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1、低温多晶硅TFT-LCD制作技术的发展与趋势newmaker摘要 人类正在进入信息时代，在这一时代，作为显示技术，薄膜晶体管液晶显示（TFT-LCD ）越来越被市场看好，因为该技术具有低功耗，高分辨率等优点。TFT-LCD 可分为非晶硅（ a-si）与多晶硅（p-si）以及单晶硅（ s-si）等型，相比之下， p-siTFT-LCD更能克服电源的不稳定以及对大规模集成电路（ LSL）的依赖，从而能大大降低成本，所以p-si TFT-LCD成了目前研制与开发LCD 的主流。一、前言依据加工的温度， p-si TFT 又可分为低温与高温TFT（LTPS-TFT 与 HTPS-TFT ）两类。由于加
2、工的温度不同，用它们制作的TFT-LCD 便有着如表 1 所示的差异。从表1 可以得知 LTPS TFT-LCD器件要比 HTPS TFT-LCD器件具有更低的成本，更简明的工艺和更大的应用范围，因而近来得到了广泛的研究与发展。表 1 LTPS 与 HTPS TFT-LCD的比较二、LTPS TFT-LCD技术的回顾对 LTPS TFT-LCD技术的研究起始于上世纪80 年代中期： 1984 年， 4.32cm 屏对角线的产品问世;1996 年，6.35cm 屏对角线的产品问世；1998 年，日本东芝公司开始批量生产LTPS TFT-LCD器件，其尺寸已达38.1cm ，分辨率也达到了UXGA
3、 级。表 2 两种门结构的 TFT 三、LTPS TFT-LCD器件的基本结构LTPS TFT-LCD器件多为等平面金属氧化物半导体（CMOS ）式的（图 1）。之所以采用这种结构，是因为它具有高速、低功耗以及设计余地大等优点。这种结构是以离子注入形成能自动与门校准的信号源与道沟；其道沟是浅注入道沟，能够通过减少沟边电场来提高可靠性。对通道则施加调节电路所需的阀值电压。器件的门绝缘层是以等离子体化学气相沉积（PE-CVD ）法制作的。在其下涂有 SiN/SiO2 层，用于阻止 Na 由基底玻璃的扩散， 门材料为钨钡合金， 具有 P=12 /cm的低电阻。图 1 两种 LTPS TFT 的结构L
4、TPS TFT-LCD器件有底门结构与顶门结构两种类型。顶门结构的 TFT 与大规模集成电路晶体管十分相似。由于它的表面与道沟重选，故其寄生电客可通过门自校准减至最小，从而使功耗降低，并在进行 ELA（激发激充焙烧）工艺时能较容易地得到均匀的p-si TFT ；而底门结构却因需要确保其介电性与可靠性而难以形成门绝缘层，从而会造成 p-si 表面的污染。表 2 是两种门结构TFT 的对比。它表明，顶门 TFT 易于取得高电子 空穴场效应范围；并且它不象TFT 那样要制作一小于20 度斜角锥金属门电极，从而需在角锥区对a-si 膜再晶化并连续改变通道区p-si 膜颗粒的尺寸，所以难以控制实施 EL
5、A 的条件。因而在所有性能上，顶门TFT 均要优于底门TFT，所以在未来顶门结构为LTPS TFT 的主流结构。图 2 两种门结构的 LTPS-LCD 工艺流程四、LTPS TFT-LCD的工艺状况与发展图 2 是两种门极结构的LTPS TFT-LCD制作工艺流程，本文将在以后各节作讨论。4.1 PECVD 工艺在制作 LTPS TFT-LCD器件中， PECVD 工艺用于在基底上制作a-si 预置膜。这种方法适合于批量生产 LTPS TFT-LCD器件。目前使用的 PECVD 设备已经发展到第四代。 在这一过程中， 制作的 a-si以及 SiN 膜的均匀度与质量均有了较大的提高。但是各代设备
6、的投资效益却呈下降趋势（表3）。目前正通过改进等离子体曝射、催化CVD 法、免脱氧工艺等方法来提高投资效益。表 3 各代 PECVD 设备的投资效益4.2 ELA 工艺ELA 工艺在制作 LTPS TFT-LCD器件时，主要是用于对p-si 薄膜进行晶化，而良好的p-si 膜是制备高性能器件的必要条件之一。晶化是通过改变粒度尺寸来改进p-si 膜的表面形态并提高其场效应迁移率进行的；目前的ELA 工艺已取得了400cm2/N 秒以上的迁移率。但采用这种方法时，迁移率的提高受限于表面之颗粒边界发生的溅射，故需进一步改进P 道沟的性能。对于不同尺寸的基底实施ELA 工艺所取得的生产率是不同的（表4
7、）。ELA 工艺的产品质量还与其功率与光束的波长有关 （图 3）。目前的 ELA 工艺采用的多为准分子激光器，其能量被控制在530670mJ 。采用涂铬玻璃基底有助于制作均匀的p-si 薄膜 ;但要制作高度均匀的薄膜，则需要提高准分子激光峰值间的能量稳定性。可用于对p-si 薄膜进行晶化的方法还有MIC（金属诱化晶化）、SPC（固相晶化）等方法，因在制作LTPS TFT 之 p-si 薄膜方面不如ELA 工艺使用得那样普遍，故不赘述。表 4 在不同尺寸基底上实施ELA 的生产率4.3 离子注入与激活工艺离子注入是用于控制p-si TFT-LCD器件的阈值电压， 并形成电子空穴源与道沟的。图 4
8、 为两种门结构之 LTPS P-Si TFT-LCD器件的离子注入步骤。 目前已用非基团隔离的离子注入技术取代了离子填充法，因而有益于以低能量大面积制作P-Si TFT ；但是这种方法有一个缺点，即难以精确地控制掺杂量。图 3 在 ELA 工艺中，作为基底尺寸函数之激光能量与膜表面颗粒度的关系离子注入可以分为掺杂（I/D）与植入（ I/I）两种方式。因 I/D 法的掺杂量大于I/I 法的，并且采用I/D法时离子的能量较高，所以采用I/D 法时，基底的温度也会比采用I/I 法时的高。但 I/D 法有对掺杂量控制不稳的缺点。在生产率方面，I/I 法要高些，因此在进行大剂量离子注入时，宜用I/D 法
9、，反之则适于用 I/I 法。对注入的掺杂物离子要进行激活。目前已有了ELA、RTA（快捷热焙烧）以及炉内热焙烧等到方法，这些方法各有其优缺点（表5），而目前较为通用的是ELA 法。表 5 各种激活掺杂离子的方法比较4.4 门绝缘层的氧化高质量的门绝缘层对制作出高性能LTPS p-Si TFT来说，是十分重要的。 要制取高质量的门绝缘层，就需要对门绝缘层进行必要的氧化。在制作 p-Si TFT 来说，目前已有了不采用传统PECVD 的方法 ;因为如采用这种方法，所用的N2O 气体中的氨会使氧化好的门绝缘层（SiO2 膜）出现缺陷，因而在新方法中采用了TEOS （四乙基氧硅烷）气体；这是因为其在等
10、离子体内的高分解率会在基底近表面处产生高浓度的氧，有助于减少门绝缘层SiO2 膜的缺陷。图 4 两种门结构之 LTPS p-Si TFT-LCD的离子注入步骤4.5 光刻技术光刻工艺与 LTPS p-SiTFT-LCD器件的分辨率与校准精确度关系密切。目前用于制作p-Si TFT-LCD器件的光刻设备已发展到第四代。表6 是各代 p-Si TFT 光刻设备的性能比较。即使是第四代光刻设备，也还存在着继续提高分辨率与校准精度的余地。五、结束语LTPS p-Si TFT-LCD技术的优势与应用潜力使其在未来会有一个很大的发展。表7 即是这种技术的发展趋势。该技术的发展必将有力地促进TFT-LCD 技术的整体发展，使更多新型高性能p-Si TFT-LCD 器被推出，而这些新型p-Si TFT-LCD 器件的应用也必将会大大方便人们未来的工作与生活。(end)
