低温多晶硅TFT-LCD制作技术的发展与趋势

低温多晶硅TFT-LCD制作技术的发展与趋势
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
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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级。
表2 两种门结构的TFT
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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=12μΩ/cm的低电阻。
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图1 两种LTPS TFT的结构
LTPS 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ELA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。
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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。
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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）。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530～670mJ。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。
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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。
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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，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。
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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。
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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