（凝聚态物理专业论文）rtcvd沉积的多晶硅薄膜的电学性质.pdf

摘要 本文对快速热化学气相沉积法( r t c v d ) $ 1 j 备在石英衬底、单晶硅片和多晶硅带上的 多晶硅薄膜的电学性质进行了研究。在实验方面，我们用激活能测量、室温及变温h a l l 效应测量和电子束诱导电流( e b i c ) i 贝| j 量等技术研究了多晶硅薄膜的电学性质。结果表 明，所制备的多晶硅薄膜的电学性质可以由s e t o 的单能级晶界陷阱理论给出很好的半定 量解释。 为了对实验结果给出定量的解释，本文首先对s e t o 提出的单能级晶界陷阱模型进行 了详细的理论推导。考虑到当晶粒尺寸较大时确实存在晶粒部分耗尽但晶界陷阱态未被 填满的情况，为此，本文对s e t o 提出的单能级晶界陷阱模型进行了修正，使之可以解释 较大晶粒尺寸多晶硅薄膜的电学性质。同时，根据修正后的单能级晶界陷阱模型研究了 不同晶粒尺寸、不同陷阱能级和不同陷阱态密度对多晶硅薄膜电学性质的影响。此外， 本文还给出了陷阱态密度随能量呈一定分布条件下各物理量的计算公式。 根据实测的电导率随掺杂浓度变化的曲线，由改进的单能级晶界陷阱模型确定的晶 界陷阱能级位于带隙中央下0 0 4 5 e v 的位置，陷阱态密度为1 9 x 1 0 ”c m 。根据实测 的电导率激活能随掺杂浓度变化的曲线，由分析方法确定了晶界陷阱态密度在带隙中的 分布是由一个靠近带边的指数分布和一个峰值在带隙中央附近的高斯分布组成。 关键词：快速热化学气相沉积；多晶硅薄膜；电学性质；晶界陷阱理论 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e so fb d o p e dp o l y c r y s t a l l i n es i l i c o n ( p o l y - s i ) t h i n f i l m sd e p o s i t e do nq u a r t zs u b s t r a t e s ，s i n g l ec r y s t a l l i n es i l i c o nw a f e r sa n d 斗t y p ep o l y - s i r i b b o n sb yr t c v df r a p i dt h e r m a lc h e m i c a lv a p o u rd e p o s i t i o n ) t e c h n o l o g yw e r es t u d i e d a c t i v a t i o ne n e r g ym e a s u r e m e n t r o o mt e m p e r a t u r e t e m p e r a t u r ed e p e n d e n th a l le f f e c t m e a s u r e m e n ta n de b i c ( e l e c t r o nb e a mi n d u c e dc u r r e n t ) m e a s u r e m e n tw e r ep e r f o r m e do nt h e a s - p r e p a r e dp o l y - s it h i nf i l m s i ts e e m st h a tt h ee l e e t r i c a lp r o p e r t i e so ft h ep o l y - s it h i nf i l m s c o u l db e e x p l a i n e db y s e t o s m o n o e n e r g e t i eg r a i nb o u n d a r y ( g b ) t r a p p i n gt h e o r y s e m i - q u a n t i t a t i v e l y i no r d e rt og i v em o r ep r e c i s ee x p l a n a t i o nt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a l lt h ef o r m u l a s g i v e nb yt h es e t o sg bt r a p p i n gt h e o r yw e r ed e r i v e di nd e t a i la n dt h ef o r m u l a sw e r e i l l u s t r a t e db yg r a p h s t h e n , e o n s i d e r i n gt h a tt h e r ei n d e e de x i s t st h es i t u a t i o nt h a te r y s t a l l i t e s h a v eb e e np a r t i a l l yd e p l e t e dt h o u g hg bt r a p p i n gs t a t e sa r es t i l ln o tf u l l yf i l l e dw h i c hw a s c o m p l e t e l yi g n o r e db ys e t o w ep u tf o r w a r dam o d i f i e dm o n o e n e r g e t i eg bt r a p p i n gm o d e i i n t h i sp a p e rw h i c hc o u l db eu s e dt oe l u c i d a t et h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e so fp o l y - s it h i nf i l m sw i t l l a r g e rg r a i ns i z e m e a n w h i l e ，t h ee f f e c t so fd i f f e r e n tg r a i ns i z e s ，t r a p p i n gs t a t el e v e l sa n d t r a p p i n gs t a t ed e n s i t i e so nt h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e so f p o l y s it h i nf i l m sw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d b yu s i n gt h em o d i f i e dm o n o e n e r g e t i cg bt r a p p i n gm o d e l i na d d i t i o n , w ea l s op r e s e n tt h e c o r r e s p o n d i n gf o r m u l a so f c a r r i e rc o n c e n t r a t i o na n de l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yw h e ng bt r a p p i n g s t a t e sh a v eac e r t a i nd i s t r i b u t i o nw i t l le n e r g yi nb a n dg a p a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e dc u r v eo fe l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yv e r s n sd o p i n gc o n c e n t r a t i o n , t h eg bt r a p p i n gs t a t el e v e lo fp o l y - s it h i nf i l m sp r e p a r e db yr t c v dw a sd e t e r m i n e dt ob e l o c a t e da to 0 4 5 e vb e l o wm i d g a pw i t ht r a p p i n gs t a t ed e n s i t yo f1 9 x1 0 “c m - 2b yu s i n gt h e m o d i f i e dm o n o e n e r g e t i cg bt r a p p i n gt h e o r y b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lc u r v eo fa c t i v a t i o n e n e r g yo fe l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ya sf u n c t i o no fd o p i n gc o n c e n t r a t i o n t h ed i s t r i b u t i o no fg b t r a p p i n gs t a t e so fp o l y - s it h i nf i l m sp r e p a r e db yr t c v dw a sd e t e r m i n e db ya n a l y t i e a l m e t h o df o rt h ef i r s tt i m e ，w h i c hi sc o m p o s e do fo n eb r a n c ho fg a n s s i a nd i s t i l b u t i o np e a k i n g n e a r b yt h em i d g a pa n da ne x p o n e n t i a ld i s t r i b u t i o nc l o s et oe d g eo f v a l e n c eb a n d k e y w o r d s ：r t c v d ；p o l y e r y s t a l l i n es i l i c o nt h i nf i l m ；e l e c t r i c a lp r o p e r t y ；g r a i nb o u n d a r y t r a p p i n gt h e o r y 4 1 i n t r o d u c t i o n p o l y c r y s t a u i n es i l i c o n ( p o l y - s i ) t h i nf i l mi sp e r h a p st h eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n t s e m i c o n d u c t o rm a t e r i a la p p l i e di nm i c r o e l e c t r o n i ci n d u s t r y b c o a r s eo ft h ee 疵c to fg r a i n b o u n d a r i e sr g b s ) p o l y s it h i nf i l m se x h i b i tr e m a r k a b l yd i f f e r e n te l e c t r i c a lt r a n s p o r t p r o p e r t i e sc o m p a r e dw i t ht h o s eo fs i n g l ec r y s t a l l i n es i l i c o n ( s e s i ) m a t e r i a l f o re x a m p l e , t h e r e s i s t i v i t yo fp o l y - s it h i nf i l m sc a nb ee a s i l yc h a n g e db ys e v e r a lo r d e r so fm a g n i t u d et h r o u g h c h a n g i n gd o p i n gc o n c e n t r a t i o n , s p e c i f i c a l l ys p e a k i n g ，h e a v i l yd o p e dp o l y s it h i nf i l m sh a v ea v e r yg o o de l e c t r i cc o n d u c t a n c ei n s tl i k ec o n d u c t o r w h e r e a sp o l y s it h i nf i l m sa tl o w e rd o p i n g l e v e l so rd o re dw i t ho x y g e ns h o wt h ei n s u l a t i n gc h a r a c t e r i s t i ci l i s tl i k eai n s u l a t o r t h u s p o l y s it h i nf i l m sw e r eo f t e nu s e da sl o a d i s o l a t i o nl a y e r , o h m i ce n n t a c ta n di n t e r - c o m a e c t m a t e r i a la tt h e i re a r l i e rd e v e l o p m e n ts t a g e 1 1 w i t hd e v e l o p m e n to f f a b r i c a t i n , c r y s t a l l i z a t i o n m a d p a s s i v a t i o nt e c h n o l o g i e s ，t h ec r y s t a l l o g r a p h i cq u a l i t yo fp o l y - s it h i nf i l m sh a sb e e n g r e a t l yi m p r o v e ds ot h a tp o l y s it h i nf i l m sc a nd o s s e s sn e a r l yt h es a m es t a b l ea n de x c e l l e n t o p t o - e l e c t r o u i cp e r f o r m a n c ea s s it h i nf i l m s b e c a u s ep o l y s it h i nf i l m sc a nb ef a b r i c a t e d a tl a r g ea r e am a dl o wc o s t , n o w a d a y sp o l y s it h i nf i l m sd e p o s i t e do nt h e r m a l l yo x i d i z e ds i n g l e c r y s t a l l i n es i l i c o na n dg l a s ss u b s t m t e sh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e di nl a r g e s c a l ei n t e g r a t e d c i r c u i ta n dl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( l c d ) d e v i c e s ，e t c 【2 】e s p e c i a l l y , p h o t o v o l t a i cs p e c i a l i s t s a l lo v e rt h ew o r l dh a v es h o w nt h ei m e u s ei n t e r e s ta n dp a i dl o r so fe f f o r ti nr&do fl o wc o s t a n dh i 曲e f f i c i e n c yp o l y s it h i nf i l ms o l a rc e i l sf r o mt h e1 9 9 0 sl a s tc e n t u r y1 3 一钉 d a et ot h ew i d ea n dc r i t i c a la p p l i c a t i o no f p o l y s it h i nf i l m si nm i c r o e l e c t r o n i ef i e l d t h e s t u d yo nt h ee l e c t r i cp r o p e r t i e so fp o l y - s it h i nf i l m si so b v i o u s l yv e r yi m p o r t a n tf r o mb e t h f u n d a m e n t a la n da p p l i e dp o i n to fv i e w1 5 i nf a c t , m a n yr e s e a r c hw o r ko nt h i ss u b j e c th a v e b e e nd o n ee x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r e t i c a l l y 6 - 3 0 h o w e v e r , d i f f e r e n tr e s e a r c h e r so f t e ng i v e d i f r e r e n ta n de v e no p p o s i t ec o n c l u s i o n sb e c a u s es t r u c t u r ea n de i c c t r i cp r o p e r t i e so fp o l y - s i t i f f nf i l m sa r eu s u a l l yh i g h l yd e p e n d e n to nt h ep r e p a r a t i o nc o n d i t i o n s f o ri l k q t a n c e ，t h e r es t i l l e x i s t sab i gc o n t r o v e r s yo nt h eo r i g i n so fg br e c o m b i n a t i o nu pt on o w s o m ea u t h o r sa r g u e t h a t “c l e a n ”g b sa r ca l w a y sn o te l e c t r i c a la c t i v e t h ee l e c t r i c a la e t i v i t yi sm a i n l yr e l a t e dt o t h ep r e s e n c eo f s e g r e g a t e di m p u r i t i e s 【3 1 】，w h i l eo t h e r si n s i s tt h a tal a r g ea m o u n to f t r a p p i n g s t a t e sn e a rm i d g a pa r ec a u s e db yi n c o m p l e t ea t o m i cb o n d i n gs u c ha sd a n g l i n gb o n d s 【3 2 - 3 4 1 ， w h i l es t i l lo t h e r st h i n kt h a tb o t hi n t r i n s i cg bd e f e c ts t a t e s ( s u c ha sd a n g l i n gb o n d s ，l a t t i c e d i s t o r t i o na n dd i s l o c a t i o n s a n ds oo n ) m a de x t r i n s i c a l l yd e t e r m i n e dg bd e f e c ts t a t e s ( s u c h 弱 s e g r e g a t e dm e t a li m p u r i t i e s ，c r y s t a ld e f e c t sc a u s e db yg r o w n - i no x y g e np r e c i p i t a t e s ，e t c ，) c o n t r i b u t et ot h er e c o m b i n i n ga e t i v i t y 【3 5 ，3 6 f o ra n o t h e re x a m p l e ，d i f f e r e n tr e s e a r c h e r sa l s o h a v ed i f f e r e n to p i n i o n so nt h ee n e r g yd i s t r i b u t i o no fg bt r a p p i n gs t a t e si nb a n dg a p s o m e a u t h o r sb e l i e v et h a tg bd e f e c ts t a t ed e n s i t yh a su s h a p e dd i s t r i b u t i o nw i t he n e r g yi nb a n d g a pw h i c hr e a c h e st h em i n i m u mv a l u en e a rt h em i d g a p 【3 7 - 4 0 ，w h i l eo t h e r st h i n kt h a tt h e e n e r g yd i s t r i b u t i o no f g bt r a p p i n gs t a t ed e n s i t yh a sap e a ka r o u n dt h em i d g a p 3 2 - 3 6 ，4 1 ，4 2 ， a l lt h e s ed i s a g r e e m e n t sa r em o r eo rl e s sc a u s e db yt h ec o m p l e x i t yo f s t r u c t u r eo f p o l y - s i w ek n o wt h a tp o l y s it h i nf i l mo ni t sn a t u r ei sak i n do fi n h o m o g e n e o u sm a t e r i a l i u s i d ea g r a i na t o m sa r ea r r a n g e dr e g u l a r l ya n do r d e r l yt h u st h eg r a i nc a nb er e g a r d e da ss i n g l e c r y s t a l l i n eo n e 。h o w e v e r i ng br e g i o nw h i c hr e p r e s e n tat r a n s i t i o nf r o mo n eo r i e n t e dg r a i nt o a n o t h e ro r i e n t e dg r a i n t h ea t o m sa r eu s u a l l ya r r a n g e dr a n d o m l ya n dd i s o r d e r l yw h i c hi s d e t e r m i n e db yt h eo r i e n t a t i o n so fn e i g h b o r i n gg r a i n so ns o m ee x t e n t o b v i o u s l y , t h eo r i e n t e d 6 n a t u r ei nm i e r o s t r u e t u r ew i l lr e s u l ti nt h ea n i s o t r o p yi ne l e c t r i cp r o p e a i e s t h a ti st os a y , w e w i l lo b t a i nr e m a r k a b l yd i f f e r e n tr e s i s t i v i t yv a l u e si f t h eb i a sv o l t a g ei sa d d e do nt h es p e c i m e n i nd i f f e r e n td i r e c t i o n s m o r e o v e r , g r a i n so f t e nh a v er a n d o md i s t r i b u t i o ni ng r a i ns i z e ，s h a p e a n do r i e n t a t i o n si nt h ep o l y - s im a t e r i a lw h i c hr e s u l t si ng r e a td i f f e r e n c ei nc r y s t a ls t r u c t u r e a n de l e c t r i c a ip r o p e r t i e sf r o mo n eg bt oa n o t h e rg b r a n d o md i s t r i b u t i o no fg r a i n sa n dg b s 硒w e l la sg r e a td i v e r s i t yi ne l e c t r i c a lp r o p e r t i e so ft h e mw i l ll e a dt oi n h o m o g e n e o u sc u r r e n t d i s t r i b u t i o ni nt h em a t e r i a l n l i sp r o b l e mb r i n g sa b o u tm o r es e r i o u sc o m p l i c a t i o n st ot h e q u a n t i t a t i v ei n t e r p r e t a t i o no ft r a n s p o r tp r o p e r t i e so fi n h o m o g e n e o u sm a t e r i a lj a s tl i k ep o l y - s i 【3 5 1 d e s p i t eo ft h e s eh u g ed i 佑c u l t i e s g r e a te f f o r th a sb e e np a i da n dd i f f e r e n tt h e o r e t i c a l m o d e l sh a v eb e e np r o p o s e dt oa c c o u n tf o rt h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e so f p o l y - s im a t e r i a l s u c h 嬲 g r a i nb o u n d a r yt r a p p i n gt h e o r y 【3 2 - 3 5 ，4 1 - 4 3 】，i m p u r i t ys e g r e g a t i o nm o d e l 【7 】，p o t e n t i a l f l u c t u a t i o nm o d e l 4 4 1 ，a n de l e c t r o n i cd e n s i t y - o f - s t a t e sd i s t r i b u t i o nm o d e l 4 5 】e r e i no r d e rt o o b t a i na l lo v e r a l lc o m p r e h e n s i o no nt h e s et h e o r e t i c a lm o d e l s ，w ew i l lg i v eab r i e f i n t r o d u c t i o n a n dc o m m e n to nt h e m ( 1 ) g r a i nb o u n d a r y ( g b ) t r a p p i n gt h e o r y i ti st h o u g h tt h a tg br e g i o nc o n t a i n sl a r g eq u a n t i t i e so fd a n g l i n gb e n d sa n dc r y s t a l d e f e c t sd u et ot h em i s m a t c ho f a t o m s w h i c hw i l li n t r o d u c el a r g en u m b e r so f t r a p p i n gs t a t e si n b a n dg a p o nt h eo n eh a n d ，t h e s et r a p p i n gs t a t e sw i l lc a p t u r et h ec a r r i e r sp r o d u c e db y i m p u r i t yi o n i z a t i o ni ng r a i n , r e s u l t i n gi nt h ed e c r e a s ei nt h er u m b e ro ff r e ec a r r i e r s ；o nt h e o t h e rh a n d ，t r a p p i n gs t a t e sa r ee l e c t r i cn e u t r a lb e f o r ec a p t u r i n gc a r r i e r s ，h o w e v e r , a f t e rs e i z i n g c a r r i e r st h et r a p p i n gs t a t e sw i l lb ec h a r g e d a sar e s u l lap o t e n t i a lb a r r i e rw h i c hp r e v e n t s c a r r i e r sf r o mt r a n s f e r r i n gf r o mo n eg r a mt oa n o t h e rw i l lf o r ma tg br e g i o n , r e s u l t i n gi nt h e d e c r e a s eo f t h em o b i l i t yo f c a r r i e r s b a s e do nt h i sp h y s i c a li m a g e ，t h ef o r m u l a sf o re a l e u l a t i n g t h ec a r r i e rc o n c e n t r a t i o n , m o b i l 埘a n dr e s i s t i v i t ye t ch a v eb e e nd e r i v e db ys e t ou s i n g p o i s s o n se q u a t i o n , t h ec h a r g en e u t r a l i t yc o n d i t i o na n dt h e r m i o n i ee m i s s i o nt h e o r y 【3 2 g b t r a p p i n gt h e o r ym a yb ea no n l yt h e o r e t i c a lm o d e l w h i c hc a l la f f o r daq u a n t i t a t i v ee x p l a n a t i o n t ot h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e so fp o l y - s it h i nf i l m sp r e p a r e du n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，t h u s h a v i n gb e e nm o s tw i d e l ya c c e p t e d ( 2 ) i m p u r i t ys e g r e g a t i o nm o d e l i ti sb e l i e v e dt h a ti m p u r i t i e st e n dt os e g r e g a t ea tg br e g i o nb e c a u s et h ea t o m ss i t u a t e di n g r a i na n dl o c a t e da tg br e g i o nh a v ed i f f e r e n tc h e m i c a lp o t e n t i a l b e c a u s eo ft h ee f f e c to f i m p u r i t ys e g r e g a t i o n ，t h en u m b e ro ft h ei m p u r i t i e sw h i c hc a nj o i ni nt h el a t t i c es t r u c t u r eo f g r a i na n db ei o n i z e df o rp r o d u c i n gc a r r i e r si sg r e a t l yd e c r e a s e d t h u s ，c a r r i e rc o n c e n t r a t i o ni s a l w a y sl e s s t h a nd o p i n gc o n c e n t r a t i o nf o rp o l y s im a t e r i a l ，o n l ya f t e rg br e g i o n sa r e s a t u r a t e d b yi m p u r i t i e s c a r r i e rc o n c e n t r a t i o nc o u l d g r a d u a l l ya p p r o a c ht h ed o p i n g c o n c e n t r a t i o n i na d d i t i o n , i ti st h o u g h tt h a ti m p u r i t i e sa tg br e g i o ng e n e r a l l yh a v en oe l e c t r i c a c t i v i t yb e c a u s et h e yu s u a l l ye x i s ta sau n i o n i z e df o r m a sar e s u l tg r a i nr e g i o nw i l lh a v e h i g h e rr e s i s t a n c et h a ng br e g i o n n l ev i t a ls h o r t c o m i n go ft h i sm o d e li s t h a ti tc a nn o t e x p l a i nt h et h e r m a la c t i v a t i o ne n e r g y b e h a v i o ro fe l e c t r i cc o n d u c t a n c eo b s e r v e db y e x p e r i m e n t i ts h o u l db em e n t i o n e dt h a tt h ee f f e c to fi m p u r i t ys e g r e g a t i o nc a nb en e g l e e t e d f o rb - d o p e dp o l y - s im a t e r i a l sb e c a u s en os e g r e g a t i o no fb o r o nw a so b s e r v e de v e nf o rd o p i n g c o n c e n t r a t i o na sh i 曲嬲1 3 x l 旷”c m - 【3 2 ( 3 ) p o t e n t i a lf l u c t u a t i o nm o d e l 7 t h i sm o d e la t t e m p t st oe x p l a i nt h ee l e c t r i cp r o p e r t i e so fp o l y s im a t e r i a l sb yt a k i n g a c c o u n to fi n t e r g r a n u l a rp o t e n t i a lf l u c t u a t i o n n em o s tr e m a r k a b l ef e a t u r eo ft h i sm o d e ii s t h a tr a n d o md i s t r i b u t i o no fp o t e n t i a la m o n gg r a i n sa n df l u c t u a t i o n si ng bb a r r i e rh e i g h t sa r e u s e dt oc h a r a c t e r i z et i i en o n u n i f o r m i t i e si nt h eg r a i ns i z e i m p u r i t yc o n c e n t r a t i o na n dg b t r a p p i n gs t a t ed e n s i t i e s i no r d e rt oe x p l a i nt h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e so fp o l y - s im a t e r i a l ，a s o - e a l i e dd i s o r d e rp a r a m e t e ri si n t r o d u c e dt or e p r e s e n tt h eo v e r a l le f f e c to fa l lt y l so f i n h o m o g e n e i t y , a n dat h r e s h o l de n e r g yi sd e f i n e d w h e ne n e r g yi sh i 曲e rt h a nt h et h r e s h o l d e n e r g y , t h ee f f e c t so fa l lt y p e so fi n h o m o g e n e i t i e sw i l lb et o t a l l ys c r e e n e da n dt h ef r e e c o n d u c t i o nm e c h a n i s md o m i n a t e ；w h e ne n e r g yi sl e s $ t h a nt h r e s h o l de n e r g y , m i x e d c o n d u c t i o nm e c h a n i s mo c c u r s ，i eb o t hf r e ec o n d u c t i o nr e s u l t sf r o mf r e ec a r r i e r sa n d t h e r m a l l ya c t i v a t e dh o p p i n gc o n d u c t i o nc a u s e db yl o c a l i z e dc a r r i e r sc o e x i s ta n dc o n t r i b u t et o t h et o t a lc o n d u c t i o n i ti sv e r yr e g r e tt h a tt h i sm o d e lc a l l o n l yp r e s e n taq u a l i t a t i v e i n t e r p r e t a t i o nf o rt h ee x p e r i m e n t a l