多晶硅薄膜材料与器件研究进展

本文由ｄｅａｔｈｌｏｒｄｘｐ贡献 ｐｄｆ文档可能在ＷＡＰ端浏览体验不佳。建议您优先选择ＴＸＴ，或下载源文件到本机查看。 国外建材科技 ２０　年　０６ 第２　卷　７ 第　３期 多晶硅薄膜材料与器件研究进展 熊家国 武汉理工大学　）　（ 摘 要　：　多晶硅薄膜材料一直在半导体领域扮演着重要的角　色　。　综　述　了　多　晶　硅　薄　膜　材　料　及　其　器　件　的　特　点　、　备　方　制 法及研究进展　。 关键词　：　多晶硅薄膜　；　多晶硅薄膜器件　；　应用 自　１６　年　多　晶　硅　薄　膜　开　始　在　集　成　电　路　中　被　用　９４　以　作隔　离　材　料　，　及　１　６　年　出　现　第　一　例　多　晶　硅　ＭＯＳ　９６　场效　应　晶体管以　来　，　晶　硅　薄　膜　的　研　究　有　了　很　大　的　多　进展，　在一些半　导　体　器　件　和　集　成　电　路　中　得　到　了　广　泛　应用　。　例如　，　ＭＯＳ集成电路中　，　在　重掺杂多晶硅薄膜　常用作电容器的极板　、　ＭＯＳ随机存储器电荷存储元　件的极板　、　浮栅器件中的浮栅　、　电荷偶合器件中的电　极　等；　掺　杂　多　晶　硅　薄　膜　常　常　用　于　集　成　电　路　中　的　轻　近　ＭＯＳ随机存储器的负载电阻器及其它电阻器等　。　随着各种　薄　膜　半　导　体　材　料　在　制　备　大　面　积　器　件　年来，　取得的巨大进展　，　一个新的领域　，　即大面积微电子学　应运而生　。　由于多晶硅薄膜同时具有单晶硅材料高　迁移率及非晶硅材料可大面积　、　低成本制备的优点　，　因此多晶硅薄膜在大面积微电子器件及大面积低成　本薄膜太阳能电池等方面有着越来越重要的应用价　值　。　文章结合国内外多晶硅薄膜材料及其器件的研　究动态　，　综述了多晶硅薄膜材料及其器件的优点　、　制　备方法及应用前景　。 积　在　衬　底　上　。　典　型　的　沉　积　参　数　是　：　烷　压　力　Ｐ＝　硅　生长速　８　～６　０℃；　１　．　～２　．　ａ　沉积温度　Ｔ　＝５　０　３　３　３　６　６Ｐ　；　ｄ　率　Ｖ　～１　ｍ／　ｎ　由于沉积温度较高　，　不能采用　＝５　０ｎ　ｍｉ。　廉价的　玻璃　做衬　底　材　料　，　必　须　使　用　昂　贵　的　石　英　衬　而　底　。Ｌ　Ｃ　晶　Ｐ　ＶＤ　法　生　长　的　多　晶　硅　薄　膜　，　粒　具　有　择　优 其　内　＜１　０　趋　向　，　形　貌　呈　现　＂　字　形　，　含　高　密　度　的　１＞　Ｖ＂　微孪晶　。　此外　，　减少硅烷压力有助于增大晶粒尺寸　，　但这　往往伴　随着　表　面　粗　糙　度　的　增　加　，　粗　糙　度　的　增　而　加对载流子的迁移率与器件的电学稳定性会产生不　利影响　。　１　２　催化化学气相沉积法　（ａ－　Ｖ　）　．　ｃｔ　Ｄ　Ｃ　催化　Ｃ　１　ＶＤ　方　法　在　低　于　４　０℃　的　温　度　下　直　接　沉　积多晶　硅薄　膜　，　粒　大　小　在　１　０ｎ　左　右　，　尔　迁　移　晶　霍　０　ｍ　率　为　８　１　０ｃ　２／　Ｖ・　ｓ　，　阻　率　在　１　１　３～　～　０　ｍ　（　）电　×　０　６　范围　。　催化方法就是在基片下方　４ｃ　处　１　Ω　ｍ　０　・ｃ　ｍ　钨丝盘　的表面温度　为　１３　０　１３　０℃，　热　功　率　为　加　０～　９　沉　３　０　１０　０Ｗ，　积气　体在流　向基片　的　途　中　受　到　钨　０～　０　丝盘　的高　温催化　作　用　而　发　生　分　解　反　应　，　底　的　实　际　衬　这样就　可以　在常规　的玻璃　基片　上　温　度低　于　４　０℃，　１　直接沉积出多晶硅薄膜　。　１　３　固相晶化法　（　Ｐ　）　．　ＳＣ　这是一种间接生成多晶硅薄膜的方法　。　即先用 放置一个直径　０　３　盘面积有　１　ｍ２，　．　５ｍｍ　的钨丝盘　，　６ｃ １　多晶硅薄膜材料的制备方法 多晶　硅　薄　膜　材　料　的　制　备　方　法　可　分　为　２大　类　：　一　类是高温工艺　，　即制备过程中温度高于　６　０℃，　衬底　０　只能用昂贵的石英　，　但是制备工艺简单　；　另一类是低　温工艺　，　整个加工工艺温度低于　６　０℃，　采用低温工　０　艺可用廉价的玻璃做衬底　，　因此可大面积制作　，　但是　制备工艺相对较复杂　。　目前制备多晶硅薄膜的方法主要有以下几种　：　１　１　低压化学气相沉积法　（　Ｐ　Ｖ　）　．　ＬＣ　Ｄ　低　压　化　学

ｐａｇｅ　１　气　相　沉　积　法，　是　一　种　能　够　直　接　生　成　这　多晶硅的方法　。该方法生长速度快　，　成膜质量好　。多　晶硅薄膜可采用硅烷气体通　过　Ｌ　Ｃ　Ｐ　ＶＤ　方　法　直接　沉　８ ０　ＬＣ　Ｐ　ＶＤ　等方法在　６　０℃　下由硅烷分解沉积非晶硅　，　然后在　５　０　０　之间经　１　～１　０ｈ热退火获得多　３　～６　０℃　０　０　晶硅　。　固相晶化过程包括成核与长大　，　一旦晶核超过　临界尺寸就可进一步长大　。　采用非晶硅固相晶化方　法可以获得比直接　Ｃ　因此可制备　ＶＤ　更好的膜质量　，　一个　明显的　缺点　就　是　热　退　火　时　间　太　长　，　对　于　实　现　这　批量生产是极为不利的　。 出性能更好的多晶　硅薄　膜器件　。　对　于　Ｓ　Ｃ法来说　，　Ｐ 国外建材科技 １　４　准分子激光晶化法　．　其　激　光　晶　化　是　所　有　退　火　方　式　中　最　理　想　的，　主　要　优　点　为　短　脉　冲　宽　度　（　５　５　ｍ）　浅　光　学　吸　收　深　度　１　～　０ｎ　，　在　０　ｍ　（　３　８ｎ　波长下为几十　ｎ　，　ｍ）　短光波长和高能量　，　使　硅　烷　熔　化　时　间　短　（　０　１　０ｎ　）　衬　底　发　热　小　。　因　５　～　５　ｓ，　此，　通过选择还可获得混合晶体　，　即多晶硅和非晶硅　常用的激光器有　３种　：　Ｆ　Ｋｒ　、　ｅ　ｌ相　的混合体　。　Ａｒ　、　Ｆ　Ｘ　Ｃ　，　应　的波长为　１　３ｎ　２　８ｎ　３　８ｎ　由于激光晶化　９　ｍ、　４　ｍ、　０　ｍ，　时初始材料部分熔化　，　结构大致分为　２层　：　上晶化层　和下晶化层　。　能量密度增大　，　晶粒增大　，　薄膜的迁移　率相应增大　。　当硅膜全部融化时晶粒最大　。　但激光　能量受激光器的限制　，　不能无限增大　，　晶化使用的激　光　能　量　密　度　范　围　为　１　０　７　０ｍＪｃ　２；　时　有　文　献　０～　０　／ｍ　同　报道　，　太大的能量密度反而使迁移率下降　，　激光波长　对晶化效果影响较大　，　波长越长　，　激光能量注入硅膜　越　深，　化　效　果　越　好。因　此，　前　大　多　使　用　Ｘ　Ｃ　和　晶　目　ｅｌ　Ｋｒ　，　Ｆ　其吸收深度分别为　４ｎ　和　７ｎ　深入　Ｓ　的深　ｍ　ｍ，　ｉ　度可达　８ｎ　和　１　ｍ，　Ｘ　Ｃ　激　光　器　在低　温　下　可　用　ｅＬ　５ｎ　ｍ　获得大而均匀的多晶硅薄膜　。　除　了　上　述　几　种　制　备　多　晶　硅　薄　膜　的　方　法　外，　它　其　还　有超高真空化学气相沉积（　，　ＵＨＶ／　ＶＤ）　快　速　热　Ｃ　退火　、　电子束蒸发等　。用　ＵＨＶ／　ＶＤ　生长单晶硅时　，　Ｃ　当温　度　小　于　５　０℃　时　，　生　长　出　高　质　量　的　细　颗　粒　多　能　５　晶　硅　薄　膜，　不　用　进　一　步　结　晶　处　理，　是　传　统　的　而　这　ＬＣ　Ｐ　ＶＤ　作不到的　。　因此该　方法很　适　用　于　低　温　多　晶　硅薄膜晶体管　，　但缺点是表面粗糙度大　。　而快速热退　火是另一个　Ｓ　Ｃ方法　，　特点　是温度高　，　时间　短　，　量　产　Ｐ　大。　另外日立公司经研究指出　，　多晶硅还可以用电子　束蒸发来实现　，　温度低于　５　０℃。　３ ２０　年　０６ 第２　卷　７ 第　３期 大提高　。　多晶硅的沉积可以与其它工序在同一工艺　因此可以保护栅极氧化物材料不受污染　，　使　中完成　，　集成电路稳定性提高　。　同时重掺杂多晶硅薄膜做栅　因此　ＭＯＳ晶体管　极材料与硅的电子功函数差降低　，　的开　启电压　降低　不　多　，　启　电　压　的　减　低　可　以　使　充　放　开　电幅度降低　，　因而功率频率提高　，　集成电路的功耗也　且　将随工　作电　压降　低　而　降　低　，　器　件　尺　寸　和　线　距　都　可　减少　，　因此集成度可以提高　。　重掺杂多晶硅薄膜可做　栅极材料　，　还同时作为集成电路内部互连引线　，　这可　虽　然非晶硅在薄膜晶体管（　Ｆ　液晶显示器　Ｔ　Ｔ）　同时非晶　（Ｃ　）　０　Ｌ　Ｄ　市场中占主导地位已经　１　年之久　，　硅薄　膜晶　体管在　平　面　液　晶　显　示　的　驱　动　单　元　、　体　成　固　像传感器　、　电子复印机　、　打印机和扫描仪等领域出显　示　出了广　泛的应　用　前　景　，　之　在　大　面　积　电　子　学　更　显　使　重　要；　非　晶　硅　存　在　很　多　固　有　缺　陷，　电　子　迁　移　率　但　如　低、　储　电　容　高、　径　比　低　以　及　不　能　兼　容　Ｃ　存　孔　ＭＯＳ工　艺等　，　这就　限制　了　它　在　高　清　晰　电　视　和　其　它　高　分　辨　率　可　实　现　自　对　准、　容　Ｃ　兼　尺　孔　ＭＯＳ工　艺　、　寸　大　、　径　比　驱　高　，　动器　电路　可　集　成　于　显　示　衬　底　以　及　驱　动　器　制　作　与相关工艺成本低等优点　，　受到广泛关注　。　目前　，　它　是大面积电子学领域最热门的研究课题　。 大大提高集成电路的设计灵活性　，　简化了工艺过程　。 平板显示器中的应用　。　而多晶硅具有电子迁移率高　，

ｐａｇｅ　２ ３　多晶硅薄膜器件的应用 ３　１　多晶硅薄膜晶体管　．　多晶硅薄膜晶体管由于能提供比非晶硅薄膜晶　体管更　高的迁　移　率　，　快　的　开　关　速　度　和　更　高　的　电　流　更　驱动能力　，　其应用领域十分广泛　。　如高速打印机　、　高　传　三　有　压薄　膜晶　体　管　、　真　机　、　维　集　成　电　路　、　源　矩　阵　液　晶显示器等　。　多晶硅薄膜晶体管在有源矩阵液晶显示器上的　应用是研究最多的一个方面　。　有源矩阵液晶显示器　是　一种　新颖的　液　晶　显　示　技　术　，　的　每　一　个　像　开　关　都　它　由沉积在大面积玻璃衬底表面上构成液晶胞的薄膜　电　子器　（　Ｆ　控制　。　目前　，　是　唯　一　一　种　已　证　明　在　它　Ｔ　Ｔ）　色彩　、　度　、　像　质　量　上　可　与　Ｃ　Ｔ　相　媲　美　的　显　示　技　灰　图　Ｒ　术。目　前　用　作　有　源　矩　阵　Ｔ　Ｔ最　成　熟　的　是　非　晶　硅　技　Ｆ　术，　但是它存在很多问题　，　近年来　，　多晶硅　Ｔ　Ｔ　有源　Ｆ　矩阵　Ｌ　Ｄ　技术受到人们的重视　。　Ｃ　多晶　硅　材　料　的　载　流　子　迁　移　率　比　ａＳ　高　１　２个　－ｉ　～　数量　极甚至　更高　，　此　由　多　晶　硅　做　成　的　扫　描　线　就　可　因　以　缩短　扫描脉　冲　的　传　输　时　间　，　晶　硅　载　流　子　迁　移　率　多　高，　以　用　它　做　成　Ｃ　可　这　ＭＯＳ电　路　，　样　就　可　以　把　液　晶　屏　的外围　驱动　电　路　与　显　示　屏　做　在　同　一　衬　底　上　，　一　即　９ ２　多晶硅薄膜材料与器件的特点 多晶硅一直是制备单晶硅的材料　。　在一段时间　里，　利用单晶硅制造半导体器件和集成电路之后　，　又　同　时　积极使用多　晶　硅　薄　膜　，　显　然　是　为　了　提　高　器　件　这　性能和开辟微电子学新的前景　。　例　如，　用　重　掺　杂　低　电　阻　率　（　阻　率　可　至　利　电　并　１　Ω　ｍ）　晶　硅　薄　膜　做　ＭＯＳ晶　体　管　栅　极　，　可　０　・ｃ　多　连成互链　，　在此基　础上发展的硅　栅　Ｎ　沟道　技　术　促成 －３ 了集成电路的迅速发展　。　多晶硅薄膜代替原来的铝　膜做　ＭＯＳ晶体管栅极后　，　最大的优点是实现了自对　准栅　，　即源　、　、　漏　栅的自动排列和栅极与　栅　ＳＯ２　自　动　ｉ　对齐　。　在用铝做栅极时　，　其长度总是比沟道长度即源　漏间距大些　。　栅极与源区　、　漏区部分重叠产生的寄生　电容会影响　ＭＯＳ的放大器的增益　。　改用多晶硅栅极　后，　这种影响大大减少　，　且集成度和电路快速动作大 国外建材科技 体化技术　。　一体化技术解决了驱动电路和液晶屏的　提高了成品率和可靠性　，　减少了液晶屏与　连接问题　，　驱动电路组成模块的体积和重量　。　对于一体化的液　只　晶　显示模块来说　，　需　要　几　十　条　引　出　腿　和　外　部　控　制　电　路连接　，　而液　晶　屏　与　驱　动　电　路　的　大　量　连　接　问　题　在　模块的制造过程中同时完成　。　由于多晶硅材料的载　以　流　子迁移率高　，　及　采　用　多　层　结　构　可　把　扫　描　和　信　号　线　做得很细　，　用　自　对　准　工　艺　又　降　低　了　栅　漏　之　间　的　采　寄生　电　路　，　Ｒ　延　迟　时　间　进　一　步　减　少　，　此　可　风　，　使　Ｃ　由　多晶硅是一种理想的薄膜晶体管液晶显示材料　。　３　２　多晶硅太阳能电池　．　利用固化晶化方法制备多晶硅薄膜太阳能电池　是　一　种新颖的想法　。　非　晶　硅　电　池　由　于　存　在　＂　Ｗ＂　Ｓ　效　应　及　长　波　长　段　（　长　大　于　７　０ｎ　无　光　辐　射　响　应　等　波　０　ｍ）　弱点　，　使其稳定效应的进一步提高受到较大限制　。　多　晶　硅　薄膜材料无　＂　Ｗ＂　应　，　带　隙　较　小　，　吸　收　太　且　能　Ｓ　效　阳光中波长较　长　的　光　幅　射　（　０　～　１　０　ｍ）　所　以　用　７　０　０　０ｎ　，　这　种　材料制备太　阳　能　电　池　作　为　底　电　池　，　非　晶　硅　电　用　池　作　为　顶　电　池，　者　配　合　制　成　叠　层　电　池，　有　大　面　两　具　积、　低成本　、　与非晶硅电池制备工艺相容等优点　。　自　日　１９　年　以　来，　本　三　洋　公　司　就　致　力　于　这　方　面　的　研　９０　究，　并于　１　９　年　用　固　化　晶　化　法　制　备　出　效　率　为　３　５　９２　．％　的多晶硅薄膜太阳能电池　。 ２０　年　０６ 第２　卷　７ 第　３期 ４　结 语 综　上　所　述，　晶　硅　薄　膜　材　料　与　器　件　有　很　多　独　特　多　且应用领域十分广泛　。　但也存在着不少的问　的优点　，　题　。　针对这些问题　，　已开展的研究方向