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低温多晶硅材料及其器件的研究

刘传珍  
【摘要】: 多晶硅薄膜晶体管(p-Si TFT)液晶显示器可以实现高分辨率、高度集成 同时有效降低显示器的功耗,因而成为目前有源矩阵液晶显示领域主要研究方 向。本论文系统地研究了低温p-Si材料的制备以及TFT器件设计和制作工艺。 本文采用金属Ni诱导(Ni-MIC)和准分子激光退火(ELC)两种方式制备 了高质量的多晶硅薄膜,填补了国内研究空白。采用XRD、SEM、XPS、Raman 等分析手段,研究了薄膜的组份和结构。a-Si薄膜在Ni的诱导下,晶化温度 降低到440℃,晶化时间缩短到2小时。研究结果表明:薄膜的平均晶粒尺寸 为200nm左右,迁移率为20~30cm~2/V·s。对晶化的机理研究表明,a-Si在低温 下的晶化是由于形成了Ni的硅化物,其晶化的发生是由于NiSi_2的迁移,其迁 移的驱动力是由亚稳态的a-Si转变为c-Si。开创性地研究了在电场下薄膜的晶 化,观察到晶粒随着电场方向的择优快速生长特性,薄膜的晶化温度降低到400 ℃。此创新成果,对多晶硅的定向生长具有重要意义。 对p-Si TFT的器件与阵列设计进行了初步探讨,考虑TFT的开态、关态 电流、寄生电容以及信号延迟等方面的影响。同时对器件工艺中a-Si:H、Ta_2O_5 和SiN_x薄膜的制备工艺条件进行了优化。 采用Ni-MIC的方式设计制作了p-Si TFT,开态电流大于10~(-5)A,开关比大 于10~4,阈值电压在1.5V左右。建立了简单的p-Si TFT模型,对p-Si薄膜和p-Si TFT的电学特性进行了理论模拟和计算,计算结果和实验值相一致。 研究了激光退火的工艺条件以及多晶硅薄膜迁移率与薄膜的晶化质量和掺 杂关系。提出了改善薄膜平均晶粒尺寸的措施。通过优化工艺条件,制备的薄 膜的最大平均晶粒尺寸近1μm,迁移率为150~400cm~2/V·s,比金属诱导制备的 多晶硅薄膜的迁移率高,为目前最好的报道值。 讨论了AMLCD周边集成驱动电路中的延迟导致的输出信号的失真。对不 同尺寸的几种高分辨率显示屏的缓冲寄存器TFT的R_n以及W/L进行了分析模 拟。


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