Improved Ni‐Gettering Efficiency by Phosphorus Ions Implant

After the gettering process, the gettering layers were examined by OM to investigate the  gettering efficiency.    The results are shown in Fig. 2‐9.    In Fig. 2‐9a, the pink region is α‐Si  and the green region is needle‐like NILC poly‐Si verified by SEM, as shown in Fig. 2‐10a.    The  microstructure  of  NILC  poly‐Si,  in  Fig.  2‐9d,  is  composed  of  needle‐like  poly‐Si  grains  but  etched  away  mostly  by  Secco  etching  solution,  as  illustrated  in  Fig.  2‐10b.    This  means 

  Figure  2‐9  OM  images  of  the  Ni‐gettering  phenomenon  by  (a)  a  α‐Si  film,  and  the 

phosphorous‐doped  α‐Si  films  at  a  dosage  of  (b)  1×10¹⁴  cm^‐2,  (c)  1×10¹⁵  cm^‐2,  and (d) 1×10¹⁶ cm^‐2, respectively. 

Figure 2‐10 SEM images of the NILC poly‐Si grains of Ni‐gettering layers: (a) a α‐Si film, and (b)  a  phosphorous‐doped  α‐Si  film  at  a  dosage  of  1×10¹⁶  cm^‐2.    Samples  were  treated with Secco‐etching. 

that  some  implant  damages  formed  in  intrinsic  α‐Si  during  ion  implantation.    When  p16‐α‐Si  was  transformed  into  NILC  poly‐Si,  the  crystalline  quality  was  poor  and  these  damages or defects trapped Ni.    Therefore a lot of NILC poly‐Si grains were etched away. 

Figure  2‐9d  also  shows  that  the  length  of  the  NILC  poly‐Si  growth  on  the  p16‐α‐Si 

gettering layer is 13μm, which is much shorter than that (60 μm) on the α‐Si gettering layer.   

Since  the  NILC  grains  were  induced  by  indiffusion  of  Ni  atoms,  it  seemed  that  phosphorus  dopant  did  not  improve  the  gettering  efficiency  of  α‐Si.    The  further  investigation  of  the  dopant effect on the NILC rate is discussed in chapter 2‐3‐5. 

In addition to the gettering layer, the gettering efficiencies of ASiGET and PSiGET poly‐Si  films  are  also  investigated.    The  NILC/NILC  boundary  in  Fig.  2‐11  is  examined  by  SEM  to  compare Ni‐gettering efficiency.    After the gettering layer and chem‐SiO2 were removed, the  samples were dipped into a silicide‐etching solution (HNO3:NH4F:H2O=4:1:50).  As shown in  Fig.  2‐12a  and  b,  numerous  holes  are  observed  at  the  boundaries  where  two  NILC  poly‐Si  fronts  intersected  (NILC/NILC  boundaries).    These  holes  are  residues  of  the  Ni  silicide  that  had been etched away by the silicide‐etching solution.    These silicide‐etching holes seen in  Fig.  2‐12b  are  quite  sensitive  to  the  reduction  of  Ni  residue  in  the  NILC  poly‐Si,  and  are  therefore ideal for elucidating the ‘‘Ni gettering’’ phenomenon observed. 

After  the  gettering  process,  fewer  and  smaller  silicide‐etching  holes  are  found  at  the 

  Figure 2‐11 OM image of NILC/NILC boundary treated with TMAH etching. 

  Figure 2‐12 Schematic illustration of (a) silicide‐etching holes at NILC/NILC boundaries, and  SEM  images  of  etching  holes  of  (b)  NoGET,  (c)  ASiGET,  (d)  PSiGET‐14,  (e)  PSiGET‐15,  and  (f)  PSiGET‐16.    Samples  were  treated  with  the  silicide‐etching  solution. 

NILC/NILC  boundaries  of  ASiGET,  PSiGET‐14  and  PSiGET‐15  as  shown  in  Fig.  2‐12c‐e.   

Furthermore,  there  are  almost  no  silicide‐etching  holes  observed  at  the  NILC/NILC  boundaries  of  PSiGET‐16,  as  shown  in  Fig.  2‐12f.    These  results  indicate  that  phosphorous  dopant  did  improve  the  gettering  efficiency  of  α‐Si,  which  is  different  from  our  OM  observation  of  gettering  layers  (Fig.  2‐9).    But  the  gettering  efficiency  obviously  improves  until doping phosphorus ions at a dose of 1×10¹⁶ cm^‐2. 

Secondary‐ion mass spectroscopy (SIMS) was employed to clarify the Ni concentration  in PSiGET‐16 and ASiGET.    Unfortunately, the Ni concentration in the NILC poly‐Si is hard to 

measure since the SIMS sputtering area (125 μm × 125 μm) is much larger than that in the  NILC poly‐Si area.    Therefore, we used NIC poly‐Si to demonstrate that phosphorus dopant  did improve the gettering efficiency of α‐Si.    Furthermore, we verified the microstructure of  gettering  samples  by  TEM.  The  results  are  shown  in  Fig.  2‐13.    The  top  region  of  the  gettering  layer  displays  darker  than  the  bottom  region  does.    This  means  that  implant  strains remained inside the top region of p16‐α‐Si layer.    The Rp in Fig 2‐13b is about 50 nm  in depth and the gettering layer is about 110 nm thick. 

Even  though  the  Ni  concentration  in  NIC  poly‐Si  was  much  higher  than  that  in  NILC  poly‐Si, we can still have a preliminary understanding of the gettering efficiency of α‐Si films. 

Figure 2‐14 shows that the Ni concentration of NIC poly‐Si is reduced after the Ni‐gettering 

Figure 2‐13 (a) Cross‐sectional TEM images of NIC Poly‐Si films capped with chemical oxide  films  and  gettering  layers,  and  (b)  the  high  magnification  of  a  gettering  layer  around  110  nm  thick.    The  gettering  layer  was  implanted  with  1×10¹⁶  cm^‐2  phosphorous ions and the projection range (Rp) was about 50 nm in depth. 

  Figure 2‐14 SIMS depth profiles of NIC poly‐Si films treated with and without a Ni‐gettering 

process. 

process.    As can be seen, the Ni concentration in NIC poly‐Si with the α‐Si gettering layer is  relatively higher than that with the p16‐α‐Si gettering layer.    Moreover, p16‐α‐Si layer traps  many more Ni atoms than does α‐Si layer.    These results indicate that phosphorous dopant  did improve the gettering efficiency of α‐Si. 

Figure  2‐14  also  shows  that  the  middle  of  the  p16‐α‐Si  layer  has  a  higher  Ni  concentration than other parts of the layer.    This concentration distribution of Ni is similar  to that  of phosphorous atoms  since the projection range  of phosphorous ions is set at the  middle of the α‐Si film.    This result also indicates that phosphorus did trap Ni atoms. 

In  the  gettering  process,  when  more  Ni  atoms  diffused  into  the  gettering  layer,  more  α‐Si  would  be  transformed  into  poly‐Si  by  the  NILC  mechanism.    The  gettering  efficiency  increased  with  the  growth  of  NILC  poly‐Si  grains.    However,  when  the  system  reached  equilibrium,  no  more  Ni  could  diffuse  into  the  gettering  layer.    At  this  point,  the  Ni  concentration in the α‐Si gettering layer will be the same as that in ASiGET.    However, the Ni  concentration  in  the  p16‐α‐Si  gettering  layer  will  be  higher  than  that  in  PSiGET‐16  since  phosphorus  implant  traps  Ni  atoms.    In  other  words,  the  gettering  efficiency  of  α‐Si  is  indeed improved by phosphorous dopant at a dose of 1×10¹⁶ cm^‐2.