ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phạm Duy Phong 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 Chuyên ngành: Vật Lý Điện Tử Mã số: 60 44 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Trần Cao Vinh Tp Hồ Chí Minh – 2011 Lời cảm ơn Đầu tiên, tác giả muốn nói lời tri ân lòng biết ơn đến cố GS.TS Nhà Giáo Nhân Dân Nguyễn Văn Đến TS Lê Vũ Tuấn Hùng bậc Thầy dìu dắt tác giả bƣớc chập chững đầu tiên, làm quen với khoa học, cho tác giả hội đƣợc làm việc môi trƣờng khoa học Tiếp theo, tác giả gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Trần Cao Vinh, Thầy hƣớng dẫn ngƣời Thầy định hƣớng cho tác giả sống, chiến đấu làm việc với khoa học hôm Cuối cùng, tác giả gửi lời cảm ơn chân thành thân thƣơng đến q Thầy Cơ, anh chị đồng nghiệp, gia đình, bạn bè em nhỏ, đặc biệt “mái nhà KTC xƣa nay” giúp đỡ, động viên chia sẻ dành cho tác giả suốt thời gian vừa qua Kính chúc q Thầy Cơ toàn thể anh chị em thật nhiều sức khỏe, bình an đạt đƣợc nhiều thành cơng đƣờng phía trƣớc Tác giả: Phạm Duy Phong MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ DANH MỤC CÁC BẢNG MỞ ĐẦU PHẦN A TỔNG QUAN CHƢƠNG VẬT LIỆU SILIC 1.1 Silic đơn tinh thể 1.2 Silic vơ định hình (amorphous silicon – a-Si) 1.2.1 Các tính chất vật liệu 1.2.2 Sự pha tạp truyền dẫn hạt tải 1.3 Silic đa tinh thể (polycrystalline silicon – poly-Si) 1.4 Sự khuếch tán nhiệt nhôm vào silic CHƢƠNG CÁC PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG SILIC ĐA TINH THỂ ………………………………………………………………………………… 13 2.1 Phƣơng pháp phún xạ Magnetron phản ứng với khí H2 13 2.2 Phƣơng pháp CVD PECVD 16 2.3 Phƣơng pháp kết tinh pha rắn (Solid-phase Crystallization _ SPC) 17 2.4 Phƣơng pháp kết tinh Laser (Laser Crystallization - LC) 19 2.5 Phƣơng pháp kết tinh silic, đƣợc thực trình khuếch tán nhiệt màng kim loại Al vào màng a-Si [29] 20 2.5.1 Giới thiệu 20 2.5.2 Lƣợc sử trình nghiên cứu phƣơng pháp AIC 21 2.5.3 Giản đồ pha hệ thống Al/Si 22 2.5.4 Khái niệm chung trình AIC 23 2.5.5 Mơ hình q trình AIC 25 2.5.6 Động học trình AIC (kinetics of the AIC process) 28 PHẦN B THỰC NGHIỆM 31 CHƢƠNG ẢNH HƢỞNG 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 Mơ hình khuếch tán nhiệt kết cấu thủy tinh/Al/a-Si dẫn đến hình thành màng silic đa tinh thể 32 3.2 Khảo sát cấu trúc tính chất điện màng theo 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 màng 55 3.3 Khảo sát cấu trúc tính chất điện màng theo thời gian ủ nhiệt khác 57 3.3.1 Đặc tính cấu trúc 57 3.3.2 Tính chất điện 59 3.4 Kết luận: 61 CHƢƠNG CÁC VẤN ĐỀ KHÁC ẢNH HƢỞNG LÊN QUÁ TRÌNH AIC ………………………………………………………………….63 4.1 Ảnh hƣởng tỷ lệ bề dày màng Al Si lên trình AIC 63 4.2 Ảnh hƣởng lớp oxit Al mặt phân giới Al/Si lên trình AIC 70 4.3 Kết luận: 73 KẾT LUẬN 75 HẠN CHẾ 76 DANH MỤC CƠNG TRÌNH 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Các thông số phổ biến silic đơn tinh thể Bảng 3.1: Các vùng số sóng thể vị trí đỉnh phổ Raman đặc trƣng cho dao động liên kết Si-Si cấu trúc mạng khác 38 Bảng 3.2: Năng lƣợng liên kết enthalpy trung bình chất hợp chất 46 Bảng 3.3: Biến đổi lƣợng tự phản ứng tạo oxit 48 Bảng 3.4: Các mẫu thủy tinh/ Si (70 nm)/ Al (235 nm) đƣợc nung nhiệt độ khác 49 Bảng 3.5: Kết khảo sát điện trở mặt phƣơng pháp bốn mũi dò 55 Bảng 3.6: Bảng thống kê kết đo Hall mẫu 55 Bảng 3.7: Các mẫu thủy tinh/ Si (70 nm)/ Al (235 nm) đƣợc nung 500oC với thời gian ủ nhiệt khác 57 Bảng 3.8: Kết đo điện trở mặt phƣơng pháp mũi dò 59 Bảng 3.9: Kết đo Hall mẫu 60 Bảng 4.1: Các mẫu D đƣợc chế tạo với tỷ lệ bề dày lớp Al ban đầu tăng dần 63 Bảng 4.2: Các thông số ghi nhận từ kết đo Hall mẫu D4 68 Bảng 4.3: Thông số cặp mẫu đƣợc chế tạo điều kiện bề dày Trong mẫu T*1 T*2 đƣợc xem nhƣ khơng có lớp oxit Al mặt phân giới Mẫu T1, T2 có lớp oxit mặt phân giới 70 Bảng 4.4: Thông số cặp mẫu với thời gian phơi ngồi khơng khí để tạo lớp oxit lớp Al ban đầu 72 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Mơ hình cấu tạo mạng silic vơ định hình Hình 1.2: Các khuyết tật mạng Si Hình 1.3: Cấu trúc đa tinh thể màng silic đế thủy tinh Hình 1.4: Cơ chế khuếch tán nguyên tử tạp chất vào mạng đơn tinh thể 10 Hình 2.1: Cấu trúc vi tinh thể Si 13 Hình 2.2: Phổ Raman màng silic vi tinh thể [6] 14 Hình 2.3: Phổ phát quang Ar H2 [8] 14 Hình 2.4: Sự phụ thuộc a) kích thƣớc hạt tinh thể b) cƣờng độ đỉnh nhiễu xạ vào thay đổi áp suất phún xạ ● tƣợng trƣng mặt (111), ▲: (220) ■: (311) [8] 15 Hình 2.5: Giản đồ pha hệ thống Al-Si 23 Hình 2.6: Mơ tả q trình AIC: a) mẫu trƣớc nung nhiệt; b) mẫu sau nung nhiệt 24 Hình 2.7: Các bƣớc trình AIC 25 Hình 2.8: Ảnh SEM bề mặt màng silic đa tinh thể thu đƣợc: 26 Hình 2.9: Ảnh SEM mẫu cho thấy hình thành mầm Si bên phạm vi lớp Al Mẫu đƣợc đặt nghiêng 30o thấy phần mặt cắt nhƣ bề mặt [29, tr 197] 27 Hình 2.10: Màng silic đa tinh thể liên tục đế thủy tinh inch [46] 28 Hình 2.11: Ảnh ghi nhận đƣợc kính hiển vi quang học mẫu đƣợc nung 510oC thời điểm khác a) 19 phút; b) 26 phút; c) 33 phút [29, tr 200] 28 Hình 2.12: Sự phụ thuộc hệ số kết tinh số lƣợng hạt tinh thể vào thời gian ủ nhiệt [29, tr 201-202] 29 Hình 3.1: Mơ hình chụp ảnh mẫu kính hiển vi truyền qua quang học: 33 Hình 3.2: Ảnh OTM mẫu nung 450oC với thời gian ủ nhiệt khác nhau: a) phút; b) 10 phút; c) 30 phút; d) 34 Hình 3.3: Ảnh SEM bề mặt lớp Al ban đầu chƣa phủ a-Si 35 Hình 3.4: Ảnh OTM mẫu a) trƣớc b) sau đƣợc xử lý dung dịch axit [20] 36 Hình 3.5: Ảnh OTM mẫu cho thấy thay đổi hệ số kết tinh (tăng trƣởng “rễ cây”) Si ngƣỡng nhiệt độ nung khác [31] 37 Hình 3.6: Phổ nhiễu xạ mẫu sau quy trình xử lý nhiệt dung dịch axit 37 Hình 3.7: Phổ Raman mẫu đƣợc chụp hai vị trí a) b) bề mặt mẫu 39 Hình 3.8: Phổ Raman “wafer Si CZ” (Czochralski), hạt silic đa tinh thể hình thành “rễ cây” lớp phía sau loại Al [20] 40 Hình 3.9: Ảnh SEM mẫu với độ phóng đại a) 23.000 lần; b) 30.000 lần c) 80.000 lần 41 Hình 3.10: Ảnh SEM mẫu [39], cho thấy a) ốc đảo Si dƣ lớp poly-Si bên dƣới; b) hình ảnh phóng lớn 42 Hình 3.11: Ảnh FIB (focused ion beam) màng silic đa tinh thể [40] Với thay đổi thời gian tiếp xúc ngồi khơng khí lớp Al ban đầu (để tạo lớp oxit mặt phân giới) trƣớc lắng đọng Si, ảnh lần lƣợt cho thấy hình dáng đa dạng phần Si dƣ bên lớp Si đa tinh thể: 42 Hình 3.12: Phổ EDX mẫu đƣợc chụp hai vị trí khác bề mặt màng: a) vị trí chụp cịn Si dƣ bên trên; b) khơng cịn Si dƣ bên 44 Hình 3.13: Mơ hình q trình khuếch tán nguyên tử Si vào lớp Al 45 Hình 3.14: Năng lƣợng tự Gibbs phản ứng tạo thành oxít [11] 48 Hình 3.15: Ảnh OTM mẫu theo thay đổi nhiệt độ nung từ 300-600oC 51 Hình 3.16: Ảnh OTM mẫu nung 450oC: a) Sau nung; b) Sau xử lý dung dịch axit 52 Hình 3.17: Phổ nhiễu xạ tia X mẫu DH2 đến DH7 sau đƣợc xử lý axit 53 Hình 3.18: Ảnh OTM mẫu DH8-DH12 thu đƣợc sau trình nung nhiệt thời gian ủ nhiệt khác 58 Hình 3.19: Phổ Nhiễu xạ tia X màng đƣợc nung 500oC theo thời gian ủ nhiệt khác từ đến 10 59 Hình 4.1: Ảnh OTM mẫu sau nung 500oC Chỉ có mẫu D5 khơng đƣợc xử lý axit 64 Hình 4.2: Phổ nhiễu xạ tia X mẫu D1-D6 65 Hình 4.3: Ảnh SEM mẫu D4 66 Hình 4.4: Ảnh phổ AFM mẫu D4 (đƣợc chụp khu Công Nghệ Cao TPHCM) 66 Hình 4.5: Phổ EDX mẫu D4 67 Hình 4.6: Phổ Raman mẫu D4 so sánh với phổ chuẩn “wafer silic” 68 Hình 4.7: ảnh OTM mẫu a) T*3 b) T3 sau xử lý axit 70 Hình 4.8: Phổ nhiễu xạ hai cặp mẫu: a) T*1 T1; b) T*2 T2 71 Hình 4.9: Phổ nhiễu xạ mẫu T5 T6 72 MỞ ĐẦU Vật liệu silic đƣợc sử dụng rộng rãi lĩnh vực điện tử linh kiện quang điện Vật liệu khối silic đơn tinh thể, nhƣ phiến silic (wafer silicon), đƣợc sử dụng việc chế tạo linh kiện điện tử, cho hiệu suất cao Tuy nhiên xu hƣớng nghiên cứu nhà khoa học tìm giải pháp giúp giảm chi phí vật liệu nhƣ chi phí chế tạo Chính mà mối quan tâm nhà nghiên cứu tìm dạng vật liệu khác, thay đƣợc vật liệu khối silic, mà giữ đƣợc hiệu suất cao linh kiện Với công nghệ chế tạo màng mỏng nhƣ nay, màng mỏng silic đa tinh thể thu hút đƣợc ý nhà khoa học giới ƣu điểm độ bền nhƣ cải thiện đƣợc truyền dẫn hạt tải so với màng silic vô định hình Từ đó, việc chế tạo màng silic đa tinh thể mở hƣớng nghiên cứu cho nhà khoa học với tiềm thay vật liệu khối Hƣớng nghiên cứu đƣợc tác giả nƣớc thực nhiều phƣơng pháp khác nhƣ: phún xạ magnetron, CVD, PECVD, MOCVD, phƣơng pháp kết tinh pha rắn, phƣơng pháp kết tinh laser…Hiện nay, nƣớc việc nghiên cứu chế tạo màng silic đa tinh thể đƣợc nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu, đặc biệt phƣơng pháp PECVD, nhiên chƣa có nhóm tác giả cơng bố chế tạo thành cơng màng silic đa tinh thể dẫn điện loại p Từ quan điểm nêu cộng với tình hình nghiên cứu nƣớc nay, để góp phần thêm vào xu hƣớng phát triển khoa học giới, tác giả nhóm nghiên cứu tiến hành thử nghiệm việc chế tạo màng silic đa tinh thể đế thủy tinh phƣơng pháp AIC (Aluminum-induced Crystallization) Đây phƣơng pháp đơn giản, đƣợc triển khai nghiên cứu tác giả giới Cơ chế phƣơng pháp khuếch tán nhiệt lớp kim loại nhôm lớp silic vơ định hình vào nhau, khuếch tán tạo kết tinh màng silic vô định hình, thành màng silic đa tinh thể Và xuất phát từ chế khuếch tán nhiệt, nên chúng tơi chọn quy trình nung nhiệt yếu tố ảnh hƣởng chính, cần nghiên cứu kỹ đến hình thành màng silic đa tinh thể dẫn điện loại p Tuy nhiên q trình khảo sát, ngồi yếu tố nhiệt độ độ, cịn có yếu tố khác ảnh hƣởng đến trình AIC, đƣợc trình bày, để làm sáng tỏ thêm chế hình thành màng đa tinh thể silic phƣơng pháp AIC Trong luận văn, tác giả chia bố cục thành hai phần A B: Phần A tổng quan lý thuyết hai chƣơng, chƣơng tổng quan vật liệu silic, giới thiệu dạng cấu trúc đặc điểm loại cấu trúc vật liệu silic, chƣơng tổng quát phƣơng pháp chế tạo màng silic đa tinh thể đƣợc nghiên cứu Thực nghiệm đƣợc trình bày phần B gồm chƣơng 3: ảnh hƣởng trình nung nhiệt lên hình thành màng silic đa tinh thể, chƣơng 4: ảnh hƣởng khác lên trình hình thành màng Cƣờng độ Phiến Silic Số sóng (cm-1) Hình 4.6: Phổ Raman mẫu D4 so sánh với phổ chuẩn “wafer silic” Tính chất điện mẫu D4 đƣợc ghi nhận phép đo hiệu ứng Hall, bề dày màng đƣợc xác định phƣơng pháp Stylus cho kết khoảng 117 nm Bề dày tƣơng đồng với bề dày lớp Al ban đầu 105 nm (bảng 4.1) Sự tƣơng đồng bề dày này, đƣợc nghiên cứu ghi nhận nhiều tác giả khác [29], [39]…, sở để chúng tơi áp dụng bề dày 117 nm màng D4 vào việc tính tốn kết đo Hall Bảng 4.2: Các thông số ghi nhận từ kết đo Hall mẫu D4 Tên mẫu D4 Nồng độ hạt tải Độ linh động (1/cm ) (cm /Vs) 1.7  10 18 48 Điện trở suất (Ωcm) 7.8  10 2 Với phân tích cấu trúc hình thái học bề mặt mẫu D4 sở tin cậy cho việc đánh giá khả dẫn điện màng silic đa tinh thể bị ảnh hƣởng Si dƣ phép đo Hall Kết bảng 4.2 lần cho thấy nồng độ lỗ trống cao bậc 1018, chứng tỏ mức độ pha tạp “nặng” 68 Al vào Si Đặc biệt độ linh động lỗ trống lớn phản ánh đƣợc kết tinh tốt silic so với màng silic vô định hình Độ linh động phù hợp với công bố tác giả khác [19],[29, tr 205] Nhƣ vậy, từ kết phân tích tính chất màng D4 chứng minh hình thành màng silic đa tinh thể dẫn điện loại p với nồng độ hạt tải cao độ linh động lớn Thêm vào đó, kết cho thấy ảnh hƣởng tỷ lệ bề dày hai đơn lớp Al Si lên hình thành Si dƣ bề mặt Tuy nhiên, việc lập lại kết thực nghiệm chế tạo đƣợc mẫu D4 không dễ dàng Chúng tơi tiến hành thử nghiệm lại quy trình chế tạo mẫu D4 thấy rằng: nguyên nhân độ lập lại thực nghiệm chƣa cao ảnh hƣởng lớp oxit nhôm mặt phân giới nhƣ đƣợc trình bày chƣơng Việc phơi lớp Al ngồi khơng khí, để tạo lớp oxit tự nhiên mặt phân giới, bị ảnh hƣởng lớn yếu tố môi trƣờng (nhƣ độ ẩm, nhiệt độ ) Do đó, việc đánh giá tầm quan trọng, nhƣ ảnh hƣởng lớp oxit nhôm mặt phân giới lên tồn q trình khuếch tán hai lớp Al Si, đƣợc chúng tơi khảo sát thấy nhìn tổng qt tổng thể ảnh hƣởng lên trình AIC Từ giúp điều khiển q trình AIC thuận lợi 69 4.2 Ảnh hƣởng lớp oxit Al mặt phân giới Al/Si lên trình AIC Bảng 4.3: Thông số cặp mẫu đƣợc chế tạo điều kiện bề dày Trong mẫu T*1 T*2 đƣợc xem nhƣ khơng có lớp oxit Al mặt phân giới Mẫu T1, T2 có lớp oxit mặt phân giới Tên mẫu Bề dày lớp Al (nm) Bề dày lớp Si (nm) T*1 T1 70 235 T*2 T2 140 470 T*3 T3 350 671 Ảnh hƣởng lớp oxit Al mặt phân giới Al/Si lên q trình AIC, đƣợc chúng tơi khảo sát qua cặp mẫu với tỷ lệ bề dày thay đổi nhƣ bảng 4.3 Trong đó, lớp Al lớp Si mẫu T*1; T*2; T*3 đƣợc chế tạo lần lƣợt, liên tiếp buồng chân khơng với áp suất 4x10-6 torr Cịn mẫu T1; T2; T3, lớp Al đƣợc phơi khơng khí khoảng phút để tạo lớp oxit tự nhiên bề mặt trƣớc lắng đọng lớp Si Nhƣ thế, xem nhƣ mẫu T*1; T*2; T*3 khơng có lớp oxit Al mặt phân giới hai đơn lớp Al/Si Còn mẫu T1; T2; T3 có lớp oxit Al mặt phân giới Các cặp mẫu sau đƣợc nung nhiệt chân không 500oC xử lý dung dịch axit Hình 4.7: ảnh OTM mẫu a) T*3 b) T3 sau xử lý axit 70 Với bề dày Al Si lớn, sau trình nung xử lý axit, ảnh OTM mẫu T3 (hình 4.7 b) cho thấy ốc đảo Si bám lại đế (nên màu trắng đục), chứng tỏ với tỷ lệ bề dày lớn, trình khuếch tán Si 500oC xảy giai đoạn hình thành “ốc đảo” Si bề mặt đế, chƣa thể liên kết thành màng silic đa tinh thể liên tục Trong đó, với * quy trình xử lý tƣơng tự, ảnh OTM màng T (hình 4.7 a) hiển thị ảnh đế thủy tinh khơng có mặt ốc đảo Si, chứng tỏ Si chƣa chạm tới đế q trình khuếch tán Qua so sánh trên, thấy rằng, với có mặt lớp oxit Al mặt phân giới, trình khuếch tán xảy nhanh so với mẫu khơng có lớp oxit Al mặt phân giới Nhận định đƣợc làm sáng tỏ Cƣờng độ (a.u) Cƣờng độ (a.u) với so sánh phổ nhiễu xạ hai cặp mẫu cịn lại Hình 4.8: Phổ nhiễu xạ hai cặp mẫu: a) T*1 T1; b) T*2 T2 Phổ nhiễu xạ, hình 4.8 cho thấy rõ ràng, với mẫu có lớp oxit Al mặt phân giới (T1, T2), sau trình nung nhiệt, có kết tinh lại Si, mẫu đƣợc xem nhƣ khơng có lớp oxit mặt phân giới (T*1 T*2) vơ định hình Điều chứng tỏ, với thời gian phút tiếp xúc ngồi 71 khơng khí, lớp oxit mặt phân giới có ảnh hƣởng lớn đến q trình khuếch tán, giúp tiến trình kết tinh Si xảy nhanh hơn, nhƣ chế đƣợc đƣa lý giải phần 3.1 chƣơng Ngoài ra, bề dày lớp oxit Al mặt phân giới yếu tố có tác động đến trình AIC, yếu tố đƣợc nghiên cứu với mẫu trình bày bảng 4.4 Bảng 4.4: Thơng số cặp mẫu với thời gian phơi khơng khí để tạo lớp oxit lớp Al ban đầu Lớp Al ban đầu để ngồi khơng khí 24 phút Tên mẫu T4 với lớp Al: 350 nm T6 với lớp Al: 70 nm Si: 671 nm Si: 235 nm T3 với lớp Al: 350 nm T5 với lớp Al: 70 nm Si: 671 nm Si: 235 nm Mẫu T3, sau quy trình xử lý nhiệt axit nhƣ đƣợc trình bày, kết ảnh OTM đƣợc thể hình 4.7 b) Trong khi, mẫu T4 , với quy trình xử lý nhiệt axit giống mẫu T3, kết ảnh OTM lại đế thủy tinh Kết cho thấy, với bề dày lớp oxit nhôm mặt phân giới tăng lên (mẫu T4), đƣợc định tính cách phơi lớp Al ban đầu ngồi khơng khí 24 giờ, q trình khuếch tán Si vào lớp Al xảy chậm hơn, Si chƣa chạm đế bị tẩy với lớp Al quy trình xử lý axit Điều chứng tỏ, bề dày lớp oxit nhơm có tác động đến tiến trình khuếch tán Si vào Al Kết đƣợc minh chứng lần qua so sánh phổ nhiễu xạ hai mẫu T5 T6 Hình 4.9: Phổ nhiễu xạ mẫu T5 T6 72 So sánh hình dáng cƣờng độ đỉnh phổ nhiễu xạ hình 4.9 cho thấy khác mức độ kết tinh lại hai mẫu với khác bề dày lớp oxit nhôm mặt phân giới Công bố tác giả Oliver Nast chứng minh khác kích thƣớc hạt tinh thể, hai màng silic đa tinh thể thu đƣợc, theo thay đổi thời gian tiếp xúc ngồi khơng khí lớp Al ban đầu, phút 48 [37] Nhƣ vậy, qua thử nghiệm, so sánh thực nghiệm trình bày, thấy đƣợc: lớp oxit nhơm mặt phân giới đóng vai trị thúc đẩy trình khuếch tán nhiệt hai đơn lớp ban đầu, dẫn đến kết tinh nhanh Si Ngồi ra, bề dày lớp nhơm oxit ảnh hƣởng đến thời gian mức độ kết tinh Si trình AIC Tuy nhiên, bề dày lớp oxit nhơm, đƣợc hình thành cách tiếp xúc trực tiếp ngồi khơng khí, lại bị tác động yếu tố môi trƣờng nhƣ nhiệt độ, độ ẩm…Chính mà quy trình chế tạo mẫu, yếu tố mơi trƣờng có khả ảnh hƣởng lên trình hình thành lớp oxit mặt phân giới Al Si, khó điều khiển độ lập lại kết đạt đƣợc 4.3 Kết luận: Trong chƣơng 4, với phần nghiên cứu thay đổi tỷ lệ bề dày hai đơn lớp Al Si ban đầu, phát tỷ lệ Al (105 nm) / Si (235 nm), màng thu đƣợc hạn chế đƣợc nhiều mảng Si dƣ bề mặt, qua phân tích cấu trúc, nhƣ hình thái học bề mặt cho thấy đƣợc tính chất màng silic đa tinh thể với định hƣớng ƣu tiên họ mặt mạng (111), kích thƣớc hạt khoảng 20 nm, độ ghồ ghề bề mặt trung bình khoảng nm Từ đó, kết hợp với kết đo hiệu ứng Hall, cho thấy đƣợc tính chất màng silic đa tinh thể, dẫn điện loại p, với nồng độ hạt tải cao ổn định ngƣỡng 1018 cm-3, độ linh động khoảng 48 cm2/Vs, điện trở suất khoảng 7x10-2 Ωcm, hứa hẹn khả ứng dụng tốt vào thiết bị quang điện Ngoài ra, đánh giá độ lặp lại kết quả, cho thấy đƣợc ảnh hƣởng lớp oxit nhôm 73 bề mặt lớp nhơm ban đầu lên q trình AIC Nhƣ vậy, nghiên cứu đƣa đƣợc tổng quát ảnh hƣởng khác lên trình AIC Tuy nhiên, thành công lớn theo đánh giá chúng tơi, chƣơng việc chứng minh hình thành màng silic đa tinh thể với tính chất điện tốt có khả ứng dụng cao, phƣơng pháp AIC Việc ứng dụng phƣơng pháp AIC hiệu đƣợc hỗ trợ cơng nghệ làm đánh bóng bề mặt silic nhƣ trình bày 74 KẾT LUẬN Dựa vào mục tiêu hƣớng nghiên cứu đề qua thực nghiệm tiến hành, đạt đƣợc kết nhƣ sau : _ Áp dụng thành công phƣơng pháp AIC việc chế tạo màng silic đa tinh thể dẫn điện loại p, với nồng độ hạt tải cao (1018 cm-3) Mơ hình phƣơng pháp AIC đƣợc lý giải dựa vào sở khoa học nhiệt động học _ Việc khảo sát ảnh hƣởng trình nung nhiệt cho thấy khả kết tinh vật liệu silic, nhiệt độ thấp (≤500oC), thời gian ngắn, phƣơng pháp AIC _ Qua khảo sát ảnh hƣởng tỷ lệ bề dày màng Al Si, nhƣ lớp oxit nhôm mặt phân giới lên hình thành màng silic đa tinh thể, bổ sung thêm kết quả, để chứng minh khả kết tinh vật liệu silic phƣơng pháp AIC, đƣa đƣợc nhìn tổng quan yếu tố ảnh hƣởng đến trình hình thành màng 75 HẠN CHẾ Với công nghệ chế tạo vật liệu bán dẫn thƣờng địi hỏi quy trình chế tạo nghiêm ngặt độ xác cao (nhƣ hệ thống phịng sạch, hệ thống chân khơng cao…) Vì thế, để đạt đƣợc kết nghiên cứu tốt hơn, cần phải đƣợc nâng cấp hệ thống trang thiết bị, đặc biệt hệ thống lị nung chân khơng cao, để tránh ảnh hƣởng tạp chất, đặc biệt oxy lên tính chất màng thu đƣợc Với trang thiết bị có Phịng thí nghiệm Vật liệu Kỹ thuật cao, khó chế tạo màng diện tích lớn inch vng với độ đồng cao Do đó, vấn đề thử nghiệm diện tích rộng để thấy đƣợc khả ứng dụng công nghiệp phƣơng pháp AIC vấn đề chƣa đạt đƣợc Để ứng dụng màng silic đa tinh thể thu đƣợc việc chế tạo thiết bị linh kiện quang điện tử phƣơng pháp AIC đòi hỏi màng phải tẩy đƣợc hết silic dƣ hỗ trợ phƣơng pháp khác nhƣ CMP, RIE Do đó, việc triển khai thử nghiệm khả ứng dụng màng chƣa đƣợc tiến hành cần đƣợc hỗ trợ thêm 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Đào Thị Băng Tâm đồng nghiệp (2011), Ảnh hưởng lớp kim loại nhôm lên kết tinh màng silic vơ định hình, Hội Nghị Vật Lý Chất Rắn Khoa Học Vật Liệu toàn quốc lần 7, ĐHQG TPHCM [2] Hans-Gunther Wagemann, Tim Schonauer, Dƣơng Minh Trí (2009), Cơng Nghệ Planar Silic, trình bản, vật lý linh kiện, Nhà Xuất Bản Trẻ, Hội Vật Lý TP.HCM [3] Hoàng Văn Dũng đồng nghiệp (2010), Khảo sát ảnh hưởng độ dày nhiệt độ đế lên cấu trúc màng µc-Si:H, Hội Nghị Vật Lý Chất Rắn Khoa Học Vật Liệu toàn quốc lần 7, ĐHQG TPHCM [4] Lê Công Dƣỡng (1997), Vật Liệu Học, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội [5] Nguyễn Năng Định (2005), Vật Lý Và Kỹ Thuật Màng Mỏng, Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia Hà Nội [6] Nguyễn Hữu Kế đồng nghiệp (2010), Chế tạo màng µc-Si:H phương pháp phún xạ Magnetron RF, Hội Nghị Quang Học Quang Phổ Toàn Quốc lần thứ VI (12/2010), Hà Nội [7] Nguyễn Thị Huỳnh Nga (2009), Ảnh hưởng nồng độ khí hydro lên cấu trúc màng Si:H chế tạo phương pháp PECVD, Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý, Trƣờng Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, TP.HCM 78 Tiếng Anh [8] A Tabata, et al (2004), “Dependence on gas pressure of µc-Si:H prepared by RF magnetron sputtering”, Vacuum, 74, pp 561-565 [9] Chang-Ho OH, et al (1998), “A Novel Phase-Modulated Excimer-Laser Crystallization Method of Silicon Thin Films”, Jpn Appl Phys, 37(5A), pp 492-495 [10] C M Yang, Harry A Atwater (1996), “Selective solid phase crystallization for control of grain size and location in Ge thin films on silicon dioxide”, Applied Physics Letter, 68(24), pp 3392-3394 [11] Donald L.Smith (1997), Thin film Deposition, McGraw-Hill, Singapore [12] D Grozdanic, et al (2010), “Structural analysis of amourphous Si films prepared by magnetron sputtering”, Vacuum, 84, pp 126-129 [13] D Van Gestel, et al (2009), “Investigation of intragrain defects in pc-Si layers obtained by aluminum-induced crystallization: Comparison of layers made by low and high temperature epitaxy”, Materials Science and Engineering B, 159-160, pp 134-137 [14] E Pihan, et al (2004), “Polycrystalline silicon films by aluminium-induced crystallisation: growth process vs silicon deposition method”, Thin Solid Films, 451-452, pp 328-333 [15] E.V Johnson (2009), “Raman scattering analysis of Si:H bond stretching modes in hydrogenated microcrytalline silicon for use in thin - films photovoltaics”, Solar Energy Materials & Solar Cell, 93, pp 1904-1906 [16] G.J van Gurp (1973), “Diffusion-limited Si precipitation in evaporated Al/Si films”, Journal Applied Physics, 44(5), pp 2040-2050 79 [17] G.J van Gurp (1972), “Precipitation of Si in evaporated Ai/Si films”, Scripta Metallurgica, 6, pp 361-366 [18] H Makihara, et al (2000), “Effect of the hydrogen partial pressure ratio on the properties of µc-Si:H films prepared by RF magnetron sputtering”, Vacuum, 59, pp 785-791 [19] Hyeongnam Kim, et al (2002), “Polycrystalline Si films formed by Alinduced crystallization (AIC) with and without Al oxides at Al/a-Si interface”, Solar Energy Materials & Solar Cell, 74, pp 323-329 [20] Honglie Shen, et al (2009), “Preparation of high quality polycrystalline silicon thin films by aluminum-induced crystallization”, Thin Solid Films, 517, pp 5611-5615 [21] In-Hyuk Song, et al (2002), “A poly-Si thin film transistor frabricated by new excimer laser recrystallization employing floating active structure”, Current Applied Physics, 2, pp 225-228 [22] I Gordon, et al (2008), “Fabrication and characterization of highly efficient thin-film polycrystalline-silicon solar cells based on aluminium-induced crystallization”, Thin Solid Films, 516, pp 6984-6988 [23] Jens Schneider, et al (2005), “Depletion regions in the aluminum-induced layer exchange process crystallizing amorphous Si”, Applied Physics Letters, 87, pp 31905 [24] J Schneider, et al (2006), “Aluminum-induced crystallization: Nucleation and growth process”, Journal of Non-Crystalline Solids, 352, pp 972-975 [25]J Schneider, et al (2004), “Aluminum-induced crystallization of amorphous silicon: preparation effect on growth kinetics”, Journal of Non-Crystalline Solids, 338-340, pp 127-130 80 [26] J Klein, et al (2004), “Aluminium-induced crystallisation of amorphous silicon: influence of the aluminium layer on the process”, Thin Solid Films, 451-452, pp 481-484 [27] Jen-Fin Lin, et al (2010), “Formation of microcrystalline silicon films using rapid crystal aluminum induced crystallization under low-temperature rapid thermal annealing”, Thin Solid Films, 518, pp 6966-6971 [28] J.Kondo, et al (2002), “Dependence on substrate temperature of thin films structure of µc-Si:H by Rf magnetron sputtering”, Vacuum, 66, pp 409-413 [29] Kazuo Nakajima, Noritaka Usami (2009), Crystal Growth of Si for Solar Cell, Springer [30] L M Koschier, et al (1998), Proceedings of the 2nd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Vienne, Austria, pp 1539 [31] Mina Jung, et al (2011), “In situ Observation of Polycrystalline Silicon Thin Film Grown Using Aluninum-Doped Zinc Oxide on Glass Substrate by the Aluminum-induced Crystallization”, Japanese Journal of Applied Physics, 50 (04DP02), pp 1-5 [32] M F Cerqueira, et al (1995), “Microcrystaline silicon thin films prepared by RF reactive magnetron sputter deposition”, Vacuum, 12, pp 1385-1390 [33] M S Haque et al.(1996), Journal Applied Physics, 79, pp 7529 [34] N.H Cho, et al (2006), “Nanostructural and optical features of hydrogenated nanocrystalline silicon films prepared by aluminium-induced crystallization”, Thin Solid Films, 503, pp 55-59 81 [35] N.H Nickel, et al (2000), “Raman spectroscopy of heavily doped polycrystalline silicon thin films”, Physical Review B, 61(23), pp 1555815561 [36] O Saadane, et al (2003), “Structural, optical, and electronic properties of hydrogenated polymorphous silicon films deposited from silane–hydrogen and silane–helium mixtures”, Journal of Applied Physics, 93(11), pp 93719379 [37] Oliver Nast, Andreas J Hartmann (2000), “Influence of interface and Al structure on layer exchange during aluminum-induced crystallization of amorphous silicon”, Journal of Applied Physics, 88(2), pp 716-724 [38] Oliver Nast, et al (1998), “Aluminum-induced crystallization of amorphous silicon on glass substrates above and below the eutectic temperature”, Applied Physics Letters, 73(22), pp 3214-3216 [39] Ozgenc Ebil, et al (2010), “Aluminum-induced crystallization of amorphous silicon films deposited by hot wire chemical vapor deposition on glass substrates”, Thin Solid Films, 519, pp 178-183 [40] Per I Widenborg, Armin G Aberle (2002), “Surface morphology of poly-Si films made by aluminium-induced crystallisation on glass substrates”, Journal of Crystal Growth, 242, pp 270-282 [41] P.I Widenborg, A G Aberle (2002), Proceeding of the 29th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, New Orleans (USA), pp 1206 [42] R.B Bergmann, et al (1997), “Solid-phase crystallized Si films on glass substrates for thin film solar cells”, Solar Energy Materials and Solar Cells, 46, pp 147-155 82 [43] R C Miller, A Savage (1956), “Diffusion of Aluminum in Single Crystal Silicon”, Journal of Applied Physics, 27(12), pp 1430-1433 [44] Ralf B Bergmann, et al (1998), “Formation of polycrystalline silicon with log-normal grain size distribution, Applied Surface Science, 123/124, pp 376-380 [45] Scotten W Jones (2008), Diffusion in Silicon, IC Knowledge LLC [46] S Gall, et al (2002), Proceedings of the 29th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, New Orleans (USA), pp 1202 [47] S Gall, et al (2002), “Aluminum-induced crystallization of amorphous silicon”, Journal of Non-crystalline Solids, 299-302, pp 741-745 [48] S Gall, et al (2009), “Polycrystalline silicon thin-film solar cells on glass”, Solar Energy Materials & Solar Cells, 93, pp 1004-1008 [49] Thanh Nga Nguyen, Sungwook Jung (2009), “Advanced Solid-Phase Crytallization of Amorphous Silicon on a Glass Substrate”, Journal of the Korean Physical Society, 54(6), pp 2367-2372 [50] T Antesberger, et al (2007), “Structural and electronic properties of ultrathin polycrystalline Si layers on glass prepared by aluminum-induced layer exchange”, Applied Physics Letters, 91, pp 201909-201911 [51] U Koster (1978), Physica Status Solidi A, 48, pp 313 [52] Zeynep Çelik-Butler, et al (2010), “Piezoresistive polysilicon film obtained by low-temperature aluminum-induced crystallization”, Thin Solid Films, 519, pp 479-486 83 ... CHƢƠNG ẢNH HƢỞNG CỦA QUÁ TRÌNH NUNG NHIỆT LÊN SỰ KẾT TINH VÀ ĐỘ DẪN ĐIỆN LOẠI P CỦA MÀNG SILIC TRÊN L? ?P ĐỆM KIM LOẠI NHÔM 32 3.1 Mơ hình khuếch tán nhiệt kết cấu thủy tinh/ Al/a-Si dẫn. .. CHƢƠNG ẢNH HƢỞNG CỦA QUÁ TRÌNH NUNG NHIỆT LÊN SỰ KẾT TINH VÀ ĐỘ DẪN ĐIỆN LOẠI p CỦA MÀNG SILIC TRÊN L? ?P ĐỆM KIM LOẠI NHƠM 3.1 Mơ hình khuếch tán nhiệt kết cấu thủy tinh/ Al/a-Si dẫn đến hình thành màng. .. nhiều phƣơng ph? ?p khác nhƣ: phún xạ magnetron, CVD PECVD, phƣơng ph? ?p kết tinh pha rắn, phƣơng ph? ?p kết tinh laser, phƣơng ph? ?p kết tinh màng a-Si đƣợc thực trình khuếch tán nhiệt Al vào màng