Low Temperature Polysilicon Materials and Devices

Abstract

In this paper, we essentially discuss the material aspects of low temperature (≤ 600 °C) polysilicon technologies. Emphasis is put on the properties of polysilicon films, depending on the way they are obtained. Solid phase crystallisation as well as pulsed laser crystallisation processes are presented in some detail, together with thin film transistor characteristics. Although not yet stabilised and despite uniformity and reproducibility problems, laser crystallisation will probably end up being the technology of choice for the manufacture of large area electronics products, because it allows the fabrication of devices exhibiting superior properties, with a reduced thermal budget.

Thin film transistors fabricated by in situ doped unhydrogenated polysilicon films obtained by solid phase crystallization

“…On the other hand, the Excimer Laser Annealing (ELA) is the most important and promising crystallization technique of TFT polysilicon layers. But this process is more expensive and more difficult to implement, in particular in terms of surface roughness [8]. However, excimer laser annealed polysilicon layers offer usually a higher degree of crystallinity [9].…”

Cristallisation du silicium amorphe par laser à excimères

“…En effet, bien qu'il soit possible d'obtenir du matériau polycristallin directement par dépôt chimique en phase vapeur, (CVD) autour de 600°C [3], ce dernier présente en général un état de surface rugueux qui se prête mal au transport électronique de surface (cas typique des composants à effet de champ), les aspérités superficielles diffusant les porteurs, dégradant ainsi leurs mobilités. Les conditions de dépôt conduisant à l'obtention d'un "bon" amorphe ont donc été soigneusement étudiées et rapportées dans la littérature [3,5]. Les conditions de dépôt du précurseur amorphe étant déterminées, les études ont tout d'abord porté sur la cristallisation en phase solide de ce matériau.…”

“…Les conditions de dépôt du précurseur amorphe étant déterminées, les études ont tout d'abord porté sur la cristallisation en phase solide de ce matériau. Typiquement, cette opération est effectuée à 600°C, pendant des durées de quelques dizaines d'heures et l'on peut obtenir des tailles de grains allant jusqu'à 5 um (pour des épaisseurs de couches de 100 nm) lorsque les conditions de dépôt du précurseur amorphe sont optimisées [3,5]. La figure 3 présente une vue au microscope électronique en transmission (MET) de ce type de couche.…”

“…Il apparaît clairement que la densité de défauts étendus est très importante, avec en particulier un maclage systématique des grains. Ce maclage est inhérent au mode de cristallisation en phase solide, car il est initié aussi bien au cours de la nucléation des grains (étape de formation des embryons critiques) qu'au cours de leur croissance [5]. Il est clair que ces différents défauts étendus vont notablement dégrader le transport électronique dans le matériau et que les TFTs correspondants seront de qualité médiocre par rapport à leurs homologues en Si monocristallin.…”

N-shot SLS-processed polycrystalline silicon TFTs

“…[1][2][3] Such films have a significant technological importance in large-area microelectronic applications such as AMLCDs or OLED displays in that they can be used as a high-quality semiconducting material for the fabrication of thin-film transistors (TFTs). High-quality TFT devices are desirable as they can enable integration of various driver components directly onto the substrate in order to reduce manufacturing costs and to increase the functionality of large-area microelectronics.…”