激光退火對多晶鍺硅薄膜特性的影響范文

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《半導體技術雜志》2016年第三期

摘要:

隨著板上系統(tǒng)技術的發(fā)展，在較低溫度下制備具有高空穴遷移率的多晶鍺硅(SiGe)薄膜具有重要的研究意義。使用波長為532nm的綠色脈沖式激光器對多晶SiGe薄膜進行了退火處理，并對薄膜的特性變化進行了表征。經(jīng)過優(yōu)化，在單脈沖激光能量為0.5mJ和10mm/s的掃描速度下，薄膜的特性有了較大的提高。與未經(jīng)過處理的薄膜相比，退火后薄膜的晶粒尺寸增大了3倍，空穴霍爾遷移率提高了4.75倍，載流子濃度提高了24.6倍，從而使薄膜的電阻率減小了兩個數(shù)量級。同時，薄膜的表面形貌也有改善，表面粗糙度的均方根值從11.54nm降低至4.75nm。結(jié)果表明，激光退火過程中薄膜“熔化－再結(jié)晶”的過程可以顯著減小晶粒中的缺陷和晶界的數(shù)量，進而改善薄膜的電學特性。因此，綠色激光退火技術在高性能多晶SiGe薄膜晶體管制備中具有潛在的應用價值。

關鍵詞:

激光退火;多晶鍺硅;再結(jié)晶;霍爾遷移率;薄膜晶體管

近年來，隨著智能設備對便攜化和微型化的要求越來越高，板上系統(tǒng)(systemonpanel，SOP)成為新的研究熱點。SOP是指在玻璃甚至塑料面板上實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、存儲、感應的電路或系統(tǒng)［1］。在低溫下制備高遷移率的溝道材料是這個研究的關鍵。在玻璃和塑料面板上難以形成單晶半導體材料，因此非晶和多晶材料作為溝道層是難以避免的。非晶硅和多晶硅已經(jīng)被廣泛應用在顯示面板的制造中，以制備n型的薄膜晶體管(thinfilmtran-sistor，TFT)。非晶硅的電子和空穴遷移率非常低(小于1cm2•V－1•s－1)［2］，而多晶硅的電子遷移率較高(30～100cm2•V－1•s－1)［3］，但是其空穴遷移率卻較低，難以形成匹配的互補CMOS結(jié)構(gòu)。下一代顯示技術中使用的非晶IGZO(In-Ga-Zn-O)則更是難以形成p型材料［4］。因此，具有較高空穴遷移率溝道材料的獲取是SOP形成互補CMOS邏輯結(jié)構(gòu)的關鍵問題之一。鍺硅(SiGe)是一種由Ge和Si通過共價鍵形成的合金材料。它不僅具有非常優(yōu)異的晶體和半導體特性，而且它的電學和機械特性還可以通過調(diào)節(jié)Ge組分進行可控的改變［5］。有研究已經(jīng)將SiGe應用在TFT［6］、微米/納米機電系統(tǒng)［7］和光學傳感器［8］中。得益于Ge材料的引入，SiGe具有比Si更高的空穴遷移率，更適合制備p型溝道的TFT器件。減壓化學氣相淀積(reducedpressurechemicalvapordeposition，RPCVD)是一種成熟的淀積技術，能夠淀積SiGe薄膜，并且精確控制薄膜中的應力和Ge組分。然而，使用RPCVD技術淀積的多晶SiGe薄膜具有很小的晶粒和粗糙的表面。大量晶界缺陷的存在和粗糙的表面，使多晶SiGe薄膜的遷移率受到嚴重的損傷。激光退火技術可以在非常短的時間內(nèi)將樣品的局部加熱到非常高的溫度，并保持襯底不受高溫的損害，可以有效降低工藝溫度，已經(jīng)被廣泛應用于多晶硅TFT的制備中［9］。因此，本文研究了激光退火對RPCVD系統(tǒng)生長的多晶SiGe薄膜的影響，并且對薄膜的霍爾遷移率、晶粒尺寸和表面粗糙度等特性進行了表征和分析。

1實驗流程

首先，使用熱氧化的方法，在4英寸(1英寸=2.54cm)的硅片上生長厚度為500nm的二氧化硅。氧化后的硅片可以用來模擬實際應用中的玻璃襯底。之后，在600℃下，使用AppliedMaterialEpiCentura200RPCVD系統(tǒng)在該襯底上淀積500nm厚的多晶Si0.7Ge0.3薄膜。為了防止多晶SiGe的島狀生長，在淀積多晶SiGe之前，先淀積了一層多晶硅薄膜作為種子層。使用圖1所示的激光退火設備對得到的薄膜進行退火處理。退火設備使用的激光光源是脈沖式半導體泵浦調(diào)Q激光器，其波長λ為532nm，光束為綠色的可見光。該激光器的光束能量是以脈沖的形式輸出到樣品表面，激光脈沖的脈寬是10ns，頻率是1kHz。光束從激光器出射以后，經(jīng)過擴束、整形，然后被聚焦在樣片的表面。照射到樣片表面的光斑形狀是一個長約3mm、寬約0.2mm的長方形。如圖2所示，激光光斑的能量密度(E)在長度的方向(b-b')上是均勻的、在寬度的方向(a-a')上是高斯分布。激光退火處理時，樣品臺帶動樣品移動，使激光光束在樣品表面掃過。為了使照射到樣品表面的激光能量更加均勻，光斑相對于樣品的移動方向與光斑的中心線呈45°夾角。退火處理時，光斑的掃描速度約為10mm/s。與此同時，為了進一步提高能量密度的均勻性，使用了較慢的激光移動速度，以保證相鄰兩次激光脈沖之間的交疊程度在97%以上。實驗中，分別使用單脈沖激光能量為0～0.9mJ的激光光束對樣品進行處理，并且表征了樣品的電學特性和表面形貌。

2結(jié)果和討論

2.1霍爾效應測試使用EcopiaHMS－3000霍爾效應測試儀測量薄膜退火前后的電阻率(ρ)、遷移率(μ)和載流子濃度(p)。測試得到的ρ和μ與單脈沖激光能量(Ep)的關系如圖3所示。從圖中曲線可以看出，淀積的薄膜具有很高的電阻率(方塊電阻R□＞1MΩ)，當Ep＜0.2mJ時，薄膜的電阻率幾乎沒有變化，即激光對樣品幾乎不產(chǎn)生任何影響。當Ep＞0.2mJ時，電阻率開始劇烈減小，此時激光開始對薄膜產(chǎn)生作用。當Ep繼續(xù)增到0.5mJ，薄膜電阻率將達到最小值。當Ep＞0.7mJ以后，電阻率激增并且霍爾效應測試已經(jīng)無法得到結(jié)果。這是因為當Ep過大時，薄膜開始消融、團聚并形成大量孔洞，如圖4掃描電子顯微鏡(scanelectronmicroscopy，SEM)圖像所示。由式(1)可知，薄膜的電阻率與空穴遷移率和空穴濃度的乘積呈倒數(shù)關系。因此，電阻率的降低不僅與遷移率有關，還與載流子濃度變化有關。由圖5所示的載流子濃度變化曲線可知，經(jīng)過Ep=0.5mJ的退火處理后，載流子濃度增加了24.6倍。由此可知，薄膜電阻率的減小有16%的貢獻來自于載流子遷移率的增加，而另外84%則是得益于載流子濃度的增加。載流子濃度增加是因為薄膜中缺陷減少，原被缺陷能級俘獲的載流子被釋放到價帶中所致。在多晶薄膜中，晶粒中和晶界處均存在大量的缺陷。這些缺陷不僅可以俘獲薄膜中的載流子，而且還能夠?qū)d流子的漂移運動起到散射的作用，從而損傷遷移率。激光退火處理時，薄膜表面吸收激光能量，并且在短時間達到非常高的溫度。當激光能量足夠高時，表面溫度達到薄膜的熔點后開始熔化，固－液界面從表面向內(nèi)部推進。當激光脈沖消失后，熔化的薄膜開始自下而上地冷卻并再結(jié)晶，從而使薄膜中的原子重新排列。一方面，激光能量可以將薄膜生長過程中產(chǎn)生的細小晶粒熔化，然后在再結(jié)晶的過程形成更大的晶粒。另一方面，高溫熔化后再結(jié)晶得到的晶粒具有更高的晶格質(zhì)量，缺陷密度可以大幅度降低。因此，當達到薄膜熔化的溫度后，隨著激光能量的增大，薄膜熔化的深度越深，其電阻率就越低。當達到使薄膜全部熔化的能量時，電阻率將達到最小值，并且在一定能量范圍內(nèi)保持不變。然而，當能量進一步增大，熔化的薄膜開始消融并且使表面出現(xiàn)大的孔洞。因此，應該選擇一個使薄膜臨近全部融化的能量密度，不僅可以獲得最佳效果，而且還可以避免薄膜消融。鑒于此，本文選擇Ep=0.5mJ作為最佳退火條件。

2.2晶粒尺寸圖6為未經(jīng)退火處理和在0.5mJ能量下退火處理的多晶SiGe薄膜的截面透射電子顯微鏡(transmissionelectronmicroscopy，TEM)圖像。從圖像中可以看出，利用RPCVD生長得到的多晶SiGe薄膜的晶粒非常小而且有非常多的晶界。然而，經(jīng)過0.5mJ激光退火處理后的SiGe薄膜具有更大的晶粒，并且晶界數(shù)量顯著減小。圖6(b)中標示出了主要晶界的位置，可以看出再結(jié)晶后的晶粒的截面呈倒梯形。這是由于晶粒再結(jié)晶時會以下方未熔化的晶粒為籽晶，從而形成截面為倒梯形的柱狀晶粒。因此，激光退火處理后晶粒的大小與薄膜熔化時的厚度呈正比。圖7為退火后樣品表面的電子背散射衍射(electronbackscattereddiffrac-tion，EBSD)圖像，從圖中可以看出，晶粒表面的晶向呈隨機分布，沒有擇優(yōu)結(jié)晶取向。多晶SiGe表面的晶粒尺寸顯著增大并且晶界明顯減少，這對提高TFT驅(qū)動能力、減小界面態(tài)、降低亞閾值斜率是非常有利的。

2.3表面粗糙度由于器件溝道表面的粗糙和界面態(tài)等缺陷的散射作用，材料的場效應遷移率一般遠小于霍爾遷移率。為了提高TFT的場效應遷移率，應該盡量減小溝道表面的粗糙度。激光退火后SiGe表面的粗糙度與光斑的掃描速度有關。如果掃描速度過快，會使脈沖之間交疊程度較低，薄膜再結(jié)晶不均勻，從而導致表面粗糙度增大;如果掃描速度過慢，則會使同一位置處接收太多次激光脈沖，以至于在更低的激光能量下發(fā)生薄膜的消融現(xiàn)象。本文采用的掃描速度均為優(yōu)化后的速度(10mm/s)。圖8為退火前后薄膜表面的原子力顯微鏡(atomicforcemicroscopy，AFM)圖像(掃描范圍為10μm×10μm)。退火前后表面粗糙度有明顯的變化。如圖8(a)所示，未經(jīng)退火處理的SiGe薄膜的粗糙度(均方根值)為11.54nm，而經(jīng)過0.5mJ激光退火處理以后，其粗糙度降低至4.75nm，如圖8(b)所示。表面粗糙度的改變也可以從圖6的截面TEM圖像中觀察到。

3結(jié)論

為了在低溫下獲得具有高空穴遷移率的多晶SiGe薄膜，本文使用綠色激光對RPCVD系統(tǒng)生長的多晶SiGe薄膜進行了處理，并且對薄膜特性進行了表征分析。結(jié)果表明，在適當?shù)募す馔嘶饤l件下，薄膜“熔化－再結(jié)晶”的過程可以有效減少晶粒中的缺陷和晶界的數(shù)量，從而提高薄膜的電學特性。通過優(yōu)化，將RPCVD系統(tǒng)生長的多晶SiGe薄膜材料的遷移率提高了4.75倍，表面粗糙度降低了58.8%。SiGe薄膜這些方面特征的改善對于提高多晶SiGe器件的性能是非常有利的。因此，波長為532nm的綠色激光退火技術對于制備高性能多晶SiGeTFT器件具有潛在的利用價值。

作者：劉立濱 張偉 周偉 王全 許軍 梁仁榮 單位：清華大學 微電子研究所 信息科學學院國家重點實驗室 上海集成電路研發(fā)中心有限公司