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1、2 0 0 5 年1 1 月第十四届全国半导体集成电路、硅材料学术会议珠海 底栅微晶硅薄膜晶体管研究 熊绍珍，李娟，刘建平，赵淑云，吴春亚，孟志国 南开大学光电子所，天津，3 0 0 0 7 1 天津市光电子薄膜器件与技术重点实验室 张丽珠 天津工程师范学院，天津，3 0 0 2 2 2 摘要：本文对底栅微晶硅T F T 致为关键的微晶硅材料生长孵化层问题进行了详细讨论，发 现低硅烷浓度是减薄该层厚度的有效途径。同时发现以S i N x 为栅绝缘层对随后在其上生 长的硅基薄膜有促进晶化的作用( 约2 0 ) ，故底栅微晶硅T F T ，硅烷浓度不宜低于3 。 1 、引言 因有机发光器件优异的自
2、发光、快速响应与宽视角特色，自1 9 8 7 年C w T a n g 双 层薄膜型O L E D 研制成功以来i “，无论是从有源选址有机发光显示屏( A M 一0 L E D ) 的研究还 是产业化角度，其发展均非常迅速。由今年5 月在美国波士顿召开的信息显示学会年会 ( S I D 0 5 ) 上韩国三星展示出尺寸可与L C D 抗衡的4 0 英寸非晶硅薄膜晶体管( a - S iT F T ) A M O L E D 样机，其性完全能与A M L C D 媲美，有望成为L C D 有力的竞争对手埋j 。但是鉴于a Si T F T 的不稳定性，尤其在用于电流型驱动的A M - O L
3、E D 中，这种不稳定性更为突出。“。采用 多晶硅的薄膜晶体管( p o l y - S iT F T ) ，如固相晶化、( S P C ) 、准分子激光退火( E L A ) 、金 属诱导晶化( M I C ，M I L C ) 等，均能够良好的 解决T F T 的稳定性问题。然而p o l y S iT F T ， 无论采用何种晶化工艺，均是两步晶化法， 给其实际应用带来不足。近年人们的研究 又发现，微晶硅一S iT F T 具有一种尚未明P a s s i v a f i o n 了其机理的“可恢复不稳定效应”。4 ，这给 l a v e r 人以希望去解决A M - O L E D 应
4、用中的实际问 题。为此我们探索这种能自恢复、能够与 a - S iT F T 工艺非常相容的具有大面积能力 的微晶硅薄膜晶体管( 一S iT F T ) 是很 图1 底栅微晶硅T F T 的结构示意图 有意义的。 图l 给出底栅微晶硅T F T 的 结构示意图。由图可知。源漏间的 电流路径主要受栅绝缘层和交界 面处微晶硅特性限制。因此，底栅 结构的T F T ，其性能除受界面态影 响之外，更强烈地依赖于有源层微 晶硅生长的起始状态，故研究的第 一步是其起始层问题。 2 、玻璃衬底上生长微晶硅存在孵 化层訾纛山撕睇硅瞄谲酣黑黼 图2T E M p h o t o g r a p h yo f 伍
5、ep c s i f i l m 图2 示出微晶硅膜透射显微 固 “一卜”1 镜( T E M ) 的图像，可清楚看出微晶d e o o s i t e d b y V H F - P E C V D w i m S C - - 4 硅薄膜从玻璃衬底开始生长到长成完整微晶硅膜的结构变化过程。即从玻璃衬底开始，先 3 6 1 2 0 0 5 年1 1 月第十四届全国半导体集成电路、硅材料学术会议珠海 生长的是一结构无序( 显示结构比较平滑) 的、常被称为结晶孵化过程的“孵化层”，然 后有一个渐变区，到逐渐成长出一个较为完整的微晶硅材料( 由黑线描述) 。已知微晶硅 薄膜是由非晶、微小晶粒、晶粒间
6、界和空洞组成的一种混和相材料I 。；。由图2 可知，微晶 硅确实是晶粒镶嵌于非晶硅网络中的混合结构。正是这种镶嵌，在材料结构中必然包含着 间界，以及由于微晶硅的柱状生长特征而导致的在各个不规则柱体之间的缝隙( 空洞) 的 存在。其孵化层的厚度，图中很难于清晰定义。为此我们在微晶硅生长的过程中将薄膜分 时断取出，进行膜厚、R a m a n 与X R D 谱的测量，以确定一定厚度下的晶化情况，从而得出 晶化体积比( c r y s t a l l i n ev o l u m ef a c t o r ) X c 随厚度增长趋势，其结果由图3 示出。 图3 ( a ) 给出硅烷浓度为S c =
7、4 时生长薄膜的厚度与时间、以及其相应厚度下的晶 化率的关系曲线。可见厚度几乎随时间线性增厚，而晶化率随沉积厚度的增长而指数式地 长大。插图数据显示指数增长的特征长度。图3 ( b ) 给出不同硅烷浓度下其晶化率随厚度 增长的趋势。插图为S C = 0 6 7 的拟合参数。在此我们提出一个描述孵化层厚度的方法：以 拟合指数曲线的特征常数t 1 为孵化层厚度。因为从指数拟合的概念，该常数表征的是晶 化率随厚度变化速率发生变化的转折点。在它之下，增长速率是大的，而在它之上，增长 速率变缓直至饱和。我们用这个转折点来描述孵化层厚度，仅是一个定性的表述方法以描 述此过渡过程。 8 炙 图3 表征孵化层
8、存在的示意图。( a ) 硅烷浓度S C 为4 各时段沉积薄膜的厚度随时间、以及晶化 体积比X c 随相应厚度的变化关系；( b ) 不同浓度下沉积薄膜晶化比x c 随厚度增长的趋势： S C 越大，X c 增长趋势变慢、同时饱和x c 值降低。 另外，从图3 ( b ) 亦看到随硅烷浓度S C 的 变化该指数式变化的趋势。S C 增加其饱和晶化 率下降，同时指数增长的速率变慢，亦即，特征 常数将随之增大，表明孵化层会随硅烷浓度增 厚。由此看出，我们这样定义是有一定意义的。 由这些样品的X R D 测试图谱，以 晶向 谱峰的半高宽，按照德拜一谢耳 ( D e b y e S c h e r r
9、 e r ) 公式，可计算出相应厚度下 的晶粒尺寸以及它们随厚度的变化。图4 给出 S c = 2 的结果示例，插图为对应 半高宽与 厚度的关系( 可见它们正好成反比) 。此图同样 显示，随生长微晶硅厚度的增长，其晶粒尺寸随 O2 4 0 06 0 08 1 0 0 01 瑚1 4 0 01 8 T h l c k n e ( A 图4 微晶硅生长过程中晶粒尺寸逐渐 长人的过程 之长大，亦呈现出一明显的过渡阶段。这个过渡阶段即是其原子聚集、成核、晶粒长大的 过程。这些均证实孵化层的存在。由图3 ( b ) 可知，此厚度明显地受硅烷浓度调制，S c 越 啪 湖 咖 啪 o 2 1 1 置量墨。
10、2 0 0 5 年1 1 月第十四届全国半导体集成电路、硅材料学术会议珠海 小，孵化层越薄，而由晶粒尺寸的变化表明它是由非晶到晶粒逐渐长大的。 3 、衬底对微晶硅材料的影响 上述结果均来自玻璃衬底上生长微晶硅薄膜的测试结果。试验发现，以相同生长条件 在不同衬底上生长微晶硅，将得到晶化率不同的微晶硅薄膜，表明衬底对薄膜生长存在明 的显影响j 。图5 给出在玻璃衬底上、氮 化硅( S i N x ) 衬底以及在S i N x 底部处于 栅线的台阶边沿( o ns t e p ) 生长所得微晶 硅膜的喇曼测试的比较。生长条件是在同 一系统、相同条件下沉积而得，即以硅烷 浓度2 ，衬底温度2 2 0
11、、生长时的反 应气压为1 0 0P a ，激发功率为1 5 瓦。由 图可见，在栅线边沿有台阶的地方，生长 的微晶硅薄膜的晶化率最大，S i N x 上的 次之，在7 0 5 9 玻璃上晶化率最低。 为了定量了解不同衬底对晶化率影 响的程度，我们对图5 所示喇曼曲线按高 斯分布进行三峰拟合，拟合结果分别由图 6 ( a ) ( b ) ( C ) 表示。拟合数据表明，在 相同条件下生长在玻璃上的微晶硅，其晶 j 墓 釜 罂 罢 2 3 0 04 0 05 6 7 0 0 8 W a v en u m b e r ( c m 1 ) 图5 相同条件下在不同衬底上沉积微 晶硅的晶化率比较 化率为4
12、4 ，而在S i N x 上的微晶硅的晶化率达到6 3 8 ，几乎比玻璃上的高出2 0 ，表 明S i N x 衬底具有促使晶化的作用( 约增大2 0 的效果) 。而是在台阶边缘上长的微晶硅不 仅是厚度显得厚( 因为其喇曼散射峰的强度明显增高) ，而且晶化率为6 5 9 ，比在S i N x 上的还高出2 。显然如果还按照玻璃上生长薄膜的硅烷浓度来沉积T F T 有源层的话，势 图6 对图5 所示不同衬底上喇曼曲线拟合结果 必会引来其他问题，如过分大的晶化率，使电导明显增高，从而会使沟道电导相应变得很 大，进而加大漏电电流( 即使关态电流I 。盯大) 。这是我们所不希望的。 为什么S i N
13、x 衬底会有增强微晶硅薄膜晶化率的作用? 我们对玻璃和S i N x 衬底进行了 A F M 的测试分析，结果如图7 ( a - b ) 所示。图7 ( a ) 是S i N x 衬底的A F M ，7 ( b ) 为玻璃衬底的A F M 。 由图可以清晰看到，原始S i N x 的衬底，显示很粗糙，起始表面就存在很多大颗粒状物， 而在玻璃表面则较为光滑。我们认为S i N x 这种粗糙表面提供的成核条件，故沉积薄膜易 于晶化，就像高绒面T C O 膜也会使薄膜晶化率增高一样| 。我们对在S I N x 上分别以2 和 4 硅烷浓度沉积的微晶硅膜再次进行A F M 测量。测试结果示于图7 (
14、c d ) 之中。由图7 ( C ) 给出的2 硅烷浓度下生长微晶硅薄膜的A F M 可见，较高的氢稀释率( s c = 2 ) ，使得生长的 微晶硅薄膜非常稀松，出现较多类空洞的结构。这一方面来源于高氢稀释的刻蚀能力增强， 另外大颗粒S i N x 衬底的贡献也是不容忽视的。对硅烷浓度在4 的薄膜( 参见图7 d ) ，其表 3 6 3 蝴 垂 咖 喜堇 咖 喜| 。 3 2 2 1 1 2 0 0 5 年1 1 月第十四届全国半导体集成电路、硅材料学术会议珠海 面致密而且表面高低起伏较小( 颜色差异不大) 。考虑到它最终的晶化率在5 0 以内( 见 图3 ) ，选用它作为T F T 有源层
15、沉积时的硅烷浓度条件的选择可能是合的。 图7 玻璃和S i N x 衬底以及在S i N x 上沉积微晶硅薄膜A F M 图像比较 ( a ) S i N x , ( b ) 玻璃，( c ) 以2 硅烷浓度沉积的p c - S i ，( d ) 4 浓度沉积的p c - s i 4 、过渡区微晶硅T F T 的制备 依据以上讨论我们在硅烷浓度为4 及 相应其他沉积条件下，以与a S iT F T 相容的 4 块掩模版工艺、尚未任何优化条件下制备 出“c - S iT F T ，其转移特性曲线如图8 所示。 在沟长为6 0 9 m ，宽长比小于l 的情况下，其 开关比为1 0 5 ，场效应迁移
16、率在0 5 c m 2 V s 量级。插图为该T F T 有源层的R a m a n 谱。其 晶化比X c = 4 4 。按图3 所示玻璃衬底上S C = 4 对应晶化比随厚度的变化率可知，当有 源层厚约为1 2 0 0 A ，其X c 约为2 4 ( 见图3 中的点画线所对应的数值) ，考虑到S i N x 衬 底对晶化有约2 0 的促进作用，该插图所示 X c = 4 4 ，表明这种估算有良好的相符性。 图8 p c S i T F T 转移特性曲线 5 、结语 ， 底栅微晶硅T F T 的关键是尽量减薄有源层微晶硅生长时的孵化层，但底栅结构有源层 是生长在表面粗造的S i N x 栅绝缘层上的，考虑到这种衬底对晶化的促进作用，硅烷浓度 不宜低于3 。 参考文献： 1 c w T a n g ，S A V a n S l y k e ，( A p p l P h y s L e t t ，5
