高性能低溫多晶矽薄膜電晶體之製程技術與特性研究 - 國立交通 ...

多晶矽薄膜電晶體因為具有較高的載子移動率，及可將周邊驅動電路與液晶面板積體化至玻璃基板上來降低液晶顯示器之生產成本的優勢，使得它成為液晶顯示技術應用中的關鍵 ... Skipnavigation 目前位置：國立交通大學機構典藏 學術出版 畢業論文 標題: 高性能低溫多晶矽薄膜電晶體之製程技術與特性研究StudyontheProcessTechnologiesandCharacteristicsofHigh-PerformanceLowTemperaturePolycrystallineSiliconThin-FilmTransistors 作者: 蔡春乾Chun-ChienTsai鄭晃忠Huang-ChungCheng電子研究所 關鍵字: 薄膜電晶體;低溫多晶矽;二極體倍頻固態連續波雷射;準分子雷射;雷射結晶法;Thinfilmtransistors;Lowtemperaturepolycrystallinesilicon;Diode-pumpedsolid-statecontinuous-wavelaser;excimerlaser;lasercrystallization 公開日期: 2007 摘要: 多晶矽薄膜電晶體因為具有較高的載子移動率，及可將周邊驅動電路與液晶面板積體化至玻璃基板上來降低液晶顯示器之生產成本的優勢，使得它成為液晶顯示技術應用中的關鍵元件，並且在高附加價值與多功能整合的系統面板（System-on-Panel）的應用及三維積體電路(3-DICs)的實現上具有很大的潛力。

在現階段，採用準分子雷射退火法對非晶矽薄膜進行再結晶是最有潛力的量產結晶技術，藉由達到快速熔融與固化再結晶的方法，可得到一高品質的多晶矽薄膜並且可以保持玻璃基板不受到高溫的影響。

雖然透過準分子雷射可有效的提升多晶矽層的結晶性，但此方法仍有些許缺點，如隨機的晶粒邊界及晶粒分佈、大晶粒的製程窗口較窄小、主動層和介電層之間造成大的粗糙界面等等。

在本篇論文裡，我們將提出多項雷射結晶方法及元件結構來增進低溫多晶矽薄膜電晶體的特性。

首先，為了改善低溫多晶矽薄膜電晶體的電特性，我們先針對元件通道的多晶矽薄膜結晶性進行改善。

一種我們具有晶粒邊界位置控制的底閘極低溫多晶矽薄膜電晶體方法將被提出而加以探討。

其結晶機制敘述如下，因為底閘極結構邊緣台階區提供了較厚非晶矽層，在準分子雷射退火時，我們只需將雷射能量控制在可以使薄區的非晶矽薄膜完全熔解的能量密度以上，同時讓厚區的非晶矽薄膜部分熔解而確保留下部分微晶矽作為晶種，就可以得到一致分佈的大型晶粒成長，因此可以提升薄膜的均勻性及元件的效能。

由實驗的結果分析可知，我們可以得到最大長度約為0.85μm長的人為控制晶粒。

我們也製作出單一晶粒邊界的低溫多晶矽薄膜電晶體，其載子移動率可達到330cm2/V-s，同時閘極引起的汲極漏電和紐結效應也減少了，而且元件的均勻性也大幅提升。

而且在閘極偏壓的可靠度量測之下，我們發現單一晶粒邊界的底閘極低溫多晶矽薄膜電晶體有較小的起始電壓漂移量及較高的崩潰電場，因此更適用於元件的微小化。

雖然單一晶粒邊界的底閘極低溫多晶矽薄膜電晶體表現出良好的電特性，由於偏離的黃光微影製程，造成源極（汲極）相對於閘極的離子佈植不對稱，使的元件的電特性不對稱。

因此我們結合背後曝光方法與單一晶粒邊界的底閘極低溫多晶矽薄膜電晶體製作出新穎之自我對準的單一晶粒邊界的底閘極低溫多晶矽薄膜電晶體。

我們不僅包留了單一晶粒邊界的底閘極低溫多晶矽薄膜電晶體的良好特性，自我對準的單一晶粒邊界的底閘極低溫多晶矽薄膜電晶體也表現出良好的電對稱性。

如此一來我們更能將自我對準的單一晶粒邊界的底閘極低溫多晶矽薄膜電晶體應用於畫素電路中的開關元件。

將元件縮小，雖然可以進一步的提升多晶矽薄膜電晶體的電特性，但是也遭遇到嚴重的短通道效應，尤其是薄膜電晶體因為本身通道較多的缺陷及低溫製程，短通道效應更是較傳統金氧半場效電晶體明顯嚴重，因此雙閘極結構結合通道晶粒成長的技術也在本論文提出，藉由該底閘極的準分子雷射結晶法，通道中的晶粒成長控制來得到較好的結晶性，與上下雙閘極對通道的耦合來改善閘極對通道的控制能力，其N型元件以單通道長度換算之等效載子移動率可超過1050cm2/V-s，而P型元件則超過480cm2/V-s。

此元件有高驅動電流，高開關電流比，優異的短通道抵抗力，較陡峭之次臨界擺幅，較小的汲極誘導能障下降(DIBL)，同時均勻性也得到改善。

雖然利用底閘極的準分子雷射結晶技術可以有效的改善多晶矽薄膜結晶性，但是不可避免的，在低溫多晶矽薄膜電晶體的通道中存在一高角度的晶粒邊界，進而對於元件電特性造成劣化及耐用度上的問題。

因此我們提出了一個新穎的側向雷射結晶方式-間隙壁式結晶法-來消彌通道中的高角度的晶粒邊界，其結晶機制是利用空間上的熱傳機制來達成晶粒橫向成長的目的，首先利用傳統間隙壁法製作出50奈米大小的晶種，並在局部微小區域產生兩種厚度不同的非晶矽薄膜，當準分子雷射照射在此一結構上，使較薄的區域完全熔融時，而間隙壁較厚的區域部分熔解，晶粒便會以這些非晶矽間隙壁為結晶起始點，做橫向成長，再藉由適當的安排間隙壁與元件通道的相關位置，我們將可以消除通道中所有垂直電流方向的晶粒邊界，更進一步的改善元件的載子移動率與均勻性。

以通道長度為2μm的元件為例，以此結晶方法做出的低溫多晶矽薄膜電晶體其載子移動率可以到達288cm2/V-s，而傳統的元件的載子移動率只有129cm2/V-s.。

為了更進一步的提升多晶矽薄膜電晶體的驅動能力，達到一類似絕緣層上覆晶矽（Silicon-On-Insulator-like）金氧半場效電晶體的效能，進而實現SOP或3DICs的夢想，無晶粒邊界的單晶矽電晶體（Single-grainTFT）是最終目標的元件，因此我們提出了一個新穎的二維晶粒控制側向成長的雷射結晶方式，結合上述之非晶矽間隙壁及先定義矽薄膜之結晶法來分別達成X軸及Y軸的熱梯度，進而完成單晶粒之側向晶粒成長。

從實驗分析結果發現，我們可以得到一直徑為1.8μm大的圓型週期性單晶粒矽薄膜。

以通道長度為1.5μm的元件為例，以此結晶方法做出的低溫多晶矽薄膜電晶體其載子移動率可以到達308cm2/V-s，開關電流比則高於10的8次方，且具高度的均勻性。

上述的結晶法雖然可以達成大晶粒成長及高性能薄膜電晶體的目的，而本論文亦提出一新式的固態連續波雷射（Continuous-waveLaser）退火技術，直接利用控制掃瞄速度及掃瞄功率來達成晶粒橫向成長。

一長度達15μm的多晶矽薄膜晶粒可以製作出來而不損傷到玻璃基板，而實驗結果亦顯示矽薄膜具有極佳的結晶性，同時其晶粒邊界位置的表面粗糙度極為平順。

利用連續波雷射結晶法製作的低溫多晶矽薄膜電晶體擁有優異的電特性，例如較高的電子移動率（n通道的其載子移動率可達500cm2/V-s，而p通道的為200cm2/V-s）及較高的開關電流比。

另外，我們也探討了利用連續波雷射在摻雜活化的退火特性，其由四點探針分析可得一片電阻低於50Ω/□，同時由二次離子質譜分析儀得到一均勻分佈的摻雜雜質，因此連續波雷射退火法是一個低熱預算和高效率的活化方法。

由於連續波雷射結晶法製作大晶粒流程十分簡單，因此使用連續波結晶法製作的低溫多晶矽薄膜電晶體的亦極適合於未來系統面板的應用。

Low-temperaturepolycrystallinesilicon（LTPS）thinfilmtransistors(TFTs)havebeenextensivelystudiedforactivematrixflatpaneldisplays(AMFPDs),full-functionsystem-on-panel(SOP),andpotentialforthe3-dimensionalintegratedcircuits(3D-ICs)applicationsowingtotheirhighfield-effectmobility,lowpowerconsumption¬¬,highreliability,highresolution,andlowfabricationcostbytheintegrationofdriverandcontrollerICs.Atthismoment,excimerlasercrystallization(ELC)ofamorphoussilicon(a-Si)thinfilmsseemstobethemostpromisingmethodforitsgreatadvantagesinmassproductionandhighqualitysilicongrainswithoutdamagetotheglass/plasticsubstrates.Althoughlargegrainscanbeattainedinthesuperlateralgrowth(SLG)regimebyELC,manyfinegrainsstillspreadbetweentheselargegrainsduetothenarrowprocesswindowforproducinglarge-grainpoly-Siandhighlyroughinterface.Consequently,non-uniformandrandomlydistributedpoly-SigrainswillresultinthelargevariationofTFTperformancewhenthelaserenergydensityiscontrolledintheSLGregime,especiallyforthesmall-dimensionalTFTs.Inthisthesis,manyapproaches,includingtechniquesofexcimer-laser-crystallizedpoly-Sithinfilms,advanceddevicestructures,anddiode-pumpedsolid-state(DPSS)continuous-wave(CW)laserannealing,havebeenproposedtofurtherenhancetheperformanceofLTPSTFTs. Atfirst,fromtheperspectiveofimprovingchannelmaterialquality,LTPSTFTswithbottomgates(BG)havebeendemonstratedtoachievelargesilicongrainsduetothelateralgraingrowth.Inthismethod,a-Sithinfilmwithtwokindsofthicknessesinalocalregionwasformedbythedepositionofa-Sifilmsontheplateaustructure.Whentheexcimerlaserirradiationisappliedonthea-Sithinfilm,theappliedlaserenergydensityiscontrolledtocompletelymeltthethinregionofa-Sifilminthechannelregionbutpartiallymeltedthethickregionofa-Sifilmneartheedgesofbottomgate.Therefore,alateraltemperaturegradientcanbeproducedbetweenthelocalthinandthickregionsofa-Sifilm,andthelateralgraingrowthstartedfromtheun-meltedsiliconsolidseedatthebaseneighbortothebottom-gatecorner,andextendedtowardthecompletelymeltedregionuntilthesolid-meltinterfacefromoppositedirectionimpinges.Frommaterialanalyses,itcanbeobservedthatthelargelongitudinalgrainsartificiallygrownofabout0.85μminsizewereobservedinthedevicechannelregion.Therefore,high-performanceBGLTPS-TFTshavebeendemonstratedwiththefield-effectmobilityexceeding330cm2/V-s,lowGIDLeffect,suppressedkinkcurrent,andimproveddeviceuniformityduetothelargesilicongrains.Moreover,theBGTFTsrevealhigherbreakdownvoltageandbetterreliabilityduetothesmoothinterfacebetweengatedielectricandpoly-Sichannelfilmsasthinnergateoxidewereemployedwithoutadditionalprocessesormaterials.TheimprovedbreakdownanddrivingcharacteristicsimplythattheproposedBG-TFTstructureismoresuitableforthedevice-scaled-downapplications. AlthoughBGLTPS-TFTsexhibitsuperiorelectricalcharacteristics,asymmetricalelectricalcharacteristicsarealsoobservedduetothemisalignedprocesseffect.Therefore,aself–aligned(SA)bottom-gateTFTwithappropriatechannellengthhasbeenfabricatedbythesimpleELCandbacksideexposure.Asaresult,notonlyalltheadvantagesofBGLTPS-TFTswithlateralsilicongrains,butalsothesymmetricalelectricalcharacteristicscanbealsoobservedinSABGLTPS-TFTs.Consequently,SA-BGTFTswiththechannellengthof1μmexhibitedfield-effect-mobilityreaching193cm2/Vswithouthydrogenation,whilethemobilityoftheconventionalnon-SA-BGTFTsandconventionalSAtop-gateoneswereabout17.8cm2/Vsand103cm2/Vs,respectively. Shrinkingthedevicesizeisaneffectivewaytoimprovingthedeviceperformance,butpoorshort-channeleffects(SCE)isencounteredowingtotheinsufficientgatecontrollability.Novelhigh-performanceLTPSTFTswithdouble-gate(DG)structureandcontrolledlateralgraingrowthhavebeendemonstratedbyexcimerlasercrystallization.Becauseofthedoublegateoperationmodeandlateralsilicongrainsformedinthechannelregion,thedeviceshaveahigherdrivingcurrent,steepersubthresholdslope,superiorshort-channeleffectimmunity,andsuppressionofthefloating-bodyeffect.TheproposedDGTFTs(W/L=1/1μm)havetheequivalentfield-effect-mobilityexceeding1050cm2/VsfortheN-channeldevice,480cm2/VsfortheP-channeldevice,on/offcurrentratiohigherthan1E9,smallerDIBL,andexcellentdeviceuniformity. Althoughthecrystallinityofpoly-SithinfilmcanbeeffectivelyenhancedviaELCwithbottom-gatestructure,itisinevitablethatthereisahighanglegrainboundaryinthemiddleofchannelregion,whichdegradestheTFTperformanceandreliability.Anovellasercrystallizationmethodwhichcanremovethehighanglegrainboundaryandproducethelargeanduniformgrainsinthedesiredlocalregionisproposedtoimprovethefield-effectmobilityaswellasthedeviceuniformity.Periodicallylateralsilicongrainswith2μminlengthcanbeartificiallygrowninthechannelregionsviatheamorphoussiliconspacerstructurewithexcimerlaserirradiation.Bytheway,suchperiodicallylargeandlateralgrainsintheTFTswouldachievehighfield-effectmobilityof298cm2/Vs,ascomparedwiththeconventionalonesof128cm2/Vs.Inaddition,thedevice-to-deviceuniformitycouldbeimprovedduetothislocation-manipulatedlateralsilicongrains. InordertofurtherimprovetheperformanceofLTPSTFTs,single-grainTFTinwhichthechannelisgrain-boundary-freewillexhibitSOI-likeperformancetosatisfytherequirementsofsystemonpanel.Anewcrystallizationtechnologyforproducingtwo-dimensionallateralgraingrowth,aimingatsingle-grainTFT,hasbeendevelopedbyexcimerlaserirradiationrelyingonthespatiallytemperaturedistributionattheartificiallysites.Thehighqualitysilicongrainsarecontrolledviamanipulatingsuperlateralgrowthphenomenonbyspatiallytwokindsofsiliconfilmsandpre-patternedstructure.Anarrayof1.8-μm-sizeddisklikesilicongrainsisformedperiodically.Notonlyhigh-performancepoly-SiTFTswithfield-effect-mobilityreaching308cm2/Vsbutalsoexcellentdeviceuniformityaredemonstratedowingtotheartificially-controlledlateralgraingrowth.Proposedpoly-SiTFTs,therefore,havegreatpotentialforthefutureSOPand3D-ICsapplications. Althoughtheaforementionedlasercrystallizationmethodscanfabricatelargehomogeneoussilicongrainsandhigh-performanceLTPSTFTs,anothercrystallizationapproach,anewandsimpleDPSSCWlasercrystallization,isalsoproposedtoproducelateralgraingrowthviacontrollingthelaserscanningspeedandlaserpower.Accordingtotheexperimentalresults,adirectionalriver-likelateralSigraingrowthwithtensofmicron,flatsurfacemorphology,andexcellentcrystallinityareachievedwithoutdamagetotheglasssubstrates.Asaresult,ultra-highperformanceCWlaser-annealedLTPS-TFTshavebeenfabricatedontheoxidizedsiliconwaferforthefirsttimewithfield-effectmobilityexceeding504cm2/V-sforn-channeldevicesand220cm2/V-sforp-channeldevices.ItisalsofoundthatCWlaserannealingisalow-thermal-budgetandhigh-efficiencydopantactivationmethodattributedtothelowsheetresistanceanduniformlyredistributeddopantprofilesafterCWlaserannealing.Becauseofthesimpleprocess,continuous-wavelaser-annealedLTPSTFTsareverypromisingforthefutureSOP,3D-ICs,andsolarcellapplications. URI: http://140.113.39.130/cdrfb3/record/nctu/#GT009211814http://hdl.handle.net/11536/67856 顯示於類別：畢業論文 文件中的檔案： 存到雲端 181401.pdf IR@NCTUTAIRCrossRef應用於系統面板之連續波雷射結晶多晶矽薄膜電晶體之研究/胡明哲;Hu,Ming-Jhe;鄭晃忠;Cheng,Huang-Chung以雷射結晶化高密度電漿成長非晶矽鍺薄膜之低溫虛擬基板/劉東閔;Liu,Tung-Ming;安惠榮;Ahn,Hyeyoung以連續波雷射結晶之高性能多晶矽薄膜電晶體之研究/周佳信;鄭晃忠;Chou,Chia-Hsin;Cheng,Huang-Chung高性能低溫多晶矽薄膜電晶體製作與特性之研究/林敬偉;Ching-WeiLin;鄭晃忠;Huang-ChungCheng金屬誘發側向結晶應用於低溫多晶矽薄膜電晶體-結晶成長之熱力學、動力學及電晶體元件效能/胡國仁;Guo-RenHu;吳耀銓;YewChungSermonWu低溫多晶矽薄膜電晶體在動態操作下之可靠度研究/李逸哲;劉柏村;Po-TsunLiuNoDataAvailable.Loading...