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激光退火对多晶锗硅薄膜特性的影响

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《半导体技术杂志》2016年第三期

摘要:

随着板上系统技术的发展,在较低温度下制备具有高空穴迁移率的多晶锗硅(SiGe)薄膜具有重要的研究意义。使用波长为532nm的绿色脉冲式激光器对多晶SiGe薄膜进行了退火处理,并对薄膜的特性变化进行了表征。经过优化,在单脉冲激光能量为0.5mJ和10mm/s的扫描速度下,薄膜的特性有了较大的提高。与未经过处理的薄膜相比,退火后薄膜的晶粒尺寸增大了3倍,空穴霍尔迁移率提高了4.75倍,载流子浓度提高了24.6倍,从而使薄膜的电阻率减小了两个数量级。同时,薄膜的表面形貌也有改善,表面粗糙度的均方根值从11.54nm降低至4.75nm。结果表明,激光退火过程中薄膜“熔化-再结晶”的过程可以显著减小晶粒中的缺陷和晶界的数量,进而改善薄膜的电学特性。因此,绿色激光退火技术在高性能多晶SiGe薄膜晶体管制备中具有潜在的应用价值。

关键词:

激光退火;多晶锗硅;再结晶;霍尔迁移率;薄膜晶体管

近年来,随着智能设备对便携化和微型化的要求越来越高,板上系统(systemonpanel,SOP)成为新的研究热点。SOP是指在玻璃甚至塑料面板上实现数据处理、存储、感应的电路或系统[1]。在低温下制备高迁移率的沟道材料是这个研究的关键。在玻璃和塑料面板上难以形成单晶半导体材料,因此非晶和多晶材料作为沟道层是难以避免的。非晶硅和多晶硅已经被广泛应用在显示面板的制造中,以制备n型的薄膜晶体管(thinfilmtran-sistor,TFT)。非晶硅的电子和空穴迁移率非常低(小于1cm2•V-1•s-1)[2],而多晶硅的电子迁移率较高(30~100cm2•V-1•s-1)[3],但是其空穴迁移率却较低,难以形成匹配的互补CMOS结构。下一代显示技术中使用的非晶IGZO(In-Ga-Zn-O)则更是难以形成p型材料[4]。因此,具有较高空穴迁移率沟道材料的获取是SOP形成互补CMOS逻辑结构的关键问题之一。锗硅(SiGe)是一种由Ge和Si通过共价键形成的合金材料。它不仅具有非常优异的晶体和半导体特性,而且它的电学和机械特性还可以通过调节Ge组分进行可控的改变[5]。有研究已经将SiGe应用在TFT[6]、微米/纳米机电系统[7]和光学传感器[8]中。得益于Ge材料的引入,SiGe具有比Si更高的空穴迁移率,更适合制备p型沟道的TFT器件。减压化学气相淀积(reducedpressurechemicalvapordeposition,RPCVD)是一种成熟的淀积技术,能够淀积SiGe薄膜,并且精确控制薄膜中的应力和Ge组分。然而,使用RPCVD技术淀积的多晶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薄膜的迁移率受到严重的损伤。激光退火技术可以在非常短的时间内将样品的局部加热到非常高的温度,并保持衬底不受高温的损害,可以有效降低工艺温度,已经被广泛应用于多晶硅TFT的制备中[9]。因此,本文研究了激光退火对RPCVD系统生长的多晶SiGe薄膜的影响,并且对薄膜的霍尔迁移率、晶粒尺寸和表面粗糙度等特性进行了表征和分析。

1实验流程

首先,使用热氧化的方法,在4英寸(1英寸=2.54cm)的硅片上生长厚度为500nm的二氧化硅。氧化后的硅片可以用来模拟实际应用中的玻璃衬底。之后,在600℃下,使用AppliedMaterialEpiCentura200RPCVD系统在该衬底上淀积500nm厚的多晶Si0.7Ge0.3薄膜。为了防止多晶SiGe的岛状生长,在淀积多晶SiGe之前,先淀积了一层多晶硅薄膜作为种子层。使用图1所示的激光退火设备对得到的薄膜进行退火处理。退火设备使用的激光光源是脉冲式半导体泵浦调Q激光器,其波长λ为532nm,光束为绿色的可见光。该激光器的光束能量是以脉冲的形式输出到样品表面,激光脉冲的脉宽是10ns,频率是1kHz。光束从激光器出射以后,经过扩束、整形,然后被聚焦在样片的表面。照射到样片表面的光斑形状是一个长约3mm、宽约0.2mm的长方形。如图2所示,激光光斑的能量密度(E)在长度的方向(b-b')上是均匀的、在宽度的方向(a-a')上是高斯分布。激光退火处理时,样品台带动样品移动,使激光光束在样品表面扫过。为了使照射到样品表面的激光能量更加均匀,光斑相对于样品的移动方向与光斑的中心线呈45°夹角。退火处理时,光斑的扫描速度约为10mm/s。与此同时,为了进一步提高能量密度的均匀性,使用了较慢的激光移动速度,以保证相邻两次激光脉冲之间的交叠程度在97%以上。实验中,分别使用单脉冲激光能量为0~0.9mJ的激光光束对样品进行处理,并且表征了样品的电学特性和表面形貌。

2结果和讨论

2.1霍尔效应测试使用EcopiaHMS-3000霍尔效应测试仪测量薄膜退火前后的电阻率(ρ)、迁移率(μ)和载流子浓度(p)。测试得到的ρ和μ与单脉冲激光能量(Ep)的关系如图3所示。从图中曲线可以看出,淀积的薄膜具有很高的电阻率(方块电阻R□>1MΩ),当Ep<0.2mJ时,薄膜的电阻率几乎没有变化,即激光对样品几乎不产生任何影响。当Ep>0.2mJ时,电阻率开始剧烈减小,此时激光开始对薄膜产生作用。当Ep继续增到0.5mJ,薄膜电阻率将达到最小值。当Ep>0.7mJ以后,电阻率激增并且霍尔效应测试已经无法得到结果。这是因为当Ep过大时,薄膜开始消融、团聚并形成大量孔洞,如图4扫描电子显微镜(scanelectronmicroscopy,SEM)图像所示。由式(1)可知,薄膜的电阻率与空穴迁移率和空穴浓度的乘积呈倒数关系。因此,电阻率的降低不仅与迁移率有关,还与载流子浓度变化有关。由图5所示的载流子浓度变化曲线可知,经过Ep=0.5mJ的退火处理后,载流子浓度增加了24.6倍。由此可知,薄膜电阻率的减小有16%的贡献来自于载流子迁移率的增加,而另外84%则是得益于载流子浓度的增加。载流子浓度增加是因为薄膜中缺陷减少,原被缺陷能级俘获的载流子被释放到价带中所致。在多晶薄膜中,晶粒中和晶界处均存在大量的缺陷。这些缺陷不仅可以俘获薄膜中的载流子,而且还能够对载流子的漂移运动起到散射的作用,从而损伤迁移率。激光退火处理时,薄膜表面吸收激光能量,并且在短时间达到非常高的温度。当激光能量足够高时,表面温度达到薄膜的熔点后开始熔化,固-液界面从表面向内部推进。当激光脉冲消失后,熔化的薄膜开始自下而上地冷却并再结晶,从而使薄膜中的原子重新排列。一方面,激光能量可以将薄膜生长过程中产生的细小晶粒熔化,然后在再结晶的过程形成更大的晶粒。另一方面,高温熔化后再结晶得到的晶粒具有更高的晶格质量,缺陷密度可以大幅度降低。因此,当达到薄膜熔化的温度后,随着激光能量的增大,薄膜熔化的深度越深,其电阻率就越低。当达到使薄膜全部熔化的能量时,电阻率将达到最小值,并且在一定能量范围内保持不变。然而,当能量进一步增大,熔化的薄膜开始消融并且使表面出现大的孔洞。因此,应该选择一个使薄膜临近全部融化的能量密度,不仅可以获得最佳效果,而且还可以避免薄膜消融。鉴于此,本文选择Ep=0.5mJ作为最佳退火条件。

2.2晶粒尺寸图6为未经退火处理和在0.5mJ能量下退火处理的多晶SiGe薄膜的截面透射电子显微镜(transmissionelectronmicroscopy,TEM)图像。从图像中可以看出,利用RPCVD生长得到的多晶SiGe薄膜的晶粒非常小而且有非常多的晶界。然而,经过0.5mJ激光退火处理后的SiGe薄膜具有更大的晶粒,并且晶界数量显著减小。图6(b)中标示出了主要晶界的位置,可以看出再结晶后的晶粒的截面呈倒梯形。这是由于晶粒再结晶时会以下方未熔化的晶粒为籽晶,从而形成截面为倒梯形的柱状晶粒。因此,激光退火处理后晶粒的大小与薄膜熔化时的厚度呈正比。图7为退火后样品表面的电子背散射衍射(electronbackscattereddiffrac-tion,EBSD)图像,从图中可以看出,晶粒表面的晶向呈随机分布,没有择优结晶取向。多晶SiGe表面的晶粒尺寸显著增大并且晶界明显减少,这对提高TFT驱动能力、减小界面态、降低亚阈值斜率是非常有利的。

2.3表面粗糙度由于器件沟道表面的粗糙和界面态等缺陷的散射作用,材料的场效应迁移率一般远小于霍尔迁移率。为了提高TFT的场效应迁移率,应该尽量减小沟道表面的粗糙度。激光退火后SiGe表面的粗糙度与光斑的扫描速度有关。如果扫描速度过快,会使脉冲之间交叠程度较低,薄膜再结晶不均匀,从而导致表面粗糙度增大;如果扫描速度过慢,则会使同一位置处接收太多次激光脉冲,以至于在更低的激光能量下发生薄膜的消融现象。本文采用的扫描速度均为优化后的速度(10mm/s)。图8为退火前后薄膜表面的原子力显微镜(atomicforcemicroscopy,AFM)图像(扫描范围为10μm×10μm)。退火前后表面粗糙度有明显的变化。如图8(a)所示,未经退火处理的SiGe薄膜的粗糙度(均方根值)为11.54nm,而经过0.5mJ激光退火处理以后,其粗糙度降低至4.75nm,如图8(b)所示。表面粗糙度的改变也可以从图6的截面TEM图像中观察到。

3结论

为了在低温下获得具有高空穴迁移率的多晶SiGe薄膜,本文使用绿色激光对RPCVD系统生长的多晶SiGe薄膜进行了处理,并且对薄膜特性进行了表征分析。结果表明,在适当的激光退火条件下,薄膜“熔化-再结晶”的过程可以有效减少晶粒中的缺陷和晶界的数量,从而提高薄膜的电学特性。通过优化,将RPCVD系统生长的多晶SiGe薄膜材料的迁移率提高了4.75倍,表面粗糙度降低了58.8%。SiGe薄膜这些方面特征的改善对于提高多晶SiGe器件的性能是非常有利的。因此,波长为532nm的绿色激光退火技术对于制备高性能多晶SiGeTFT器件具有潜在的利用价值。

作者:刘立滨 张伟 周伟 王全 许军 梁仁荣 单位:清华大学 微电子研究所 信息科学学院国家重点实验室 上海集成电路研发中心有限公司

半导体技术杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次
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