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1、2 0 0 6材料及器件晶化硅薄膜晶体管器件的研究李娟，吴春亚，孟志国，熊绍珍南开大学光电子所，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天津，3 0 0 0 7 1 张芳科技部高技术研究发展中心，北京，1 0 0 0 4 4摘要本文对一种晶化硅材料及其T F T 器件进行了详细讨论。发现这种硅薄膜材料具有纵向生长的不均匀性。其晶化百分比、晶粒尺寸等性质与膜厚有关。综合考虑“孵化层”和暗电导等因素并比较了不同硅烷浓度制备有源层的T F T 器件性能认为，用于底栅T F T 有源层的晶化硅薄膜合适的硅烷浓度应不低于3 。同时发现S i N x 绝缘层衬底有促进晶化的作用(
2、约2 0 左右) 。得到的晶化硅T F T 显示出了比传统非晶硅T F T 更好的稳定性。1 引言目前，非晶硅薄膜晶体管( a S iT F T ) 已广泛应用于A M L C D 、A M O L E D 等平板显示技术。三星、L G ，夏普等公司正开始投资兴建a S iT F T8 代线。今年在2 0 0 6 年6 月4 号才开幕的S I D 国际会 义上，L G 菲利普展示了当前世界最大的1 0 0 ”a S iT F TA M L C D ，这些都说明a S iT F T 无论是从研究还是从产业化角度，其发展均非常迅速。但另一方面，它存在的一些固有问题，如迁移率较低，稳定性较差等也限制
3、了它的进一步发展，尤其是在高分辨率，电流驱动型的 A M O L E D 中的【l 垃用，问题则更加突出。低温多晶硅( L T P Sp o l y S i ) 可以解决这个问题，但其无论采用何种晶化工艺，均是两步晶化法，工艺复杂，成本较高，也给其实际应用带来不足【21 0 针对这个问题，我们提出一种具有较低晶化率的可直接沉积的硅材料及其T F T 器件，它既保留了传统非晶硅低温大面积的直接沉积能力，具有与其兼容的制备工艺，又具有比非晶硅T F T 更高的场效应迁移率。从而提高T F T 器件的驱动能力。另外，以这种晶化硅为有源层的T F T 器件还具有良好的稳定性。因此，它可以在不增加成本的
4、基础上有效改善传统非晶硅T F T 性能，为此，我们对这种晶化硅材料及其T F T 器件进行了详细的研究。2 实验采用超高频等离子体增强化学气相沉积技术( V H F P E C V D ) 制备系列硅基薄膜。V H F P E C V D 的激发频率为6 0 MH z ，硅烷浓度s c ( s c = s i H 4 ( s i H 4 + H 2 ) ) 在0 6 7 到4 问变化，压强、激发功率和衬底温度均固定在合适范围。采用R e n i s h a wM K l 2 0 0 0 型显微R a m a n 光谱仪研究微晶硅薄膜的晶化情况，光源为波长6 3 2 8 n m 的H e N
5、e 激光器。以下式算得的晶化体积比( x c ) 来表征薄膜的晶化率：X c = I c ( I c + l a ) = ( 1 5 2 0 + 1 5 l o ) ( 1 5 2 0 + 1 5 l o + 1 4 8 0 )( 1 )其中I i 为喇曼谱峰经拟合后对应不同峰位的强度，i 代表5 2 0 ，5 1 0 或4 8 0 c m l ，它们分别代表晶体硅、晶化硅和非晶硅的谱峰位置，I a 代表非晶部分，而I c 代表所有晶化部分的强度总和。1 5 2 0 + I 。+ I 。8 。是所有峰位所对应的喇曼散射强度之和。底栅型晶化硅T F T 采用与传统非晶硅T F T 兼容的的四版工
6、艺制备。采用1 0 0 2 0 0n m 的S i N 。作为栅绝缘层，V H F P E C V D 连续沉积1 2 0 1 6 0a m 的本征晶化硅和5 0 n m 的n +接触层，光刻并湿法刻蚀出硅岛。以铝为栅电极和源漏电极材料。源漏电极形成后背沟腐蚀出有源沟道区，最后打开底栅的接触孔。3 结果和讨论3 1 晶化硅材料这种晶化硅实际上是一种过渡区硅材料【3 】，其晶化百分比一般为3 0 一5 0 。图l 为晶化硅的透射电子显微镜( T E M ) 照片。可清楚看出薄膜从玻璃衬底开始生长到长成过渡区材料的结构变化过程。即从玻璃衬底开始，先生长的是一结构无序( 显示结构比较平滑) 的、常被
7、称为结晶孵化过程的“孵化层”，然后有一个渐变区，到逐渐成长出一个具有完整徽晶粒( 由黑线描述) 的过渡区硅材料。凶此，这种晶化硅薄膜是微晶粒镶嵌于非晶硅网络中的结构。图2 给出不同硅烷浓度( S C ) 制备的硅薄膜材料的晶化百分比和S C = 2 时薄膜的晶粒尺寸( 由薄膜的X R D 谱，根据德拜一谢耳( D e b y e S c h e r r e r ) 公式计算得到) 随膜厚的变化曲线。这两个图说明，随硅烷浓度的增加，X c 随生长厚度以指数式曲线变化的趋势。S C 增加其饱和品化率下降，同时指数增长的速率变慢，表明孵化层会随硅烷浓度的增加而增厚。另外，由图2 ( a ) 可以清晰
8、看出，晶化硅膜的生长，其晶粒尺寸并不是迅速长大的。而是有一个孵化过程。图2 ( b ) 示出，在S C = 2沉积晶化硅薄膜内，其晶粒尺寸随生长厚度增而增大的示例。呈现出随生长厚度的增长，其经过一个非晶阶段( X c =0 ) ，然后逐渐长大，亦呈现出一个明显的过渡阶段。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。图3 中薄膜生长起始阶段和终止阶段的扫描电子显微镜( S E M ) 照片也清楚的证明了这一点。孵化层的存在将会使晶化硅T F T 不能表现出较传统非晶硅T F T 明显的优越性，尤其对于底栅微晶硅T F T ，这种影响更为显著。我们通过实验发现，降低硅
9、烷浓度是减薄孵化层厚度的有效方法【4 】。但另一方面，硅烷浓度降的太低也会带来一些负面影响。过低的硅烷浓度会导致沉积速率明显降低，例如S c = 0 6 7 的微晶硅薄膜其沉积速率仅为0 5 s 一0 6 8 s 。此时薄膜的激活能也会很小，约0 1e V 一0 2e V 。由于在硅薄膜的生长过程中，氢原子对非晶相网络结构中弱s i s i 键的刻蚀作用与硅膜生长是I 司时存在的，氢原子对非晶硅的过度刻蚀会使薄膜中出现大量的微空洞；氧的渗入造成后氧化，从而使激活能显著降低【5o 施主型杂质的氧使本征有源层偏向n 型，这将使其暗电导率很大( 1 0 “S c m ) ，导致T F T 栅调制效应
10、的衰退同时带来大的泄漏电流。综合考虑孵化层、沉积速率以及暗电导等各方面的因素，仅从材料角度考虑，我们认为用于底栅T F T 的晶化硅材料的硅烷浓度不宜低于2 ( 2 ) ，这个范围还需根据器件性能进一步确定。3 2 晶化硅T F T 器件底栅T F T 器件以与传统非晶硅T F T 兼容的的踏版工艺制备。所制备的T F T 没有经过其它的处理过程( 如界面处理或后退火处理等) 也没有L D D 结构。图4 为分别在不同硅烷浓度下制备的晶化硅T F T 转移特性曲线。其中的插图为各有源层的喇曼谱和晶化百分比。可以看到，当S C = 2 时，T F T的转移特性曲线几乎为一直线，失去栅调制效应。这
11、是因为，有源层的硅烷浓度相对较小导致其暗电导较高，说明其有源层的费米能级已经非常接近带尾，栅感应的电荷大部分被带尾缺陷态俘获，致使器件失去栅调制效应。而当S C 2 ( 等于3 或4 ) 时，则表现出明显的栅涧制效应。对于S C = 3 的晶化硅T F T ，其开关比( I If f ) 可达6 个数量级，场效应迁移率为0 5c m 2 V S C C ，阈值电压为4 3 V 左右。因此，对于用底栅T F T 有源层的晶化硅薄膜，其S C 应3 。我们注意到由材料和T F T 器件性能比较分析得到不同的硅烷浓度范围。认为这是由于在材料研究过程中是将晶化硅薄膜沉积在玻璃衬底上，而T F T 的有
12、源层则直接沉积在S i N x 绝缘层上，而S i N 。具有促进硅基薄膜晶化的作用。我们对分别在玻璃衬底和S i N x , J “ 底沉积的硅基薄膜的喇曼曲线按高斯分布进行三峰拟合( 拟合结果略) 。拟合数据表明，在相同沉积条件下，在S i N x上生长的硅基薄膜比在玻璃上的硅基薄膜，有增长晶化率2 0的效果。通过原子力显微镜( A F M ) 的测试表明S i N x 的衬底表面存在的很多大颗粒状物，提供了成核条件起到促进晶化的作用。这个J 、口J 题我们在另文中进行了详细讨论【6 】。图6 给出我们制备的晶化硅T F T 的开态电流随施加偏压时间的变化。可以看到，晶化硅T F T 的衰
13、退在2 0 一2 5 ，要比文献【1 】中所报道对应a S iT F T 的衰退在5 0 以上的结果要优异。I 司时，我们还发现这种晶化硅T F T 具有一种新颖的“自恢复”效应，将另文讨论。总之，晶化硅T F T 有效的改善了传统非品硅T F T 性能，相信通过工艺和结构的进一步优化。可以得到更高的场效应迁移率。4 结论提出一种新颖的晶化硅T F T 。这种晶化硅材料是微晶粒镶嵌于非晶硅网络中的结构，其晶化百分比一般为3 0 5 0。薄膜的生长具有纵向不均匀性，在薄膜生长的起始阶段存在一完全非晶相的“孵化层”。综合考虑“孵化层”和和材料暗电导率等因素，认为用于制备底栅T F T 有源层的晶化
14、硅薄膜的硅烷浓度应大于2 。但通过T F T 器件性能的进一步分析比较，确定合适的硅烷浓度范围应不低于3 。测试结果表明这主要是由于T F T 器件中的S i N x 绝缘层衬底有促进晶化的作用( 约2 0 左右) 。在合适条件下制备的晶化硅T F T 显示出了比传统非晶硅T F T 更好的稳定性，相信通过工艺和结构的优化，可以进一步提高场效应迁移率。参考文献：1J i i n - j o nL i h ，A M O L E DB a c k p l a n e s ：A m o r p h o u s S i l i c o nV S P o l y S i l i c o n ，I n f
15、 o r m a t i o nD i s p l a y ，2 0 0 4 ，2 0 ，N o 6 ：1 8 - 2 12R E I S c h r o p p ，B S t a n n o w s k i ，J ，K R a t h N e wc h a l l e n g e si nt h mf i l mt r a n s i s t o r ( T F T ) r e s e a r c h J o u r n a lo fN o n C r y s t a l l i n eS o l i d s ，2 0 0 2 ，2 9 9 3 0 2 ：1 3 0 4 1 3 1 03 熊
16、绍珍等，报本次会议文章4L iJ u a n ，Z h a oS h u y u n ，X i o n gS h a o z h e n ，e ta 1 C h i n e s eJ o u r n a lo fS e m i c o n d u c t o r s ，2 0 0 5 ，6 ( 6 ) ：1 7 2 15N a m i t aD u t t aG u p t a ，P a r t h aC h a u d h u r i E f f e c to fo x y g e nc o n t a m i n a t i o no nt h ep r o p e r t i e so ft h es i l i c o nh y d r o g e na l l o ym a t e r i a l sd e p o s i t e du n d e rc o n d i t i o n
