化學(xué)氣相沉積制備a-sih薄膜的制備及工藝研究

化學(xué)氣相沉積制備a-sih薄膜的制備及工藝研究

由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，興化非晶硅膜電視表已成為當(dāng)前海南島的主要發(fā)展趨勢。對a-Si:H薄膜的研究日臻完善,為低溫多晶硅(Lowtemperaturepoly-silicon,LTPS)打下基礎(chǔ)。氫原子在a-Si:H中的含量和結(jié)合狀態(tài)是影響材料的微結(jié)構(gòu)、光學(xué)和電學(xué)特性的主要因素。一方面,在a-Si:H薄膜的禁帶中有大量的局域態(tài),氫原子通過鈍化作用降低了懸掛鍵的密度。通常無摻雜的非晶硅薄膜懸掛鍵密度可達(dá)到1×1018cm-3或更高,用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(Plasmaenhancedchemicalvapordeposition,PECVD)法制備的a-Si:H中的懸掛鍵密度下降到了1×1015～1×1016cm-3,氫含量為10%～30%。另一方面,a-Si:H中氫含量會直接影響到薄膜的微結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響其電學(xué)性能。本文以氫氣稀釋的硅烷為前驅(qū)物,用PECVD制備a-Si:H薄膜,研究了襯底溫度、工藝氣體壓強(qiáng)、氣體比例等工藝參數(shù)對a-Si:H薄膜中氫含量的影響。1薄膜的a-si:h薄膜采用PECVD系統(tǒng),進(jìn)行輝光放電,SiH4分解而生成aSi:H薄膜。化學(xué)反應(yīng)是:利用這種“H2稀釋”法可以獲得高電導(dǎo)率、高性能的a-Si:H薄膜。如表1所示,是各參數(shù)的典型值。采用傅里葉變換紅外光譜儀(Fourier-transforminfrared,FTIR)進(jìn)行紅外測試(測試范圍為400～4000cm-1),分析a-Si:H薄膜氫含量及硅氫成鍵模式,用膜厚儀測量薄膜樣品的厚度;用掃描電鏡(Scanningelectronmicroscope,SEM)觀察薄膜表面形貌。2結(jié)果與分析2.1襯底溫度的影響a-Si:H薄膜紅外吸收峰強(qiáng)度正比于薄膜中氫的濃度?？梢岳肍TIR光譜的吸收峰強(qiáng)度來很方便地確定薄膜中的氫含量。其結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計算結(jié)果一致。氫在a-Si:H薄膜中以多種組態(tài)形式存在,SiH、SiH2、(SiH2)n等形式,其中SiH組態(tài)較穩(wěn)定。紅外吸收譜不僅能反映出a-Si:H薄膜中的氫含量,還能反映出薄膜中硅氫的組態(tài)和鍵合模式。如表2所示,對于a-Si:H薄膜的紅外吸收譜,可分成吸收峰位于630～640cm-1的搖擺振動模(Swing)、880～890cm-1的剪切振動模(Bend)和2090～2100cm-1的伸展模(Stretch)。圖1(a)是不同襯底溫度(270℃、300℃和330℃)下a-Si:H薄膜在550～650cm-1范圍內(nèi)的FTIR吸收譜。位于630～640cm-1的吸收峰對應(yīng)于a-Si:H薄膜的搖擺模?？梢郧宄乜吹?隨著襯底溫度的升高,吸收峰強(qiáng)度逐漸降低。這表明隨著襯底溫度升高,a-Si:H薄膜中氫的含量在減少。如圖1(b)所示,襯底溫度從270℃升高到330℃,硅氫鍵百分比含量從15.4%減小到12.7%。在LTPS制造工藝中,通常把a(bǔ)-Si通過準(zhǔn)分子激光退火(Excimerlaserannealing,ELA)等方法轉(zhuǎn)化成多晶硅(Polysilicon,p-Si)。為了防止在晶化(Crystallization)時出現(xiàn)氫爆(Ablation)現(xiàn)象,a-Si:H薄膜要經(jīng)過脫氫處理,把氫含量控制在3%以內(nèi)。有研究表明,襯底溫度較高時,會導(dǎo)致氫的過度釋放,氫含量減少,缺陷態(tài)會增加,薄膜光電性能降低。一般把襯底溫度控制在300～350℃,可以制備出TFT器件級a-Si:H薄膜。圖2給出了不同襯底溫度下制備的a-Si:H薄膜在820～880cm-1范圍內(nèi)的FTIR吸收譜。在840cm-1附近的峰位對應(yīng)于多氫聚合物(SiH2)n的剪切模,峰的強(qiáng)度隨著溫度升高逐漸減小。這表明,襯底溫度較低時(SiH2)n的含量較高,襯底升高a-Si:H薄膜中(SiH2)n的含量減少?？傊?在襯底溫度較低時制備的a-Si:H薄膜含有較多二氫和多氫硅化物。圖3給出了不同襯底溫度下a-Si:H薄膜在1800～2200cm-1范圍內(nèi)FTIR吸收譜。在2000cm-1附近的吸收峰是Si-H鍵的伸展模,隨著溫度升高吸收峰向低波數(shù)方向偏移,a-Si:H薄膜中二氫或多氫硅化物在減少,單氫硅化物(SiH)開始占主導(dǎo)地位。熱處理實(shí)驗(yàn)表明單氫硅化物為主的a-Si:H薄膜的熱穩(wěn)定性比SiH2或(SiH2)n更強(qiáng)。氫含量對薄膜的微結(jié)構(gòu)也有影響。B.Tuttle等指出,襯底溫度較高時,薄膜中氫的移動劇烈,導(dǎo)致Si-Si斷裂概率更高,進(jìn)而影響薄膜微結(jié)構(gòu)中氫的各種組態(tài)比例。與C.C.Tsai等提出的Cross-linking模型解釋基本一致。a-Si:H薄膜中的氫原子一方面飽和了懸掛鍵,減少了缺陷態(tài)密度;另一方面,大部分氫原子在薄膜內(nèi)部形成富氫區(qū),含氫基團(tuán)發(fā)生聚合從而形成很多微孔(Pinhole)。襯底溫度較低時,SiH3基團(tuán)的放氫環(huán)境較差,造成SiHx基團(tuán)的堆垛,生成的a-Si:H薄膜以多氫硅化物為主,缺陷態(tài)密度較大。襯底溫度較高時,生長表面上吸附的基團(tuán)活動能力增強(qiáng),放氫環(huán)境得到改善,多氫組態(tài)讓位于單氫組態(tài)。但是,溫度過高又將引起薄膜中Si-H鍵脫氫而放出H2,可能會出現(xiàn)“氣泡”。如圖4所示SEM表面形貌圖片。2.2氣體負(fù)壓對薄膜細(xì)度的影響圖5給出了不同壓強(qiáng)下a-Si:H薄膜在550～650cn-1范圍內(nèi)的FTIR吸收譜和氫含量隨著壓強(qiáng)的變化趨勢。氣體壓強(qiáng)較低時,SiH4氣體裂解的主要產(chǎn)物是SiH3基團(tuán),它在形成a-Si:H薄膜時,游離態(tài)氫原子較少,得到含氫量很低的a-Si:H薄膜;在氣體壓強(qiáng)較高時薄膜表面對反應(yīng)氣體中的SiH和H的吸附能力增強(qiáng),薄膜表面的成鍵能力也較大,在產(chǎn)生大量利于提高薄膜生長速率的SiH3基團(tuán)的同時,也增加了SiH2、SiH等基團(tuán),它們能與SiH4反應(yīng),生成(SiH2)n聚合物顆粒,形成了缺陷,且引入大量的氫原子,薄膜中的孔洞也增加,并且大部分覆蓋于微孔洞內(nèi)表面。有研究表明,隨壓強(qiáng)增大,折射率在減小,薄膜的致密度下降。Marinov等用Raman光譜研究表明,隨著氣體壓強(qiáng)的升高,a-Si:H薄膜的短程有序和中程有序結(jié)構(gòu)逐漸劣化,薄膜內(nèi)缺陷增多,采用較低的氣體壓強(qiáng)更利于獲得質(zhì)量較好的aSi:H薄膜。2.3薄膜氫原子含量的影響圖6是不同H2稀釋比制備的a-Si:H薄膜在550～650cm-1范圍內(nèi)的FTIR吸收譜和氫含量隨著稀釋比的變化趨勢。隨著氫稀釋比(H2/SiH4)的增加,薄膜中氫的含量會相應(yīng)減少。與M.Silinskas等的研究結(jié)果一致。當(dāng)SiH4濃度減小到一定程度后,薄膜中出現(xiàn)SiH3鍵組分,當(dāng)氫稀釋比高于6:1時,薄膜中以多H組態(tài)為主導(dǎo),高濃度的氫原子不斷向生長表面沖擊,會打斷原本結(jié)合的Si-H鍵,從而使得大量的氫原子重新回到等離子體中,因此薄膜中的氫原子含量反而會減少。此外,隨著氫稀釋比的增加,沉積的薄膜會趨于從非晶態(tài)轉(zhuǎn)向微晶態(tài)與非晶態(tài)的混合體,且沉積速率下降較快。因此,氫稀釋比不宜用于控制和調(diào)節(jié)薄膜中氫含量。3襯底溫度和壓力采用PECVD制備a-Si:H薄膜,用FTIR分析薄膜中氫含量,用SEM觀察表面形貌發(fā)現(xiàn)襯底溫度對a-Si:H薄膜的氫含量影響最為顯著,隨著襯底溫度的升高,氫含量減小,一般把襯底溫度控制在300～350℃;a-Si:H薄膜的氫含量隨壓強(qiáng)增大而增大