奈米矽薄膜機械性質及其在薄膜電晶體應用之研究

Abstract

我們利用電漿輔助化學氣相沈積法在玻璃及聚亞醯胺基板上成長不同氫稀釋比率的非晶及奈米矽薄膜。利用紫外光反射光譜技術與拉曼光譜技術我們獲知薄膜的結晶性以及其本質應力。矽薄膜的彈性模數則由拉伸試驗及奈米壓痕試驗中獲得。 在紫外光反射光譜中，我們發現矽薄膜約從氫稀釋比率為20至30間開始產生結晶，也就是非晶與奈米晶的轉換相點在氫稀釋比率為20至30間；轉換相點與拉曼光譜結果相同，且隨著氫稀釋比率增加，奈米矽的結晶率會隨著增加，氫稀釋比率為90有最大的結晶率為71%。另外從拉曼光譜中我們發現直接沈積在玻璃基板上的奈米矽薄膜呈現張應力，此張應力隨著氫稀釋比增加而增加；但鍍有氮化矽緩衝層上的矽薄膜則呈現相反的趨勢，其張應力隨著氫稀釋比增加而降低。由拉伸試驗及奈米壓痕試驗可以發現其楊氏模數隨著氫稀釋比率變化的趨勢類似，當矽薄膜從非晶相轉變成奈米相時，其楊氏模數會有明顯增加。由拉伸試驗與奈米壓痕試驗，我們可以估計奈米矽的楊氏模數約在110GPa左右。 我們接著將不同氫稀釋比率的矽薄膜，即從非晶到奈米晶一系列的薄膜，應用於下閘極結構之薄膜電晶體中，並探討其電性與穩定性的差異。針對電穩定性的研究，利用偏壓與偏流的方式來測試薄膜電晶體的穩定性。製作的奈米矽薄膜電晶體的臨界電壓約在6V左右，我們發現隨著氫稀釋比率提高，場效遷移率有漸增的趨勢，場效遷移率約在0.22~0.73cm2 V-1S-1，開關比約在105-107之間；且氫稀釋比率為60的薄膜電晶體有最大場效遷移率，可達0.73cm2 V-1S-1。在電穩定性測試方面，我們發現不管是偏壓或偏流的測試，主動層的氫稀釋比率在轉換相之間時，也就是氫稀釋比率為20至30，其薄膜電晶體有最佳的電穩定性。

Silicon thin films with different hydrogen dilution ratios (H2/SiH4) are deposited on glass and polyimide at a substrate temperature of 200