低溫p-Si薄膜的制備研究

引言

近年來，有源液晶顯示技術(shù)在液晶顯示產(chǎn)業(yè)和研究領(lǐng)域都獨(dú)占鰲頭。在有源液晶顯示技術(shù)中，多晶硅薄膜因高遷移率展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它的器件尺寸小，可以獲得更高的開口率和分辨率；由于遷移率的提高可以將周邊驅(qū)動(dòng)集成于顯示板內(nèi)部，可以有效降低材料成本，同時(shí)LCD 整體的重量和厚度將會(huì)大幅度的減少。

目前，人們對(duì)多晶硅薄膜技術(shù)的研究主要集中在降低晶化溫度和減少晶化時(shí)間上，金屬誘導(dǎo)晶化是一項(xiàng)很有潛力的新技術(shù)方案，晶化溫度可降低到500℃，晶化時(shí)間可以縮短。例如Al, Cu, Au, 或 Ni 等沉積在a-Si:H上或離子注入到a-Si:H 薄膜的內(nèi)部，由于金屬的誘導(dǎo)作用，a-Si的晶化溫度低于a-Si的SPC溫度。準(zhǔn)分子激光退火是制備較高遷移率p-Si薄膜的另一有前途的方案，它具有晶化程度高，制備周期短，襯底溫度低等一系列突出的優(yōu)點(diǎn)，呈現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。

金屬誘導(dǎo)法制備多晶硅薄膜

1.金屬誘導(dǎo)晶化機(jī)理

Hayzelden認(rèn)為，Ni誘導(dǎo)晶化的發(fā)生是由于NiSi2的遷移，由于NiSi2的晶體結(jié)構(gòu)和Si的晶體結(jié)構(gòu)相近，晶格常數(shù)相差0.4%，在低于350℃形成NiSi2，作為籽晶，晶化溫度可降低到500℃以下。a-Si 在以NiSi2為媒介晶化為多晶硅，硅的晶化是在NiSi2八面體的一面或多面成核。NiSi2的電阻率很低，35uΩ·cm，晶格常數(shù)和多晶硅相匹配。金屬誘導(dǎo)晶化被認(rèn)為是由于在界面處金屬的自由電子和Si的共價(jià)鍵反應(yīng)。NiSi2和Si之間的微小的晶格不匹配（0.4%），使Si容易在NiSi2（111）面生長。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖1(a)~(c)為Ni-MIC p-Si薄膜在440℃，480℃，520℃退火4h的XRD譜圖，圖2(a)~(c)為Ni-MIC p-Si薄膜在440℃退火2h、4h、10h的XRD譜圖。在XRD衍射譜圖上出現(xiàn)多晶硅的特征衍射峰，d=3.13A(111). d=1.91A(220).和d=1.63A(311)，a-Si晶化沒有優(yōu)選晶向。XRD衍射峰的強(qiáng)度隨著退火時(shí)間的延長和退火溫度的升高而增強(qiáng)。說明薄膜的晶化強(qiáng)度隨著溫度的升高和退火時(shí)間的增加而增強(qiáng)。

圖3為a-Si和a-Si/Ni在440℃退火4h的喇曼光譜圖，a-Si譜圖上在480cm-1處存在一寬的TO聲子峰，Ni存在時(shí)其喇蔓譜圖在520cm-1處有一個(gè)尖銳的TO聲子峰，其半峰寬（Full Width at Half Maximum）是5.0cm-1，大于單晶硅的FWHM 4.5cm-1，說明薄膜為多晶結(jié)構(gòu)。由于Ni的存在，a-Si在440℃退火處理后，在480cm-1處沒有觀察到a-Si的特征峰，說明薄膜完全晶化為多晶結(jié)構(gòu)。

激光退火法制備多晶硅薄膜

1.激光退火法制備多晶硅薄膜原理

a-Si在激光輻射下吸收能量，激發(fā)了不平衡的電子-空穴對(duì)，增加了自由電子在導(dǎo)帶的能量。“熱”電子-空穴對(duì)在熱化時(shí)間(約為10-11~10-9s)內(nèi)用無輻射復(fù)合的熱途徑將自己的能量轉(zhuǎn)給晶格，導(dǎo)致近表層極其迅速地（約為1010K/s）升溫。由于a-Si材料具有大量的隙態(tài)和深能級(jí)，無輻射躍遷是主要的復(fù)合過程，因而具有較高的光熱轉(zhuǎn)換效率。若激光的能量達(dá)到閾值能量密度EC時(shí), 即使半導(dǎo)體加熱至熔點(diǎn)溫度，薄膜的表面會(huì)融化，融化的前沿會(huì)以約10m/s的速度深入材料內(nèi)部，經(jīng)過激光照射，薄膜形成一定深度的融層，停止照射后融層開始以108-1010K/s的速度冷卻，而固相和液相之間的界面將以1~2m/s的速度回到表面。冷卻之后，隨著薄膜的整體溫度下降，在溫度較低的固液界面將優(yōu)先發(fā)生非均勻成核，晶核將沿膜的橫向和縱向長大。當(dāng)晶粒相互碰撞后，晶粒停止橫向生長。僅有部分“幸運(yùn)”晶粒的尺寸較大。若激光的能量小于閾值能量EC，即所吸收的激光能量不足以使表面升溫至熔點(diǎn)，則薄膜不發(fā)生晶化。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖4不同激光能量密度掃描所獲得薄膜材料的XRD 衍射結(jié)果，實(shí)驗(yàn)中所使用的襯底溫度為400℃、背景真空度為3.2x10-4Pa，激光脈沖頻率為3HZ。結(jié)果表明，在所使用的激光能量密度范圍內(nèi)，厚度為100nm的a-Si:H薄膜經(jīng)激光晶化燒結(jié)已轉(zhuǎn)化成為多晶硅，其臨界能量密度為160mJ/cm2左右。在能量密度為240mJ/cm2 時(shí)，XRD譜中已出現(xiàn)了多晶硅的（111）、（200）特征衍射峰，以后隨著激光能量密度的增加，（111）、（200）衍射峰的強(qiáng)度增強(qiáng)，在能量密度340mJ/cm2附近，（311）衍射峰也開始出現(xiàn)。從圖中可以看出，在所使用的掃描能量密度范圍內(nèi)，a-Si:H薄膜都已出現(xiàn)了由非晶相到結(jié)晶相的轉(zhuǎn)變，其中晶面擇優(yōu)化取向的次序?yàn)?(111)>(220)>(311)。隨著掃描能量的增加，（111）峰強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，而（220）峰則增長緩慢，特別是在激光能量密度增加到456mJ/cm2時(shí)，（220）峰反而減弱，顯示出較高掃描能量密度時(shí)，（111）顯著的擇優(yōu)化取向趨勢(shì)。

圖5是使用不同脈沖頻率激光光束掃描后所獲得薄膜材料的XRD衍射結(jié)果。這時(shí)所使用的激光能量密度恒定為340mJ/cm2，襯底溫度及背景真空度仍分別為400℃和3.2x10-4Pa。從圖中可以看出，在較低的掃描激光脈沖頻率下，a-Si:H薄膜也出現(xiàn)了由非晶相到結(jié)晶相的轉(zhuǎn)變。同時(shí)，隨著掃描激光脈沖頻率的增加，（111）、（220）都逐漸增強(qiáng)，表明材料的晶粒尺寸也在逐漸增大。這是由于隨著單位時(shí)間內(nèi)薄膜受光次數(shù)的增加，薄膜溫度下降速度減慢，固化速度降低，晶粒生長時(shí)間延長，尺寸增大。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于類似的原因，在激光掃描燒結(jié)中，提高襯底溫度，也可以起到降低熔體固化速度、延長晶粒生長時(shí)間的作用。因此，在襯底可以承受溫度前提下，采用較高的襯底溫度，有利于獲得較大晶粒尺寸的多晶硅薄膜材料。

圖6是采用不同激光能量密度退火時(shí)所得薄膜材料的Raman光譜圖。由于a-Si:H薄膜的Raman吸收出現(xiàn)在480c-1附近，而Poly-Si出現(xiàn)在520cm-1附近。因此，準(zhǔn)分子激光退火多晶硅薄膜材料的結(jié)晶度也可以從Raman光譜中獲得重要信息。從圖中可以看出，隨著激光能量密度的升高，結(jié)晶度開始時(shí)逐漸增大，以后又隨著能量密度的增高，結(jié)晶度開始下降。這是由于，與能量密度相對(duì)較低的情形相比，能量密度的增高導(dǎo)致薄膜的熔融時(shí)間延長，成核密度增大，這樣在局部區(qū)域出現(xiàn)微晶化或非晶化，使薄膜整體的結(jié)晶度下降。

小結(jié)

我們采用激光退火和金屬誘導(dǎo)兩種方法在a-Si∶H薄膜基礎(chǔ)上制備了p-Si薄膜材料，對(duì)在玻璃襯底上制備多晶硅薄膜材料的工藝條件及所獲得薄膜材料的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上可以制作低溫p-SiTFT液晶顯示器件，能夠?qū)ξ覈壕э@示行業(yè)的技術(shù)進(jìn)一步提供一些有益的探索。