Chuyên Đề Ảnh hưởng của quá trình nung nhiệt lên sự kết tinh và độ dẫn điện loại p của màng Silic trên lớp đệm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Chuyên ngành: Vật Lý Điện Tử
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
NĂM – 2011

MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
DANH MỤC CÁC BẢNG
MỞ ĐẦU . 1


PHẦN A TỔNG QUAN 3
CHƯƠNG 1. VẬT LIỆU SILIC . 4
1.1 Silic đơn tinh thể 4
1.2 Silic vô định hình (amorphous silicon – a-Si) . 6
1.2.1 Các tính chất của vật liệu . 6
1.2.2 Sự pha tạp và truyền dẫn hạt tải . 7
1.3 Silic đa tinh thể (polycrystalline silicon – poly-Si) . 8
1.4 Sự khuếch tán nhiệt của nhôm vào silic 9


CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG SILIC ĐA TINH THỂ 13
2.1 Phương pháp phún xạ Magnetron phản ứng với khí H2 13
2.2 Phương pháp CVD và PECVD . 16
2.3 Phương pháp kết tinh pha rắn (Solid-phase Crystallization _ SPC) 17
2.4 Phương pháp kết tinh bằng Laser (Laser Crystallization - LC) . 19
2.5 Phương pháp kết tinh silic, được thực hiện bằng quá trình khuếch tán nhiệt màng kim loại Al vào màng a-Si [29] . 20
2.5.1 Giới thiệu. 20
2.5.2 Lược sử quá trình nghiên cứu của phương pháp AIC . 21
2.5.3 Giản đồ pha của hệ thống Al/Si 22
2.5.4 Khái niệm chung về quá trình AIC . 23
2.5.5 Mô hình của quá trình AIC. . 25
2.5.6 Động học của quá trình AIC (kinetics of the AIC process) 28
PHẦN B THỰC NGHIỆM 31


CHƯƠNG 3. ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH NUNG NHIỆT LÊN SỰ KẾT TINH VÀ ĐỘ DẪN ĐIỆN LOẠI P CỦA MÀNG SILIC TRÊN LỚP ĐỆM KIM LOẠI NHÔM . . 32
3.1 Mô hình khuếch tán nhiệt của kết cấu thủy tinh/Al/a-Si dẫn đến sự hình thành màng silic đa tinh thể 32
3.2 Khảo sát cấu trúc và tính chất điện của màng theo sự thay đổi nhiệt độ nung . 49
3.2.1 Khảo sát đặc tính cấu trúc màng . 49
3.2.2 Khảo sát tính chất điện của màng. 55
3.3 Khảo sát cấu trúc và tính chất điện của màng theo thời gian ủ nhiệt khác nhau . 57
3.3.1 Đặc tính cấu trúc 57
3.3.2 Tính chất điện. . 59
3.4 Kết luận: 61


CHƯƠNG 4. CÁC VẤN ĐỀ KHÁC ẢNH HƯỞNG LÊN QUÁ TRÌNH AIC .63
4.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ bề dày màng Al và Si lên quá trình AIC 63
4.2 Ảnh hưởng của lớp oxit Al ở mặt phân giới Al/Si lên quá trình AIC 70
4.3 Kết luận: 73
KẾT LUẬN . 75
HẠN CHẾ . 76
DANH MỤC CÔNG TRÌNH . 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO 78


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Các thông số phổ biến của silic đơn tinh thể 5
Bảng 3.1: Các vùng số sóng thể hiện vị trí các đỉnh phổ Raman đặc trưng cho các dao động của liên kết Si-Si trong các cấu trúc mạng khác nhau 38
Bảng 3.2: Năng lượng liên kết enthalpy trung bình của các chất và hợp chất. 46
Bảng 3.3: Biến đổi năng lượng tự do của các phản ứng tạo oxit. 48
Bảng 3.4: Các mẫu thủy tinh/ Si (70 nm)/ Al (235 nm) được nung ở các nhiệt độ khác nhau . 49
Bảng 3.5: Kết quả khảo sát điện trở mặt bằng phương pháp bốn mũi dò. . 55
Bảng 3.6: Bảng thống kê kết quả đo Hall của các mẫu. 55
Bảng 3.7: Các mẫu thủy tinh/ Si (70 nm)/ Al (235 nm) được nung ở 500oC với thời gian ủ nhiệt khác nhau. . 57
Bảng 3.8: Kết quả đo điện trở mặt bằng phương pháp 4 mũi dò. 59
Bảng 3.9: Kết quả đo Hall các mẫu 60
Bảng 4.1: Các mẫu D được chế tạo với tỷ lệ bề dày lớp Al ban đầu tăng dần . 63
Bảng 4.2: Các thông số ghi nhận từ kết quả đo Hall mẫu D4. . 68
Bảng 4.3: Thông số của các cặp mẫu được chế tạo trong cùng điều kiện và bề dày. Trong đó mẫu T*1 và T*2 được xem như không có lớp oxit Al ở mặt phân giới. Mẫu T1, T2 có lớp oxit ở mặt phân giới. 70
Bảng 4.4: Thông số của các cặp mẫu với thời gian phơi ngoài không khí để tạo lớp oxit của lớp Al ban đầu. .


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Mô hình cấu tạo mạng của silic vô định hình 6
Hình 1.2: Các khuyết tật trong mạng Si 7
Hình 1.3: Cấu trúc đa tinh thể của màng silic trên đế thủy tinh. 8
Hình 1.4: Cơ chế khuếch tán của nguyên tử tạp chất vào mạng đơn tinh thể 10
Hình 2.1: Cấu trúc vi tinh thể của Si. . 13
Hình 2.2: Phổ Raman của màng silic vi tinh thể [6]. 14
Hình 2.3: Phổ phát quang của Ar và H2 [8]. . 14
Hình 2.4: Sự phụ thuộc của a) kích thước hạt tinh thể và b) cường độ đỉnh nhiễu xạ vào sự thay đổi áp suất phún xạ. Hình 2.5: Giản đồ pha của hệ thống Al-Si. . 23
Hình 2.6: Mô tả quá trình AIC: a) mẫu trước khi nung nhiệt; b) mẫu sau khi nung nhiệt 24
Hình 2.7: Các bước chính của quá trình AIC 25
Hình 2.8: Ảnh SEM bề mặt của màng silic đa tinh thể thu được: 26
Hình 2.9: Ảnh SEM của mẫu cho thấy sự hình thành mầm Si bên trong phạm vi lớp Al. Mẫu được đặt nghiêng 30o để cho thấy phần mặt cắt cũng như bề mặt [29, tr. 197]. 27
Hình 2.10: Màng silic đa tinh thể liên tục trên đế thủy tinh 3 inch [46]. 28
Hình 2.11: Ảnh ghi nhận được bằng kính hiển vi quang học của mẫu được nung 510oC tại những thời điểm khác nhau. a) 19 phút; b) 26 phút; c) 33 phút [29, tr. 200]. 28
Hình 2.12: Sự phụ thuộc của hệ số kết tinh và số lượng hạt tinh thể vào thời gian ủ nhiệt [29, tr. 201-202]. 29
Hình 3.1: Mô hình chụp ảnh của mẫu bằng kính hiển vi truyền qua quang học: 33
Hình 3.2: Ảnh OTM của mẫu nung ở 450oC với thời gian ủ nhiệt khác nhau: a) 5 phút; b) 10 phút; c) 30 phút; d) 1 giờ. 34
Hình 3.3: Ảnh SEM bề mặt của lớp Al ban đầu khi chưa phủ a-Si. 35
Hình 3.4: Ảnh OTM của mẫu a) trước và b) sau khi được xử lý bằng dung dịch axit [20]. . 36
Hình 3.5: Ảnh OTM của mẫu cho thấy sự thay đổi hệ số kết tinh (tăng trưởng của “rễ cây”) của Si ở những ngưỡng nhiệt độ nung khác nhau
Hình 3.6: Phổ nhiễu xạ của mẫu sau quy trình xử lý nhiệt và dung dịch axit. . 37
Hình 3.7: Phổ Raman của mẫu được chụp ở hai vị trí a) và b) trên bề mặt mẫu. 39
Hình 3.8: Phổ Raman của “wafer Si CZ” (Czochralski), những hạt silic đa tinh thể và sự hình thành “rễ cây” của lớp phía trên sau khi loại Al
Hình 3.9: Ảnh SEM của mẫu với độ phóng đại a) 23.000 lần; b) 30.000 lần và c) 80.000 lần. . 41
Hình 3.10: Ảnh SEM của mẫu trong [39], cho thấy a) các ốc đảo Si dư trên lớp poly-Si bên dưới; b) hình ảnh phóng lớn. 42
Hình 3.11: Ảnh FIB (focused ion beam) của màng silic đa tinh thể trong [40]. Với sự thay đổi thời gian tiếp xúc ngoài không khí của lớp Al ban đầu (để tạo lớp oxit ở mặt phân giới) trước khi lắng đọng Si, các ảnh lần lượt cho thấy hình dáng đa dạng của phần Si dư bên trên lớp Si đa tinh thể: 42
Hình 3.12: Phổ EDX của mẫu được chụp ở hai vị trí khác nhau trên bề mặt màng: a) vị trí chụp còn Si dư bên trên; b) không còn Si dư bên trên.
Hình 3.13: Mô hình quá trình khuếch tán của các nguyên tử Si vào lớp Al. . 45
Hình 3.14: Năng lượng tự do Gibbs của các phản ứng tạo thành oxít [11]. . 48
Hình 3.15: Ảnh OTM của các mẫu theo sự thay đổi nhiệt độ nung từ 300-600oC. . 51
Hình 3.16: Ảnh OTM của mẫu nung ở 450oC: a) Sau khi nung; b) Sau khi xử lý trong dung dịch axit. . 52
Hình 3.17: Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu DH2 đến DH7 sau khi được xử lý axit. 53
Hình 3.18: Ảnh OTM của các mẫu DH8-DH12 thu được sau quá trình nung nhiệt ở các thời gian ủ nhiệt khác nhau. 58
Hình 3.19: Phổ Nhiễu xạ tia X của các màng được nung ở 500oC theo thời gian ủ nhiệt khác nhau từ 1 giờ đến 10 giờ 59
Hình 4.1: Ảnh OTM của các mẫu sau khi nung 500oC trong 3 giờ. Chỉ có mẫu D5 không được xử lý axit. . 64
Hình 4.2: Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu D1-D6. . 65
Hình 4.3: Ảnh SEM của mẫu D4 66
Hình 4.4: Ảnh phổ AFM của mẫu D4 (được chụp tại khu Công Nghệ Cao TPHCM) 66
Hình 4.5: Phổ EDX của mẫu D4. . 67
Hình 4.6: Phổ Raman của mẫu D4 so sánh với phổ chuẩn của “wafer silic”. 68
Hình 4.7: ảnh OTM của mẫu a) T*3 và b) T3 sau khi xử lý axit. 70
Hình 4.8: Phổ nhiễu xạ của hai cặp mẫu: a) T*1 và T1; b) T*2 và T2 71
Hình 4.9: Phổ nhiễu xạ của mẫu T5 và T6 . 72

MỞ ĐẦU
Vật liệu silic đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực điện tử và các linh kiện quang điện. Vật liệu khối silic đơn tinh thể, như các phiến silic (wafer silicon), đã được sử dụng trong việc chế tạo các linh kiện điện tử, cho hiệu suất cao. Tuy nhiên xu hướng nghiên cứu hiện nay của các nhà khoa học là tìm giải pháp giúp giảm chi phí vật liệu cũng như chi phí chế tạo. Chính vì thế mà mối quan tâm của các nhà nghiên cứu hiện nay là tìm các dạng vật liệu khác, có thể thay thế được vật liệu khối silic, mà vẫn giữ được hiệu suất cao của linh kiện. Với công nghệ chế tạo màng mỏng như hiện nay, thì màng mỏng silic đa tinh thể đang thu hút được sự chú ý của các nhà khoa học trên thế giới do những ưu điểm của nó về độ bền cũng như cải thiện được sự truyền dẫn hạt tải so với màng silic vô định hình. Từ đó, việc chế tạo màng silic đa tinh thể đã mở ra một hướng nghiên cứu mới cho các nhà khoa học với tiềm năng có thể thay thế các vật liệu khối. Hướng nghiên cứu này đã được các tác giả trong và ngoài nước thực hiện bởi nhiều phương pháp khác nhau như: phún xạ magnetron, CVD, PECVD, MOCVD, phương pháp kết tinh pha rắn, phương pháp kết tinh bằng laser Hiện nay, trong nước việc nghiên cứu chế tạo màng silic đa tinh thể đang được rất nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu, đặc biệt bằng phương pháp PECVD, tuy nhiên vẫn chưa có nhóm tác giả nào công bố chế tạo thành công màng silic đa tinh thể dẫn điện loại p.


Từ quan điểm nêu trên cộng với tình hình nghiên cứu trong nước hiện nay, và để góp phần thêm vào xu hướng phát triển khoa học trên thế giới, tác giả và nhóm nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm việc chế tạo màng silic đa tinh thể trên đế thủy tinh bằng phương pháp AIC (Aluminum-induced Crystallization). Đây là một phương pháp mới và đơn giản, đang được triển khai nghiên cứu bởi các tác giả trên thế giới. Cơ chế của phương pháp này chính là sự khuếch tán nhiệt của lớp kim loại nhôm và lớp silic vô định hình vào nhau, chính sự khuếch tán này đã tạo ra sự kết tinh màng silic vô định hình, thành màng silic đa tinh thể. Và cũng chính vì xuất phát từ cơ chế khuếch tán nhiệt, nên chúng tôi đã chọn quy trình nung nhiệt là yếu tố ảnh hưởng chính, cần nghiên cứu kỹ đến sự hình thành màng silic đa tinh thể dẫn điện loại p. Tuy nhiên trong quá trình khảo sát, ngoài yếu tố nhiệt độ độ, còn có các yếu tố khác ảnh hưởng đến quá trình AIC, cũng được trình bày, để làm sáng tỏ thêm về cơ chế hình thành màng đa tinh thể silic của phương pháp AIC. Trong luận văn, tác giả chia bố cục thành hai phần A và B: Phần A tổng quan lý thuyết trong hai chương, chương 1 tổng quan về vật liệu silic, giới thiệu các dạng cấu trúc và đặc điểm từng loại cấu trúc của vật liệu silic, chương 2 tổng quát về các phương pháp chế tạo màng silic đa tinh thể hiện đang được nghiên cứu. Thực nghiệm được trình bày trong phần B gồm chương 3: ảnh hưởng của quá trình nung nhiệt lên sự hình thành màng silic đa tinh thể,
chương 4: là các ảnh hưởng khác lên quá trình hình thành màng.