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”， 本文主要研究催化化学气相沉积法( c a t c v d ) 低温制各优质多晶硅薄膜的工艺技术 参数及多晶硅薄膜的表征，并设计了以该工艺为主题的、驱动o l e d 像素的双t f t 基板制备工艺流程。c a t c v d 工艺设备简单，成本投入少，所制备的硅基薄膜材料 ( a - s i 、p - s i 、s i n 。) 能满足器件质量要求，是一种很值得研究白 - r - 艺方法。 l o 第一章引言 参考文献 1 】应根裕，胡文波等平板显示技术，北京：人民邮电出版社，2 0 0 2 ，1 0 ：8 - 1 2 2 】a l e xh e n z e n ，n e c u l a ia i l e n e i ，f r a n kv a nr e e t h ，a ne l e c t r o n i ci n kl o wl a t e n c y d r a w i n gt a b l e t s i d ( 2 0 0 4 ) ：1 0 7 0 - 1 0 7 3 【3 】x i n g w e iw u ，d o nc a r k n e r ，h i r o k ih a m a d a ，i n v i t e dp a p e r ：l a r g e s c r e e nf l a tp a n e l d i s p l a y sb a s e do n t h i c k d i e l e c t r i ce l e c t x o l u m i n e s c e n t ( t d e l ) t e c h n o l o g y ，s i d ( 2 0 0 4 ) ： 11 4 6 1 1 4 9 4 】e r n s tl u e d e r ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y s ：a d d r e s s i n gs c h e m e sa n de l e c t r o o p t i c a l e f f e c t s ，c h i c h e s t e r ：j o h nw i l e y & s o n s ( 2 0 0 1 ) ：2 1 2 - 2 4 8 c a t c v dl t p s t f t 技术研究 第二章多晶硅薄膜的电学理论 多晶硅材料和非晶硅材料的内在结构不同，电学性能也有很大的差异。 通常使用的非晶硅薄膜材料为非理想的连续无规则网络结构，材料内部存在大量 缺陷：悬键，空位，弱键乃至微孔。其中悬键是非晶硅材料中最简单也是最重要的缺 陷，大量的悬键在能隙中引进两个与之相关的定域态，处于定域态中的电子或空穴被 局限于某个平衡位置附近，需要一定的激活能才能参与导电。这是非晶硅的导电能力 较低的原因所在。未被填充的隙态起电子陷阱和空穴陷阱的作用。掺杂时，处于替位 位置的施主或受主杂质释放的电子或空穴首先填充隙态。当隙态的密度较低时，适当 掺杂浓度可以改变电子或空穴对隙态的填充水平，使费米能级升高或降低，从而降低 电导率的热激活能( a e = e 。( 或e ，) 一e f ) ，电导率o = o 。e x p ( 一a e k t ) 增加当隙态密 度很高时，高浓度掺杂也无法改变隙态能级的填充水平，费米能级被“钉扎”在禁带 中央，非晶硅材料的电传输性能不因掺杂而改善。所以，采用非晶硅材料作为t f t 器件的有源层，迁移率很小，且不易通过掺杂来改善器件的传输性能。 多晶硅材料是有许多不同晶向的小单晶晶粒组成，每个晶粒内部，原子周期性有 序排列。晶粒与晶粒连接处原子的排列是无序的，通常有几个原子层厚，称之为晶粒 间界。晶粒间界的存在是导致多晶硅材料在电性能方面不同于单晶及非晶材料的主要 原因。 2 1 多晶硅薄膜基本电学特征 非掺杂的多晶硅薄膜电阻率很高，通常在1 0 6 1 0 8 q c m 左右。掺杂多晶硅的电 阻率与所掺杂质的种类，掺杂浓度及制各工艺有关。当掺杂浓度较低时，多晶硅的电 阻率较单晶硅高4 6 个量级，相应的载流子浓度低4 5 量级，且电阻率随掺杂浓度 的改变变化不明显：当掺杂浓度较高时，多晶硅的电阻率趋近于单晶硅，载流子浓度 接近于掺杂浓度。在中间掺杂水平，掺杂浓度的轻微增加将引起电阻率的迅速减小和 载流子浓度的快速增加。另外，多晶硅薄膜的多数载流子的迁移率与掺杂浓度之间的 关系也较单晶硅复杂的多i “。在中等掺杂范围内迁移率有一个极小值，而在高掺杂时 1 2 第二章多竞硅薄膜的电学理论 又出现一个极大值。具体的迁移率极大和极小值所对应的掺杂浓度与多晶硅的制备工 艺和形貌有关。 关于多晶硅复杂的电学特性，目前还没有建立统一的理论模型。已经提出的导电 模型都有其适用范围，任何一种模型都不能解释所有的实验结果。广泛被认可的理论 主要有以下两种：杂质分凝模型埽口载流子陷阱模型【4 ，5 1 。 杂质分凝模型认为，由于晶粒和晶粒间界结构不同，处于晶粒内部的原子和晶粒 间界原子的化学势不同，杂质在晶粒问界处分凝，杂质原子优先淀积在晶粒间界，直 到晶粒间界饱和后，杂质才以替位式掺入晶粒内，这时才能对多晶硅提供自由载流子， 与此同时，杂质补偿晶体缺陷，减少有效的散射中心的浓度和复合中心的俘获截面。 载流子陷阱模型认为杂质原子在多晶硅中均匀分布，晶粒间界处的原子是无序排列 的，存在大量的悬挂键和缺陷，从而形成接近于硅表面态密度的陷阱能级。这些陷阱 能级最初是电中性的，它们能捕获由掺杂原子电离提供的载流子，一旦俘获载流子就 带有一定的电荷，因而在它的周围形成一个多子势垒，于是晶粒就被边界的空间电荷 区包围，阻挡载流子从一个晶粒向另一个晶粒运动。这样，在同等掺杂浓度的情况下， 多晶硅薄膜中的载流子浓度和迁移率都将小于单晶硅的载流子和迁移率。图3 - l ( a ) 和 ( b ) 分别定性地表示晶粒间界的以上两种作用。 虽然两种模型都能解释多晶硅的电阻率随杂质浓度变化的规律。但是由于杂质 c l v b e c e f e v t - ：雕 七- ： j 芦 紫t t 钝 霪 _ ； ； 0 。_ _ ： j ：? f ； _ ； f ? 9 ：。： 嚣 _ ； _ _ 。： j j ； _ l 贸，t _ f 习器 ：一i i ：- ：一i ( a ) 载流子陷阱 ( b ) 杂质分凝 图3 1 晶粒间界作用的定性 1 3 e c e f e v c a t c v dl t p s t f t 技术研究 分凝模型不能解释薄膜电阻率随温度变化的规律和多晶硅薄膜的霍耳迁移率在中等 掺杂浓度范围内出现极小值的问题，所以不少多晶硅薄膜的导电模型是建立在载流子 陷阱模型基础上的。 2 2 s e t o 导电理论 由于像素开关t f t 有源层多为非掺杂多晶硅，本章主要介绍y w s e t o 州及 g b a c c a r a n i 和b i 己i c c o 7 1 提出的以晶粒间界陷阱效应和热电子发射理论为基础的，低 掺杂情况下的载流子运输理论。 多晶硅材料是由许多单晶晶粒组合而成，晶粒与晶粒之间存在晶粒间界，相邻晶 粒的晶向不同，晶粒的尺寸和形状都不尽相同，为简便起见，规定了一下几点基本假 设： ( 1 )多晶硅由长度为l 的相同晶粒组成，周围被晶粒间界包围： ( 2 ) 只掺杂一种杂质，浓度为n c m 一，杂质均匀分布在多晶硅材料中； 晶粒间界 ( a ) 弋。，。、，一 、7 、7 二q v b = e b l l j 十 ( c ) q r b ) 、，、厂 一 -。_ 一 e t ：ie t 二 一 二 二 ： _ 一 一。- 。 一 、厂、， ( d ) 图3 - 2 多晶硅陷阱模型 ( a ) 一维晶粒结构图 ( b ) 多晶硅薄膜电荷分布图 ( c ) p 型多晶硅薄膜能带图 ( d ) 晶粒间界陷阱能级图 1 4 x e c e e v 第二章多竞硅薄膜的电学理论 ( 3 ) 与晶粒长度相比较，晶粒间界厚度忽略不计： ( 4 ) 晶粒间界的陷阱密度为n t c m - 3 , 相对于费米能级而言，其能量为e i ； ( 5 ) 距离晶粒间界( 1 2 l - f ) 的势垒区内用突变结和耗尽层来近似。在这些 区域内的全部自由载流子，被陷阱能级俘获后，形成如图3 2 所示的 耗尽层： ( 6 ) 一维情况； ( 7 ) 晶粒的电导率相对与晶粒间界的电导率很高，近似认为多晶硅的电阻 由晶粒间界决定； ( 8 )忽略隧道电流，只考虑通过晶粒间界的热电子发射电流。 在耗尽假设条件下，根据电中性条件，可得： 矿( x ) ：( q n 2 ) ( x - f ) 2 十， 1 2 1 ( 3 3 ) 其中：w 为势垒区宽，e 。为晶粒间界陷阱能级( e v ) ，对陷阱中电子占据几率用费米 狄拉克统计分布。对于任何一个给定的l 、n t 和e 。值，总可以找到一个n 值- n ， 当n n + 时，势垒区扩展到全部晶粒，即w = i 2 l n + 使多晶硅薄膜的电导特性分为两 个区域： ( 1 ) 当n n 时，晶粒部分耗尽。 当间界陷阱被全部填满时，晶粒全部耗尽发生的条件是l n + = n 。，即晶粒内部全 部载流子被晶粒间界陷阱所俘获，并填满全部陷阱。进一步增加掺杂浓度， 晶粒从全部耗尽转化为部分耗尽，自由载流子浓度也明显增加。针对以上两种情况， 分别求得载流子浓度。 1 、载流子浓度 在上述假设条件下，势垒区的泊松方程为： 警= 等 ft x ( 3 2 ) 面1 r。 死 l 3 2j 其中，g 为多晶硅的介电常数，n 为晶粒的掺杂浓度。x 轴坐标以晶粒中间为原点， 如图3 2 ( b ) 所示。对方程( 3 2 ) 积分两次，并用应用边界条件：v ( x ) 连续及 ( a v 出) 矧= 0 ，可得到： l5 c a t c v dl t p s t f t 技术研究 v ( x ) = ( q n 2 h ) ( x 一1 h 1 2 l( 33 ) 式中_ 。是晶粒中间部分价带边的电位。在计算过程中取本征费米能级为能量零点， 能带图是对空穴画出的( 指向价带为正) 。 对一个给定的晶粒，杂质浓度可能有两中情况：l n m 。当l n m 时，整个晶粒的载流子完全耗尽，并且晶粒间界陷阱被部分填充，故，0 ，由3 3 式 可得： 矿( x ) = v 。- p ( q n 2 ) x 2 ( 3 4 ) 晶粒间界附近的势垒高度为： = v ( 1 2 三) 一矿( o ) = q l 2 n 8 ( 3 5 ) 由上式可见，势垒高度随掺杂浓度的增加而线性增加。这是由于n 的增加使界 面陷阱俘获的载流子数增加，界面电荷因此而增多，从而势垒高度变大。 利用波尔兹曼统计，载流子浓度为： p ( x ) = 虬e x p 1 q v ( x ) 一耳 k t ) ( 3 6 ) 其中，m 为价带有效能态密度。对( 3 6 ) 式从1 2 1 到1 2 1 分后，被晶粒尺寸 除，得到平均载流子浓度： 芦= 专；唧躺形謦吲j ， ：孽 ( 3 8 ) n 1 = me x p ( - 1 2e g k t ) ( 3 9 ) e f = e t k t l n 1 2 ( ，l n 一1 ) ( 3 1 0 ) 其中，飓是温度t 时单晶硅中的本征载流子浓度。依据( 3 7 ) - - ( 3 1 0 ) ，若已知l 、 n 。及e 。，可以计算载流子浓度。从中我们也可以看到，当晶粒处于完全耗尽时，平 均载流子浓度有如下特点： ( 1 ) 晶粒完全耗尽时，平均载流子浓度很小。势垒高度随掺杂浓度减小线性降 低，从而载流子浓度随掺杂浓度的降低指数地减小。 1 6 第二章多竞硅薄膜的电学理论 ( 2 ) 当n n , ( 3 1 8 ) 值得注意的是：在重掺杂情况下( 即( t r 时) ，势垒宽度足够窄，隧道效应 成为电子输运的主要方式，不可以忽略，( 3 1 8 ) 式不再成立。 一 由于f = 哆私，依据( 3 1 6 ) 式，可以得到有效载流子迁移率玎： 鸽= 幻1 2 e x p 万e s _ ：) ( 3 1 9 ) 由( 3 1 9 ) 可知：当l 和t 确定时，迁移率主要由确定。在上m 时，势垒 高度出现岛出现最大值，相应的够具有最小值。在s e t o 推导理论公式时，认为忽 略了晶粒中性区和晶粒间界的电阻，多晶硅的电阻率近似由势垒区电阻率决定。在掺 杂浓度很高时，势垒高度下降，热电子发射电流增加，从而使势垒区的电阻率减小， 故迁移率也增加。当势垒区电阻率不在随掺杂浓度的进一步提高而改变时，迁移率达 到极大值。 第二章多竞硅薄膜的电学理论 2 3 多晶硅薄膜导电模型的修正【8 】 s e t o 理论忽略了晶粒问界厚度对载流子传输的影响，实际上晶粒间界是存在的， 特别是在高掺杂情况下，晶粒间界势垒对载流子的反射作用十分重要。另外，在有些 情况下，载流子隧道穿越晶粒间界势垒是不可忽略的。故本节讨论多晶硅薄膜的导电 模型时考虑了以上两个因素，并做了进一步假设： ( 1 ) 认为晶粒间界是高度无序的非晶态材料。高密度的悬挂键和缺陷态使施主 杂质和受主杂质原子都可以有3 个键的饱和，没有弱束缚的载流予，因而在电学性能 上有远比单晶硅高得多的电阻率，反映在能带结构上，表现为禁带宽度比单晶硅大得 多，费米能级被箝位在禁带中央。 ( 2 ) 多晶硅薄膜结构可以看作为大量小单晶颗粒间隔以薄层非晶材料。在每个 晶粒和其周围的晶粒间界4 p - & 材料2 f 日q 形成一个异质结。从能带结构上看在晶粒和 晶粒间界之间形成一个位垒，如图3 - 4 所示，其中蹄乙为晶粒间界宽度。载流子从 一个晶粒向另一个晶粒输运可以通过两种机制：( a ) 隧道穿透晶粒间界势垒；( b ) 载 流子有足够能量时，以热电子发射越过晶粒间界。 ( 3 ) 掺杂杂质将在晶粒间界分凝，分凝在晶粒间界的杂质在电学上是不激活的。 ( 4 ) 在晶粒间界与周围晶粒的界面上，存在高密度的载流子陷阱，陷阱俘获载 流子后荷电，从而在周围的晶粒内形成个势垒区，势垒区的宽度和高度由荷电陷阱 密度所控制。 在上述假设中，晶粒间界对多晶硅薄膜载流子输运过程的影响将有以下三个方 面： ( 1 ) 由于晶粒间界的杂质分凝，使晶内的掺杂浓度小于总的掺杂浓度，从而使 有效载流子浓度降低； ( 2 ) 载流子被晶粒间界界面陷阱所俘获，形成晶粒内的耗尽区，使载流子在输 运过程中，需要通过热电子发射或隧道穿越通过耗尽区的势垒，从而载流子迁移率降 低。 ( 3 ) 晶粒间界与晶粒之间的位垒同样影响载流子的传输。载流子可以以热电子 1 9 c a t c v dl t p s t f t 技术研究 发射或隧道效应越过该位垒。 在不同的掺杂浓度和温度情况下，两种载流子输运机制所起的作用及其权重是不 同的： ( 1 ) 当温度足够低时，载流子能量t g k 。大部分载流子的能量不足以热电 子发射方式越过晶粒内耗尽区势垒，载流子只能以隧道效应依次越过耗尽区和晶粒间 界位垒区，若掺杂浓度不够高，两个势垒区的厚度很大，隧穿几率很小，这时整个电 流就很小。 ( 2 ) 当温度足够高，载流子足以热电子发射方式越过晶粒内耗尽区势垒，但不 足以同样的方式穿越晶粒间界位垒时，载流子主要通过热电子发射越过晶粒耗尽区势 垒，然后遂穿晶粒间界位垒。 ( 3 ) 温度进一步增加，载流子能量继续增加，载流子则以热电子发射方式越过 所有势垒。 对于实际使用的多晶硅薄膜，多工作在中等温度范围，载流子以先热发射后遂穿 方式实现电传输。s e t o 模型对低掺杂多晶硅的电学特性能给予很好的解释，而在中、 高掺杂情况下，晶粒内势垒区变薄，相应的势垒高度吒降低，从而使晶粒间界位垒i 曲 与k 相比大得多，晶粒间界位垒对载流子得反射作用显得十分重要。这是载流子通过 耗尽区势垒的主要方式是隧道效应。这时对s c t o 模型进行修正显得很有必要。而t f t 所用的多晶硅薄膜多为非掺杂或轻掺杂状态，故对修正模型的载流子输运特征不再做 定量讨论。 2 4 多晶硅薄膜的制备方法 p s i 薄膜的制备方法主要由：固相晶化法，低压化学气相沉积法( l p c v d ) ，催 准分子激光退火法，等离子增强化学气相沉积法( p e c v d ) ，化化学气相沉积法 ( c a t c v d ) 等。其中前两者为高温工艺( 1 0 0 06 c ) ，后三者工艺温度较低( 。 固相晶化法0 1 是对非晶硅薄膜直接加热，使之再结晶。该方法可用传统退火炉， 所得薄膜大面积范围内均匀，表面平整度好，晶粒尺寸可由退火时间和退火温度控制。 2 0 第二章多竞硅薄膜的电学理论 但是，退火温度高、周期长。金属诱导法将晶化温度降到5 2 0 。c 以下，场助条件下， 晶化时间也有所降低，是对固相晶化的一种改进。但是，引进大量的金属杂质，多品 硅材料合金化严重，导致t f t 器件迁移率降低、易退化，所以一直没被用于生产。 l p c v d 是早期提出的一种多晶硅制各方案，因其工艺温度高、晶粒尺寸小、晶界密 度较大未得到推广。 准分子激光退火法 1 1 - 1 3 1 ( e l a ) 是研究较早，发展较成熟的一种制各多晶硅的一 种方法。利用非晶硅对激光较高的热光转换效率，使非晶硅瞬间熔融(