（物理电子学专业论文）新型镍源milc多晶硅材料及其polysi+tft技术研究.pdf

ab s t r a c t ab s t r a c t i n c o n v e n t i o n a l a c t i v e m a t r i x d i s p l a y d e v i c e s , t h e t f t s a r e f a b r i c a t e d w i t h a m o r p h o u s s i l i c o n ( a - s i ) . t h i s i s d u e t o i t s a b i l it i e s o f l o w p r o c e s s i n g t e m p e r a t u r e a n d l o w ma n u f a c t u r e c o s t o n l a r g e a r e a g l a s s s u b s t r a t e s . h o w e v e r , i t i s d i ffic u l t t o u s e t h e a m o r p h o u s s i l i c o n t f t f o r h i g h re s o l u t i o n s e l f - s c a n n e d a ml c d a n d a mo l e d . f o r l o w e r p o w e r c o n s u m i n g , a n d m o re c o m p a c t s t r u c t u re , p o l y c ry s t a l l i n e s i ( p o l y - s i ) i s a g o o d c a n d i d a t e . i n p a rt i c u l a r , i f t h e p o l y - s i i s f o r m e d a t l o w t e m p e r a t u r e , t h e p e r ip h e r a l d i v i n g c i r c u i t s c a n b e f a b r i c a t e d o n t h e g l a s s s u b s t r a t e s as w e l l . t h u s l o w t e m p e r a t u r e p o l y c ry s t a l l i n e s i l i c o n ( l t p s ) i s a k e y t e c h n o l o g y f o r t h e f u t u re d i s p l a y . s e v e r a l m a i n f a c t o r s w h i c h a ff e c t t h e c ry s t a l l i z a t i o n r a t e i n m e t a l i n d u c e l a t e r a l c rys t a l l i z a t i o n ( mi l c ) t e c h n o l o g y s u c h as i n d u c e h o l e w i d t h , i n d u c e h o l e d i s t a n c e a n d t h i c k n e s s o f n i c k e l s o u r c e l a y e r a r e i n v e s t i g a t e d . i n g e n e r a l i f n i c k e l w as d e p o s i t e d b y e - b e a m m e t h o d w i t h p u r e n i c k e l t a r g e t , t h e re w as o n l y p u r e n i c k e l i n t h e s o u r c e l a y e r a n d t h e c ry s t a l l i z a t i o n r a t e w as p r o p o rt i o n a l t o t h e t h i c k n e s s o f n i c k e l s o u r c e l a y e r . b u t i n s p u tt e r i n g m e t h o d w i t h n i c k e l - s i l i c o n m i x e d t a r g e t , t h e c rys t a l l i z a t i o n r a t e i n c r e a s e d r a p i d l y w i t h t h e i n c r e as i n g o f t h e t h i c k n e s s o f n i c k e l s o u r c e l a y e r , a n d t h e n s a t u r a t e d w h e n t h e t h i c k n e s s e x c e e d s a b o u t t e n n a n o m e t e r s . i n o r d e r t o a n a l y z e t h e c o m p o s i n g o f t h i s k i n d o f n i c k e l s o u r c e l a y e r , x - r a y p h o t o e l e c t r o n s p e c t r o s c o p y ( x p s ) a n d t i me o f f i g h t s e c o n d i o n mas s s p e c t r o s c o p y ( t o f - s i ms ) h a v e b e e n d o n e . f r o m t h e r e s u lt s w e c a n s e e t h a t t h e m i x e d n i c k e l s o u r c e l a y e r i s c o m p o s e d o f n i c k e l o x i d e m i x e d w i t h s i l i c o n o x i d e a t a s p e c i f i c r a t i o w h i c h i s d e t e r m i n e d b y t h e r a t i o n o f n i c k e l a n d s i l i c o n i n t h e t a r g e t . t h i s i s d i ff e r e n t fr o m g e n e r a l p u r e n i c k e l s o u r c e . f r o m e x p e r im e n t r e s u l t s a n d t o f - s i ms res u l t s , w e c a n s e e t h a t t h e n i c k e l r e s i d u a l i n p o l y s i l i c o n i s r e m a r k a b l y re d u c e d c o m p a r e d t o t h a t i n t h e p o l y s i l i c o n o b t a i n e d b y p u r e n i c k e l i n d u c e d c ry s t a l l i z a t i o n i n p r e m i s e o f a d e q u a t e c ry s t a l l i z a t i o n r a t e , a n d t h e c ry s t a l l i z a t i o n r a t e w i l l s a t u r a t e w h e n t h e n i c k e l s o u r c e i s t h i c k e n o u g h . s o t h e d i ff e ren c e as s a i d e n d o w s t h e n i c k e l s o u r c e t w o p a rt i c u l a r f u n c t i o n s : n i c k e l s e l f - l i m i t e d f u n c t i o n a n d n i c k e l s e l f - r e l e a s e d f u n c t i o n . we ab s t r a c t n a mo i t s e l f - r e l e a s e d n i c k e l s o u r c e . t h i s i s t h e i n n o v a t i o n a l a r t i n t h e t h e s i s i n t h e t h i r d c h a p t e r , up s t f t s u s i n g t h e p o l y - s i a s s a i d i n c h a p t e r t w o a s t h e a c t i v e l a y e r a r e f a b r i c a t e d a n d c o m p a r e d . t f t s o b t a i n e d b y s e l f - re l e a s e d n i c k e l s o u r c e h a v e b e tt e r u n i f o r m i t y a n d s m a l l e r l e a k a g e c u r r e n t . s o t h e y a r e s u p e r i o r t o t f t s o b t a i n e d b y g e n e r a l n i c k e l s o u r c e . a ft e r t h a t s i n g l e g a t e t f t s a n d d o u b l e g a t e s t f t s w h i c h w e r e f a b r i c a t e d b y m i x e d n i c k e l s o u r c e l a y e r w e r e s t u d i e d a n d c o m p a r e d瑞 o f t w o k i n d s o f t f t i s a l mo s t s a m e , b u t t f t s wi t h d o u b l e g a t e s h a v e s m a l l e r i o ff a n d g i d l e ff e t . s p i c e d e v i c e m o d e l o f up s t f t w i t h m i x e d n i c k e l s o u r c e i s b u i lt i n c h a p t e r f o u r , a n d t h e s i m u l a t e r e s u l t s w i t h t h i s m o d e l a n d t h e e x p e r i m e n t r e s u lt s a r e c o m p a r e d . t h e s i m u l a t e d r e s u l t s a r e a l m o s t f i tt e d t o t h e m e a s u r e m e n t r e s u l t s , s o t h i s mo d e l c a n b e a p p l i e d t o t h e p i x e l c i r c u i t a n d p e r i p h e ry c i r c u i t d e s i g n o f a c t i v e m a t r i x d i s p l a y t e c h n o l o g y . k e y w o r d s : m e t a l i n d u c e d l a t e r a l c ry s t a l l i z a t i o n , n i c k e l s o u r c e l a y e r , p o l y s i l i c o n t f t , t f t r e l i a b i l i ty , t f t u n i f o r m i ty 南 口 卜 大 学 学 位 论 文 电 子 版 授 权 使 用 协 议 ( 请将此协议书装订于论文首页) 论 文 晰型 碑 4 m i i 咚% 砚0 料 及 p州: 丫 叮 脚 问 形 系 本 人 在 南开大学工作和学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系本作品的唯一作者 ( 第一作者)，即著作权人。现本人同意将本作品收 录于 “ 南开大学博硕士学位论文全文数据库”。本人承诺:已 提交的学位论文电 子 版与印刷版论文的内 容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由 本人自 负。 本 人完 全了 解 南 开 大学图 书 馆 关于 保存、 使 用 学 位论 文的 管 理办 法 。 同 意 南开大学图书馆在下述范围内 免费使用本人作品的电子版: 本作品呈交当年，在校园网 上提供论文目 录检索、文摘浏览以及论文全文部分 浏览服务 ( 论文前i s 页)。 公开级学位论文全文电子版于提交1 年后， 在校园网上允 许读者浏览并下载全文。 注:本协议书对于 “ 非公开学位论文”在保密期限过后同 样适用。 院 系 所 名 称 : 幅 t - a i 仰辉泌 作者签名: 学号: 会 ?; if 0 切。 2 1 , 0 日 期 : ) 沙 习 年夕 月4日 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容: 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本; 学校有权保存学位论文的印刷本和电 子版，并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按 有关规定向国 家有 关部门 或者机构送交论文的复印件和电子版; 在不以赢利为目 的的 前 提下，学校可以 适当复制论文的部分或全部内 容用于学术活动。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 剑 k ? r 习年s 月声 扣 经指导教师同意， 本学 位论文属于保密， 在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名:学位论文作者 签名: 解密时间:年月日 墓一 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 抽 部 5(最 z 5 味 ， 7 y 5 41 ) 一 : 秘密1 0 年 ( 最长1 可少于1 0 年) : 机密* 2 0 年 ( 最长2 0 年， 可少于2 0 年) _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 进行 研究工作所取得的 成果。 除 文中已 经注明引用的内容外， 本学位论文 的 研究成果不包含任何他人创作的、 己公 开发表或者没有公开发表的 作品的内 容。对本论文所涉及的 研究工作做出贡献的其他个人和集 体， 均己在文中以明确方式标明。 本学位论文原创性声明的 法律责任 由 本人承担。 学位论文作者签名: 刘多 缪 年 乡月才 日 第一章 前言 迁移率 约 1 0 0 c m , / ( v - s ) 左右。固 相晶化的成核 率r 可表示为式( 1 . 1 ) . u 0 , ， 一 d exp ( k ta ( 1 . 1 ) 其中， d e , 。 为晶 核密度; e a 为激活能;k 为 波尔兹曼 常数; t 为结晶 温度。因此 通过温 度提升、 表面等离子 处理或金属触媒来 增加结晶率， 但需高 达6 0 0 的高 温与长 达2 4 小时以 上的晶 化时间， 需采用熔点 较高且成本 较玻 璃贵的 石英基板， 再加上石英基板尺寸的限制，因此只能发展小型面板固相晶化，商业竞争力相 对较低。 准分子激光晶化法利用瞬间激光脉冲产生的高能量入射到非晶硅薄膜表 面， 仅在薄膜表层1 0 0 n m 厚的 深度产生热能效 应， 使a - s i 薄 膜在瞬间 达到 1 0 0 0 左右， 从而实现a - s i 向p - s i 的转变。 在此过 程中 ， 激光脉冲的 瞬间( 1 5 - 5 0 n s ) 能量被a - s i 薄膜吸收并 转化为相变能，合理选 择激光的波长 和功率， 使用激光 加热就能 够使a - s i 薄膜达到熔 化的 温度且保证 基片的 温度低于4 5 0 0c ， 可以采 用玻璃基板作为衬底。准分子激光是一种脉冲式激光，相关的脉冲特性诸如激 光光束的波形、扫描的重叠次数、 激光能量密度与稳定性都直接影响到多晶 硅 薄膜的 质量。 e l a 法制备的多晶 硅薄膜缺陷 少、电 学特性好、 迁移率高， 但它自 身 存在 严重的 缺点就是晶粒尺寸对 激光功率敏感， 大面积均匀性较差。a s 重复 性差、设备成本高，维护复杂. 快速热退火法处理过程包含三个阶段:升 温阶段、 稳定 阶段和冷却阶段。 用含氢非晶 硅作为初始材料， 进行退火处理。 平衡温 度控制在6 0 0 以 上， 纳米 硅晶粒能 在非晶硅薄膜中形 成，而且 所形成的纳 米硅晶 粒的大小随着退火过程 中的 升温快慢而变化。 在升 温过程中，若单 位时 间内 温度变化量 较大时( 如 1 0 0 0c / s ) ，则 所形成纳米硅晶粒较小( 1 . 6 -1 5 n m ) ; 若单位时间内 温度变化量较小 ( 如1 0c / s ) ， 则纳米硅粒 较大( 2 3 -4 6 n m ) o r t a 退火法制备的多晶 硅晶 粒尺寸 较 小，晶体内部晶界密度大，材料缺陷密度高，【 川 而且属于高 温退火方法， 常不 为多晶硅 t f t 制备所取。 2 0 世纪9 0 年代初发 现在a - s i 中加入一 些金属，如a l , c u , a u , a g , n i , p t , s b 1 1 2 1 5 2 5 时能够 达到8 . 8 7 1 1 m / h r 0 。而本论文首次 提出 一种新型的 n i源，并 着重对此类镍源的 厚度、诱导孔宽 度和诱导孔间 距等三个主要因素对 晶化过程的影响进行研究和讨论. 2 . 2 . 2金属诱导横向晶化多晶硅材料的制备 首先， 在 4 英寸的单晶 硅衬底上制备 5 0 0 n m 的热氧化 层， 然后采用低压化 学气相 沉积 ( l p c v d )的方 法在 5 5 0 下 沉积 4 5 0 n m 的非晶 硅 ( a - s i ) 层作为金 属诱导 横向晶 化的前驱物。 在非晶 硅表面用l p c v d 的方法沉积 一层厚度为1 0 0 n m 的低温氧化物 ( l t o : l o w t e m p e r a t u r e o x i d e ) 作为晶 化的 掩蔽层。 然后使用 接近式曝光的方法在掩蔽层上面光刻出长条状的诱导孔。金属诱导晶化镍源层 的获得可以通过多种方法获得，如电子束蒸发、磁控溅射、溶液法等。本文中 主要对磁控溅射镍硅合金靶的方法进行研究，为了进行比较，同时也采用了电 第二章 金属诱导横向晶化多晶硅薄膜材料 导横向晶 化的 速度和晶 化后获得多晶 硅薄膜中 的镍残余量。这样由于不同生产 批次之间存在的参数差异会直接影响获得的多晶硅薄膜的质量，从而使工艺窗 口变窄。 由 上节中t o f - s 工 m s 结果告 知， 磁 控溅 射镍源薄 膜中镍的 含量非常低， 在与非 晶硅晶化前驱物相接触处，约为同表面镍源层镍含量的千分之一，而且以氧化 镍的状态 镶嵌 在氧化硅中。 在晶 化过程的 初始阶 段， 镍源层和非晶 硅界面上 和 界面附近的 氧化镍能 够和硅发生 如下反 应， 置换出 单质镍， 单质镍再 和硅形成 镍硅化合物。 ni o+s i 二s i o + ni ( z . t ) 在随后的晶化过程中，镍源层中其他位置的氧化镍不断的和硅发生反应，以 相对缓慢的速度置换出单质镍来补充晶化前峰中镍的消耗。由于金属诱导横向 晶化过程中，晶化前峰的宽度基本上没有变化，而晶化前峰中的镍，是以硅化 物方式在其继续向 非晶 硅中 扩散迁移的 过程中 ，不断在其身后留下晶化了的多 晶硅，因此如果迁移过程中不会有过多缺陷将其 “ 陷获”的话，其前峰中n i 的 线密度不会明显降低，因此只需一小部分镍量即可满足金属诱导横向晶化的阐 值条件。 鉴 于从此镍源中 释放出 来的n i 是通过n i o 与s i 反 应还原出来的，当 前锋n i 量 足够晶 化非晶 硅的话， 上述还原反应 便不再进行，则多 余部分的镍仍 将以氧化物形式保留在镍源层中。 如上所述，当镍源层厚度达到满足全部晶化需要的闭值以后，即使再增加氧 化物镍源层的厚度， 也不会对晶化速率产生影响。另外由 于 氧化 镍的量远远小 于 硅的 量， 发生如 ( 2 . 1 ) 式 所示的 反应时消 耗的 硅原子数目 不多，因 此不会对 多晶硅材料产生影响。而在电子束蒸发纯镍源制备镍源层的方法中，退火过程 开始时镍源层中的金属镍原子在高温下以很快的速度直接扩散到非晶硅中，不 存在缓慢置换作用的限 制， 扩散到非晶硅中的镍量要远远 大于金 属诱导横向晶 化所需要的镍量，因此晶化后多晶硅中残余的镍量会大于 磁控溅射镍源层的 方 法得到的多晶 硅。 下面我们 通过实验来验证上 述假设性的阐 述。 在实 验中我们使用高硅镍比例合金靶材作为 溅射靶， 在氮氧混合气氛下磁 控溅射形成的氧化镍氧化硅混合薄膜。为了观察磁控溅射镍源层厚度的影响， 我们制备了正常厚度和比 正常厚度溅射时间增加二 十倍的 两个样品。在相同的 退火条件下得到了相同的晶化速度，并且通过二次离子谱结果分析，多晶硅中 第二章 金属诱导横向晶化多晶硅薄膜材料 残余镍量也基本相同。同时 制备了电 子束蒸发 纯镍源正常厚 度的 样品 进行比 较， 发 现其晶 化速度和磁控溅射的两个样品 基本相同 ，而晶化后多晶 硅中残余的镍 量 却大了 数倍。 这个实 验结果证明了 上述假设的正确性。至于为何纯镍源的镍 量远远大于混合 镍源的镍量，但是得到的晶 化速度小于或者等于混合镍源的问 题，由于时间和实验室条件所限，在本论文中不作重点研究对象。在本课题组 以后的研究工作中会对其进行深入的研究和探讨。 因此， 磁控溅射镍 硅合金靶镍源层在作为诱导源时，其特点是当薄膜厚度 超过几个原子层时，再增加厚度， 即使是几十倍的增加， 对金属诱导横向晶 化 的速率和晶化后多晶硅薄膜中的镍残余量均不产生影响。实际上在晶化的初始 阶 段只有镍源层和非晶硅层接触面附近的 镍能够起到迅速的 扩散到非晶硅中 起 到晶 化的 作用。 也就是说，通过控制溅射靶中 镍和 硅的比例可以控制晶化的 初 始镍量，从而控制晶化速度和晶化后多晶硅中的镍残余量。这就是该种镍源的 镍初始量自限定作用。 在随后的晶化过程中，氧化镍/ 氧化硅混合的镍源层中的镍会连续的、微量 的向 非晶 硅中 进行释放，从而对晶 化前峰进行补充并使促晶化前峰向 前移动。 这时镍源层中释放镍的速度相比晶化初始阶段界面处镍向非晶硅中扩散的速度 要小的多，只是一种连 续的、 微量的 释放过程，以 补充中间n i 随 机的 “ 流失” 造成n i 量不 足的现 象。这 样既能 够保证晶 化前峰的 移动速度， 完成金 属诱导晶 化的整个过程，又能够有效地减少晶化以后残留在多晶硅薄膜中的镍含量。这 就是该种镍源的自缓释作用。 由 于该镍 源具有以 上两 种特殊的 作用， 因此与 现有金属诱导 横向晶 化技术相 比， 具有更宽的 工艺窗口 ，更低的镍残留 量， 是适用于在大面积 衬底上有效制 备优质材料与器件的制备技术。 2 . 3 . 2自 缓释镍源和常规物理源多晶硅材料特性的比较 与常规金属诱导横向晶化技术相比，自缓释镍源技术得到的多晶硅薄膜材料 能 够在保证晶 化速度、晶化率、表面粗糙度、电 特性的前提下， 有效地控制晶 化后多晶硅中的镍 残余 量。 我们分别在同 一非晶 硅前驱物上， 制备等离子溅射3 分钟， 等离子 溅射1 小时 和电 子束蒸发5 o a 的n i 的 三个样品， 分别编号为a , b , c 。 然后放进5 9 0 0c , 氮气气氛下退火2 . 5 个小时， 三个样品均己 完全晶 化为多 第三章 金属诱导横向品化低温多晶硅薄膜品体管 第三章 金属诱导横向晶化低温多晶硅薄膜晶体管 本章我们采用自 缓释镍源以 及常规镍源作为诱导 源得到的多晶 硅材料作为 有源层，制备了低 温多晶硅薄膜晶 体管( l t p s - t f t ) 器件，并 对器件性能进行研 究。 第一节 up s 薄膜晶体管的 特性参数 图3 . 1 是典型的n 型金属一 氧化物一 半导体 场效应晶体管( m o s f e t : m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r f i e l d e f f e c t t r a n s i s t o r ) 、 低温多晶硅及非晶硅薄膜晶体管 的漏极电流 一 栅极电 压特性曲 线。 非晶硅具 有较低的漏电流， 但其载流子迁移率 较低使得导通电流不够高，而低温多晶硅薄膜晶体管的导通电流明显高出非晶 硅 薄膜 晶体 管 1 0 许多。 当操作在 截 止状态 时， up s的漏电流 会 随栅极负 电 压 的拉高而增 加， 易造成像素 在 截至 状态 时 仍存有 漏 电的 路径， 使得储存 电容中储存电 压下降， 故 up s 像素设 计上会 d , = 0王 v m王 ) s f e t u p s t f t . _ 引 tf t 犷 吠、滋岁澎鑫 1 0 - 1 0 - 5 0 姗极电月 i n 1 0 1 s 图3 . 1 m o s f e t 与t f t的 特性曲 线 以各种方法来降低漏电流，因此如何控制好闺值电压、漏电流和载流子迁移率 等参数对up s t f t 的周 边电 路来说 是最大的考 验。 第 三章 金属诱导 横向品 化低温多晶 硅薄 膜品体管 3 . 1 . 1低温多晶硅 t f t 转移特性 低温多晶硅薄膜中存在许多晶粒间界与缺陷，这些晶界之间的层错、位错及 缺陷造成 up s的特性 曲线模型不易建立 ，商业 s p i c e模型只有少数如 r p i p o l y - s i t f t m o d e l 可选 择， 为了简化薄 膜晶 体管的特 性曲 线， 通常仍沿用 m o s f e t的模型。 p o l y - s i t f t线性区和饱和区电 流计算公 式如式( 3 . 1 ) ( 3 . 2 ) 所 不 。 w_ _ _ _ _， 、二 ， _ i d, = 令iu f e c os ( v p 一 嵘) 几线 性区(3 . 1 ) 山l 以、p，四 ， _ w 。 ”: ， v 2d* 飞.,- g n 二， 。 。 、 i = 十y s . i v e.v c s 长今 饱 和 区( 3 . 2 ) 一 l ” “ 一 l 夕 盯 一2 a ., j 其中， i , ， 为 漏极电 流; w 和l 分别为t f t 沟道宽 度和长度;u e r e 为等效载流子迁 移率; c b : 为栅绝缘层电 容; v 。 为漏极电压; v a ， 为栅极电 压; v i . ， 为反型电势; v e w t v a s v t e . , a ，为 沟道耗尽时电 荷变化量 34 1 。当 面板写入信号时， 导通电流可 以表示为式( 3 . 3 ) : i _ k c , vn _ t f- ( 3 . 3 ) 其中， i b 。 为 t f t的 导通电流; 兔。 ， 为 像素电 容; v . , 为 所要对像素充电的电压; n - 为水平扫描线数: t 、 为显 示一场图像的时间 ;k 为一经验 值。以x g a分 辨 率为例，图 像刷新率设 定为6 0 h z ， 显示一场的时间 为1 6 . 7 毫 秒， 像素电 压和电 容设定为5 v 和1 p f ， 经验值k 设定为6 。由 式( 3 . 2 ) 可知， 导通电 流需大于 1 0 x l p fx 5 vx 6 0 0 1 6 . 7 ms =1 . 8 6 x i e a( 3 . 4 ) 当 显示分辨率增加时， 水平扫描线的 数目 就会增加， 因写电 荷的 时间简短， 为 达到相同的写入电荷 ( 显示亮度)的需要，对 t f t的开态电流的需求也随之增 加。 通常up s t f t 的导通电 流密 度大于1 v a / c m 2 ，比 非晶 硅的高两 个数量级， 在扫描线不 会提高 两个量级时， up s t f t的开 态电 流能力完 全符合高 分辨率显 示基 板的设 计要求 3 5 3 第三章 金属诱导横向晶化低 温多 晶硅薄膜晶 体管 3 . 1 . 2等效载流子迁移率 等效 载流子迁移率通常可以 由薄膜晶体管的 转移 特性曲 线来推导。图3 . 2 是 典型顶 栅结构低温多晶硅t f t 的 跨导 特性。 通常以 低漏极电 压 ( 一 般设为0 . 1 v 下 线性区的电 流电 压关系对v 。 微分后即可 计算出 跨导g o ， 如式( 3 . 5 ) 所 示: a l l, 一二 ， w “ a v y 一 “ 二 、 了 ( 3 . 5 ) 由跨导计算公式可以推导出等效载流子迁移率为 产= sm ( 3 . 6 ) c - = 、 。 亡 ( 3 . 7 ) 其中，t o ， 为栅氧化层的厚度。以5 0 n m厚度的栅氧化层为例，二氧化硅的等效介 电 常 数 约 为4 . e o 为 8 .8 5 x 1 0 - 12 ( f l m 2 ) m l ， 由 式( 3 . 7 ) 推 导 可 得 厚 度5 0 n m 的 二 氧 化硅等效栅电容约为 c _ = 8 . 当v g s 从 0 开 8 5 x 1 。 一 ，2 x 4 x - 二 a = 7 .0 8 x 1 。 一 (f l m 2 ) 5 x 1 0 - 0 ( 3 . 8 ) 匆 . 0吞 0 始逐渐增大时， 沟 道中地载流子在 运动过程中会不 断地被多晶硅中 的缺陷态所俘获 而不能对导带中 载流子的数 目有 贡献，随着 v g s n ( h彻1 下 】 亡1 勺 岛 : i) 1 v ; t0 (fto, box葱 0冲 该 4 0 . ，二 ， 8ar6 讼 2 .8 x1 尸 口力 一0一 s坦1 5 2 0 姗极 电 如v 低温多晶硅t f t的跨导特性 的增大，感生电荷越来越多，而缺陷态逐渐被填充从而越来越少，当缺陷态几 第三章 金属诱导横向品化低温多晶硅薄膜晶体管 乎 被全部填满时单位电压 产生的电 流增加才会 达到最大， 跨导9 . 达到最大值， 从 而迁移率也达到最大。当 迁移率 达到最大值以 后会随 着 v g s的 增大而减小，这 主 要是因 为有电 场存在时，载流子从电 场中 获得能量， 随后又以 发射声 子的形 式将能量传递给晶格，这时平均地说，载流子发射的声子数多于吸收的声子数。 到达稳定状态时，单位时间载流子从电场中获得的能量同给与晶格的能量相同。 但是在强电场情况下，载流子从电场中获得的能量很多，载流子的平均能量比 平衡状态下大，因而载流子和晶格系统不再处于平衡状态。温度是平均动能的 量度，既然载流子的能量大于晶格系统的能量，人们再引进载流子的等效温度 t c来描写与晶格系统不再处于热平衡状态的载流子，并称这种状态的载流子为 热载流子。所以 在强电场 情况下， 载流子温度t c 比晶 格温度t 高， 载流子的平 均能 量比晶 格的大。载流子与晶格散 射时，由 于热载流子能量高， 速度大于 平 衡状态下的速度，由 t = 1 八 看出， 在平均自 由 程保持不变的 情况下， 平均自由 时间 减小，因而迁移率降 低 3 7 1 3 . 1 . 3闭值电压 常见up s t f t 阐 值电 压定义可以分为 外差法与固定电 流法两类。 外差 法是由 i d s - v . 曲 线作切线， 在x 坐标轴上的 交点即 是闭值电压值 如图3 . 3 所示。 固定电 s ax i 砂 已动丫份t 耐妒 x挑 刻村 卿11! 川川帅比 协枷呱20 x 流法是在 i d . - v 。曲 线上取额定 电流值， 其相对应的电压值即为 固定电流下的闭值电压。 通常当 几= 0 . 1 v 时 定义 i , = ( w / l ) x 1 0 一 对应的栅极电压为阐 值电 压;而当 v , , = s v时取 i , = ( w / l ) x 1 0 - a对应的电压为闽 值电 压 . 如 图3 . 4 所示 。 z 劝.1 6 - , 05 .妞电 压rv 占 一 刁 0 月 i s 2 0 图 3 . 3外差法定义闽值电压 第三章 金属诱导横向晶 化低温多品硅薄 膜晶 体管 100 n-chamel10. v =0.1 v 旷刚尸衅10m耐 褚奋一子塞篇 。v , s 祖极电压n t 5z f 一一 州- 图3 . 4固定电流法定 义阐 值电压示意图 3 . 1 . 4亚闭值摆幅 当栅电 压小于阑 值电 压时， 多晶硅沟 道呈现弱反型， 此时的 漏极电 流成为亚 阐值电 流。一般而言亚阐 值电 流与( v b b v t h ) 呈指数关系，因 此用亚闭值摆幅参数 描述t f t 导通与关闭的 特性， 其定义如 式( 3 . 9 ) : 二 r 旦 旦 旦 些 三 红2 1一 1i a (lo g i, ) 1 - k t in (10 )(1 十 丛 吐 三 、 l a v ,r ” 几 ( 3 . 9 ) -9 . r 1, a ( l o g 几) a . ， ， 、 ， 。 ，_ 、 ， a v c a a j 9 yj 丰 y w z : 口 li- e毛 卜 ; v a z 幼 o v $ , 沟 道耗尽时的电 容值: c t 为晶界的电容 值， 与多晶硅 材料的 缺陷密度有关【 39 1 第三章 金属诱导横向品化低温多晶硅薄膜晶体管 3 . 1 . 5关态漏电流 up s t f t 最大缺点 在于 关态电 流 无法有效抑制，一般来 说 u p s t f t 漏电 流 为 a - s i t f t漏电流的十至百倍。多晶硅材料天生含有相当多的晶粒内部与晶粒 间的缺陷，大部分缺陷态密度位于能隙中间，并随着未成键态增加而增加，而 多晶硅的 激活能介于0 . 5 - 0 . 6 v 之间，相当靠 近中 间能隙， 容易 产生陷阱辅助隧 穿与带间的隧穿现象使得漏电 流增加。一 般而言，在漏极电压 较低时，主要来 自靠近漏极耗尽区的热产生漏电流，并随着有源区域厚度降低而漏电流减小。 而当漏极电压 较高时，场效应感应泄 漏电流所造 成的光 辅助隧穿 成为主要机制 407 。 减小 漏电 流 主 要 有 两 种方 法， 一 种 是 漏极 轻 掺 杂( l d d : l i g h t l y d o p e d d r a i n ) 结构 ， 一种是多栅结构。 在l d d 结构中，由 于薄 膜晶体管的 漏极轻掺杂区的电 阻 值高于源漏极，等效地串连了一个大电阻，因此水平方向的电场强度减小并降 低了电 场加速引 起地碰撞电离产生 地热载流子几 率，同时 有效地抑制 漏电流地 产生4 1 7 。 多栅结构相当 于在源漏区域 之间 增加了 多个反向 偏置的 p - n结，从而 能 够有效的减小漏电 流4 2 7 关态电流在有源驱动显示基板的设计中是一个非常重要的因素，当基板维持 信号时 ，对关态电 流的 需求可以 表示 为式( 3 . 1 0 ) i f c m , a v n g r m t f _ ( 3 . 1 0 ) 其中 ， a v _ 为 显 示 基 板 全 开 与 全 关 的 电 压 差; n 8 ,% , 为 显 示 灰 度 级别 ; m 代表 安 全系数4 37 。 当数 据驱动电 路将像素电 压写入存储电容 后， t f t 立即关闭并 将电压 保持在像素电 容上， 直到下一帧时 间新的电 压写入之前，此存储电 压的改 变不 可使显示图像的亮度变化超过一个灰度等级。因此需要 t f t的开关电流比 ( i . i i , ff ) 满足式( 3 . 1 1 ) i i b k m n _v . n g , a v ( 3 . 1 1 ) 以6 位v g a 分辨率显 示基板为 例，安全 系数设定位3 ， 像素电压差为 1 v ，由 上 第三章 金属诱导横向品化低温多品硅薄膜品体管 式可以计算出，开关电流比需要大于 6x3x6 0 0 x5 x6 4 1 = 3 . 5 x 1 0 6 ( 3 . 1 2 ) 第二节 金属诱导横向晶化多晶硅薄膜晶体管的制备 器件的制备过程如图 3 . 3 所示。首先，在 4 英寸的单晶衬底上制备 5 0 0 n m 的 热氧化层作为绝缘衬 底，然后 采用低压化学气相 沉积 ( l p c v d )的 方法在 5 5 0 0 c 下沉积4 5 n m 的非晶硅 ( a - s i ) 层作为金属诱导 横向晶 化的前 驱物。 在非晶 硅表 面用 l p c v d 的方法沉积一层厚度为 1 0 0 n m 的低温氧化物 ( l t o )作为晶化的掩蔽 层。然后使用接近式曝光的方法在掩蔽层上面光刻出长条状的诱导孔。沉积镍 源层以 后把样品 放到5 9 0 0 c , 氮气 气氛下退火2 - 2 . 5 小时， 非晶 硅完全晶化为 多晶硅，然后去除多余的镍和掩蔽层。把样品用 1 2 0 浓硫酸双氧水混合溶液进 行表面清洗， 然后放 到体积比为1 : 5 0 的氢氟酸 溶液中 浸蘸1 分钟， 去处样品表 面的 氧化层后， 用去离子水喷林冲 洗四个循环， 在氮气气氛下甩干。 采用接 触 式曝光光刻出 有源岛图 形， 用f r e c k l e 溶液湿 法腐蚀出 有源岛， 然后用1 2 0 浓 硫酸和双氧水的 混合溶液去胶、 清洗， 之后采 用 1 % 氢氟 酸溶液腐蚀掉表面的自 然氧化 层，用 去离子水清洗甩干之后 采用l p c v d 的方 法在4 2 5 下沉积5 0 n m 的 l t o 作为栅氧化层。 随之， 用 l p c v d 的方法沉积2 8 0 ， 的多晶硅作为栅电极薄膜。 采用接触式光 刻的 方法光刻出 栅电 极图形，然 后用 f r e c k l e溶液湿法腐 蚀出 栅 电极并 用 1 2 0 的 浓硫酸和双氧水混 合溶液去 胶清洗。 对样品 进行轻剂量的离子注入来 调节闭值电 压，采 用硼作为掺杂剂， 注入 剂 量为5 x 1 0 z a t o m s / c m 2 ， 注入能量为1 3 0 k e v 。 然后利用f h 6 8 0 0 l 高温光刻 胶作 为 掩 膜， 分两次 对 t f t 多晶 硅栅及源 漏电极 进行掺杂。 对 n - c h a n n e l 器 件， 采用 磷作为掺杂剂，注入剂量为 4 x 1 0 b a t o m s / c m 2 ，注入能量为 1 3 0 k e v ;对于 p - c h a n n e l 器件， 采用硼作为掺杂剂， 注入剂 量为4 x 1 0 s a t o m s / c m 2 ， 注入能 量 为4 0 k e v . 第三章 金 属诱导横向 晶化低 温多晶 硅薄 膜晶体管 品( c ) 为电子束蒸发纯镍源多晶硅 t f t 。 样品( a ) 中器件的闽值电压偏移偏离样品 ( b ) 和样品( c是因 为， 通过分析 金属诱导晶化 得到的多晶硅薄 膜材料属于弱 n 型材料，所以为了调节闭值电压而对沟道进行轻剂量的离子注入，而注入剂量 的偏差就会导致闭值电压的整体漂移，这个问题可以通过多次实验找出最佳注 入剂量而得到解决。 从图中可以 看出， 样品( a ) 和样品( b ) 中的 被测器件闽 值电 压有 很好的 一致性， 而样品( c中被测 器件的阐 值电 压离散 较大，这 个结构说明 金属诱导晶化过程以后得到的多晶硅薄膜材料中残余镍的存在会破坏多晶硅材 料的 均匀性， 从而降 低采用此材料作为 有源岛的t f t 闽 值电 压的均匀性。 图3 . 8 所示为磁控溅射混合镍 源多晶 硅材料制备的t f t 器件样品( a ) 和样品 ( b ) 以 及电 子束蒸发纯镍源多晶硅材料 制备的 t f t器件 样品( c的栅 诱导 漏电 流 g 工 d l的均匀性测试结果比较。可以看出样品( c中t f t器件的g i d l 离散程度比 一挤叫.，1:.山之.-j 样品( a ) 大将近6 倍， 比 样品( b ) 大4 倍。 这个结 果也反映出多晶硅材料 中残余镍的作用。 通过上面 p o l y - s i t f t阐值电压和栅诱导 漏电流均匀性的分析可 以看出， 和常规的电子束 蒸发纯镍源方法相比， 采 用磁控溅射混合镍源获 得的多晶硅薄膜材料制 备的 t f t具有更 好的 均 匀性， 尤其是在