基于光脉冲辅助的金属诱导横向晶化多晶硅薄膜的研究

论文摘要

本文首先对显示技术的发展和多晶硅薄膜的制备方法以及应用前景进行了综述,同时对Ni金属诱导非晶硅横向晶化制备多晶硅的研究现状以及诱导机理与应用等进行了系统概述。 多晶硅薄膜晶体管（p-Si TFT）液晶显示器可以实现高分辨率、高集成度、同时有效降低显示器的功耗,因而成为目前平板显示领域主要研究方向;而以横向晶化多晶硅为有源层的TFT由于在导电方向有更少的晶界、更低的金属杂质污染、更高的载流子迁移率而成为目前有源矩阵液晶显示领域、投影显示、OLED显示等领域研究的热点。本论文系统的研究了基于光脉冲辐射的Ni金属横向诱导晶化低温p-Si材料的制备及TFT器件设计和制作工艺。 本研究中,采用PECVD淀积法在玻璃基底上淀积SiNx/a-Si/SiNx复合薄膜,在最上层SiNx上刻蚀窗口并以之为掩模用真空热蒸发方法蒸发镍,使窗口中Ni和a-Si接触,采用金属横向诱导（MILC）和快速退火（RTA）相结合的方法制备了高质量的横向多晶硅带,采用SEM、TEM、波谱分析等分析手段,研究了薄膜的成分和结构以及电气特性。 a-Si薄膜在Ni诱导下,横向晶化温度降低到400℃以下。在环境温度490℃,光脉冲通断时间12s/1.8min的条件下横向生长速率达到40um/h。对退火温度、非晶硅薄膜厚度,RTA光脉冲宽度等参数对Ni金属诱导横向晶化的影响及晶化机理进行了深入的研究。经高分辨率透射电镜对镍条覆盖区的横向表面的高分辩像研究,发现成垂直Ni分界线方向的柱状晶粒,以柱状晶粒层为TFT的沟道,得到大的迁移率。 对晶化机理的研究表明,a-Si在Ni诱导下低温晶化是由于Ni扩散进a-Si:H,使Si-Si键从共价键变成类似于金属键形成了Ni的硅化物,降低了Si-Si键的键强,当薄膜在退火过程中,Ni-Si键断裂重组,而形成Si晶核,同时Ni原子从晶态硅中析出,继续向前面的a-Si:H中扩散,并形成Si-Ni混合层而继续诱导a-Si:H晶化。 开创性地研究了在卤钨灯管照射下形成的快速退火和Ni金属诱导横向生长相结合的薄膜晶化,观察到晶粒沿着垂直Ni条方向的择优快速生长,此创新成果,对玻璃基板上大面积低温TFT工艺有重要意义。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 引言
• 第二章 平板显示技术的回顾和发展
• 2.1 引言
• 2.2 有源矩阵液晶显示技术
• 2.2.1 AMLCD的分类及特点
• 2.2.1.1 二端子元件
• 2.2.1.2 三端子元件
• 2.2.2 薄膜晶体管TFT基本结构和工作原理
• 2.2.2.1 TFT器件结构
• 2.2.2.2 TFT器件的工作原理
• 2.3 有源矩阵有机电致发光显示（OLED）
• 2.3.1 OLED技术的发展
• 2.3.2 OLED的驱动方式
• 2.3.2.1 OLED无源矩阵（PASSIVE MATRIX-PM）驱动方式
• 2.3.2.2 OLED有源矩阵（ACTIVE MATRIX-AM）驱动方式
• 第三章 多晶硅薄膜的常用制备方法
• 3.1 引言
• 3.2 化学气相沉积（CVD）
• 3.2.1 低压化学气相沉积（LPCVD）
• 3.2.2 等离子增强化学气相沉积（PECVD）
• 3.3 固相晶化
• 3.4 准分子激光退火
• 3.5 快速热退火
• 3.6 金属诱导固相晶化（MIC）
• 3.6.1 MIC/MILC TFT的发展
• 3.6.2 MIC/MILC原理
• 3.6.3 MILC的优点
• 第四章 金属诱导横向晶化多晶硅薄膜的制备
• 4.1 实验材料及玻璃基底的清洗
• 4.1.1 薄膜沉积材料
• 4.1.2 基片材料及基片清洗方法
• 4.2 非晶硅的淀积原理
• 4.2.1 PECVD法制备A-SI：H薄膜的生长机制
• 4.2.2 A-SI：H的结构
• 4.3 非晶硅薄膜的制备
• 4.3.1 PECVD设备结构及操作
• 4.3.2 薄膜沉积材料
• 4.3.3 非晶硅薄膜的制备
• 4.4 金属诱导横向晶化（MILC）多晶硅薄膜的制备
• 4.4.1 诱导金属镍NI薄膜的制备
• 4.4.2 退火炉的改造
• 4.4.3 A-SI：H薄膜的退火处理
• 第五章 多晶硅薄膜性能的测试与分析
• 5.1 膜厚的测试
• 5.2 退火条件对晶化的影响
• 5.2.1 退火环境温度对多晶硅结晶的影响
• 5.2.2 光辐射参数对晶化的影响
• 5.3 透射电镜（TEM）测试
• 5.4 波谱分析（WDS）
• 第六章 TFT的制备与特性测试
• 6.1 TFT制作准备工艺的探索
• 6.1.1 TFT中硅的刻蚀工艺
• 6.1.2 氮化硅（SINX）的刻蚀
• 6.1.3 TFT电极镍铬合金的刻蚀
• 6.2 TFT结构设计与制备工艺
• 6.3 对TFT的测试
• 第七章 结论
• 7.1 本论文的主要结论
• 7.2 本文工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、攻读硕士学位期间完成的论文及科研情况