1-1 薄膜電晶體簡介
顯示器(Monitor)是用來表現出電腦運算出來的數值或畫面，顯示 器 大 致 分 為 陰 極 射 線 管(CRT， Cathode Ray Tube) 跟 液 晶 顯 示 器 (LCDs，Liquid Crystal Dislays)二種。然而陰極射線管螢幕具有體積 大、重量重、幅射量高、畫質較差等缺點，隨著薄膜電晶體(TFT，
Thin Film Transistor)的大量研究及量產，其純熟的發展讓使用薄膜電 晶體當開關元件的液晶顯示器以飛快的速度不斷的演進，液晶擁有重 量輕、省電、可攜帶、無輻射及全色彩等優點，因而取代陰極射線管 螢幕而成為主流產品，加上網際網路與無線電通訊技術的急遽發展，
資訊化漸漸普及個人，因此應用於可攜式資訊產品，例如：個人數位 助理(PDA)、數位相機(Digital Camera)、手機面板(Cell Phone)、電腦 螢幕(Monitor)、液晶電視(LCD TV)、筆記型電腦(Note Book)等，均迅 速發展與成長。雖然薄膜電晶體特性近似於 MOSFET，但是半導體層 是由沉積所形成的，比單晶矽半導體有更多的缺陷(Defect)與結晶的 瑕疵發生在薄膜上，導致更多複雜的傳導機制，為了要改善元件特 性、可再現性(Reproducibility)與可靠度，Bulk 與表面缺陷密度必須要 降低[1]。TFT 又分成非晶矽(a-Si TFT)與複晶矽(Poly-Si)兩種，上述兩
模式同樣都是在各畫素下設置 TFT 元件畫素切換，通常灰階控制都 是 採 用 電 壓 變 調 方 式 。 而 目 前 薄 膜 電 晶 體 大 多 製 造 於 非 晶 矽 (amorphous-Si)或者複晶矽(poly-Si)材料上，其特性及物性如表 1.1 所 示。隨著顯示器面積的增大和像素的提高，TFT 對於像素的提高需俱 備高移動率的載子，而驅使 TFT 顯示器必須減短其充放電時間。
非晶矽薄膜電晶體(Amorphous-Silicon Thin Film Transistors)
非晶矽薄膜電電晶體顧名思義其通道所採用的材質為含有大量 氫的非晶矽(a-Si:H)，而非晶矽薄膜電晶體在高效能電路的應用上受 限於他本身不理想的性能，例如它的載子遷移率非常的低，小於 1 cm
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/V-s，如此低的載子遷移率不僅限制了它的驅動能力也使它無法 整合高速的周邊驅動電路，因此非晶矽薄膜電晶體通常只用在畫素的 開關元件上，無法製作週邊的驅動電路與控制電路。而由於非晶矽薄 膜電晶體為了提高驅動電流，必須要有更大的元件尺寸，這會造成畫 素的開口率(Aperture Ratio)無法提高，所以亮度和解析度也無法提 升，只由於它的製程費用低廉簡單，使他仍為主動式陣列的顯示器 (AMLCDs，Active-Matrix Liquid Crystal Display)應用上的主流[2][3]，使他在可靠度上也較複晶矽薄膜電晶體顯示器為差。隨著製程技術演 進，使得複晶矽薄膜電晶體成為取代非晶矽薄膜電晶體一項重要的技 術。
複晶矽薄膜電晶體(Polysilicon Thin Film Transistors)
複晶矽薄膜電晶體利用一些結晶技術提高晶粒的大小，擁有較高 的載子遷移率，所以較小元件的尺寸是被允許的，這代表了較佳的開 口率與較高的明亮度。因此我們則選擇用複晶矽薄膜來當作主動區 (active region)的材料，以便於解決非晶矽低載子遷移率的問題。一般 來說，複晶矽薄膜製作的方式有直接沉積複晶矽薄膜(As-deposited) 及沉積非晶矽再回火的兩種方式。直接沉積複晶矽通常在 600
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C 以 上，一般的玻璃基板無法使用，且直接沉積的複晶矽薄膜，其晶粒 (Grain)較小，缺陷(Defect)較多，以此方式製作的薄膜電晶體特性會 較差，所以通常無人使用此方式製作。另一種製作為先利用低壓化學 氣相沉積(LPCVD，Low Pressure Chemical Vapor Deposition)、電 漿 輔 助 化 學 氣 相 沉 積(PECVD ， Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition)或濺鍍(Sputtering)的方法沉積非晶矽薄膜，再利用熱處理 的方式使其轉變成複晶矽薄膜。複晶矽有許多優點，例如：有高載子 遷移率、優良的操作穩定性及較長的生命週期(lifetime)、具有低的寄 生電容以及和互補式金氧半場效應電晶體(CMOS)結構具有相容性，由於具備這些優點，因此可以使得主動式陣列開關元件整合在相同的 基底，這樣可以減少製作上的成本和增加可靠度[4]。
crystal display, AMLCDs)上外，也有應用在一些記憶體元件如靜態隨 機 存 取 記 憶 (SRAMs ， Synchronous Dynamic Random Access Memory) 、 可 清 除 程 式 化 唯 讀 記 憶 體 (EPROM ， Erasable Programmable Read-Only Memory)、電子式可清除 程式化唯 讀記憶 體 (EEPROMs ， Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)等[5][6]。隨著生活越來越講究，可攜帶式的科技產品須具備 有高密度積體電路製造以及低功率消耗的特點，這些需求已可用傳統 式的方法將元件積體化就可達成了，但以目前發展中科技水準而言，
傳統的方法已達到其技術的限制了，為了去突破積體電路技術的限 制，因而發展三維(3-D)的積體電路技術，複晶矽的 TFT 已可達成三 維的積體電路技術[7]-[9]，此積體電路技術的應用在之前所說的一些 記憶體元件(SRAMs、EPROM、EEPROMs)上。複晶矽電晶體相對於 單晶矽電晶體一直被認為是大有可為的材料,由於它的高載子遷移 率，約一百倍相對於傳統的非晶矽電晶體，使它非常有希望的為未來 高速的主動事陣列的顯示器提供解決方案，雖然高溫製程能使複晶矽 有高效能，低缺陷的優點，但整合周邊電路於玻璃基板的廉價優勢，
使研究製程溫度在 600 度以下的低溫複晶矽薄膜電晶體引起了廣泛 的興趣。
低溫複晶矽薄膜電晶體與目前所用的非晶矽薄膜電晶體相比
較，成本較為便宜，具有更高的解析度，此係電子在複晶矽的傳輸速
TFT skill A-Si Low temperature Poly-Si High temperature Poly-Si Single crystal
Substrate Glass Glass Quartz Silicon wafer Mobility
Temperature( )℃ <300 <600 <900 <1100
表 1.1 薄膜電晶體技術分類比較表
1-2 複晶矽薄膜電晶體的關鍵製造技術
在複晶矽薄膜電晶體中，晶粒與晶粒邊界的缺陷是一個很嚴重的
問題，影響電晶體在主動式陣列顯示器的應用上，這些晶粒邊界的缺 Metal-Induced Crystallization) [11]、與準分子雷射(ELA，Lightly Doped Drain)，其優缺點如表 1.2 所示。
Property Poly-Si Mobility Large area capability Uniformity Throughput As-deposited
△
○
○ ○Furnace
anneal(SPC) ○ ○ ○ △
Rapid themal
anneal ○ × × △
Laser anneal
◎ × × △
◎
=
Excellent，○=Good， =△ Fair，×=Poor 表 1.2 各種複晶矽製作手法之比較固相再結晶(SPC，Solid Phase Crystallization)
所謂的固相結晶是利用加熱的方式使矽原子得到足夠的能量而 重新排列。但其形成機制屬於均質成核，在非晶矽膜的每個位置都有
可能成核，導致成核數目過多，使得晶粒在成長的過程中，受到周圍 晶粒的空間限制而無法得到大晶粒。一般處理方式是將非晶矽薄膜在 600℃熱處理20~48 小時，得到的晶粒尺寸與退火時間成正比關係，
此種方式退火24 小時所得到的複晶矽尺寸約100nm，與直接成長複 晶矽薄膜相比，仍具有較大的顆粒，因此有較高的載子遷移率，且薄 膜表面粗糙度也較低。但是固相在結晶也有缺點的，第一：其回火溫 度仍太高、第二：其回火時間太長、第三，其薄膜包含太多缺陷，高 製程溫度侷限了以玻璃為基板的應用。除此之外，其缺陷影響了薄膜 電晶體的特性。
準分子雷射退火(ELA，Lightly Doped Drain)
利用準分子雷射加熱矽薄膜，將矽薄膜內之內應力及一些缺陷加 以消除，所施加的準分子雷射能量將提供晶格原子及缺陷在矽薄膜內 的振動及擴散，使得矽原子重新排列，進行轉變成複晶矽。由於準分 子雷射之照射僅在局部區域，僅讓照射區之矽薄膜部分承受較高之熱 量，因此其他區域受到準分子雷射的熱衝擊則較小或者甚至沒有，因 此準分子雷射退火又被稱為低溫製程。擁有比固相在結晶技術更大的 晶粒以及較快的製程速度，但其表面較固相在結晶為不平坦，目前廣 為工業界所應用，也被認為最有可能替高速的主動是陣列顯示器提 供解決方案。
金屬與矽反應進行結晶(MIC，Metal-Induced Crystallization)
金屬誘發結晶是選用與矽產生共晶反應的金屬，例如：Al、Au 等，溫度通常比一般單相結晶的溫度低，且金屬溶解在矽中會減弱矽 鍵同時可加強非晶矽的結晶，所以可以在低溫下產生結晶。另一種方 式是利用金屬與矽反應成矽化物，例如：Ni、Pd 等，在矽化物移動 的過程中，金屬原子的自由電子與Si-Si 共價鍵發生反應，以NiSi
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作 為矽結晶的晶種，降低非晶矽結晶所需的能障，使得結晶溫度降低。但晶粒成長所夾帶的金屬矽化物累積在晶粒邊界存在通道內部將嚴 重的影響到元件漏電流的表現。
在考慮薄膜品質與量產需求下，準分子雷射退火為目前工業界所 採 用 的 方 式 ， 也 是 日 後 製 作 超 高 性 能 的 低 溫 複 晶 矽 薄 膜 電 晶 體 (LTPS，Low Temperature Poly-Silicon)的唯一技術。低溫複晶矽是一 個在製造TFT LCD方面的先進製程技術，可以達到極佳的影像品質及 反應時間，具備雷射回火技術，可以在低於攝氏400度溫度下達成矽 膜結晶必提供更快的電子反應，使用的接點極元件更少，且功率消耗 更低。低溫複晶矽薄膜電晶體由於具有較高的載子移動率，一般都大 於100cm
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/V-S，所以除了可以用作畫素的開關元件，還可以用將週邊 電路同時製作於同一個面板上，達到系統在面板(SOP，System On Panel)的目標[12]，且由於少了黏貼晶片的製程步驟，其可靠度面板體積與重量都可以獲得改進，但相較於非晶矽薄膜電晶體，低溫複晶矽 薄膜電晶體具有較大的漏電流，易造成影像資料的流失，必須靠改良 元件的結構來改善，不過缺點是將會增加元件製作的複雜及良率。
1-3不理想效應
雖然複晶矽薄膜電晶體(Poly-Si TFT)擁有高載子遷移率，但非常 大的漏電流相較於傳統的非晶矽，使得複晶矽電晶體在做像素切換開 關時，非常的不盡理想[13]。當元件尺寸越做越小時，一些非理想狀 況就會產生，例如短通道效應，漏電流效應，扭結效應及熱載子效應 等，這些非理想狀況將會影響整個元件，因而使得效能降低，也限制 著Poly-Si TFT在一些主動式顯示器、SOP以及3-D積體電路上的應 用。而在非理想效應方面，如圖1-1所示，漏電流(Leakage Current Effect)、熱載子效應(Hot Carrier Effect)及扭結效應(Kink Effect)都和汲 極端的接面高電場有很大的關係。故降低汲極端電場成為解決這些非 理想狀況的重要工程，尤其是在扭結效應方面。亦既傳統型的Poly-Si
雖然複晶矽薄膜電晶體(Poly-Si TFT)擁有高載子遷移率，但非常 大的漏電流相較於傳統的非晶矽，使得複晶矽電晶體在做像素切換開 關時，非常的不盡理想[13]。當元件尺寸越做越小時，一些非理想狀 況就會產生，例如短通道效應，漏電流效應，扭結效應及熱載子效應 等，這些非理想狀況將會影響整個元件，因而使得效能降低，也限制 著Poly-Si TFT在一些主動式顯示器、SOP以及3-D積體電路上的應 用。而在非理想效應方面，如圖1-1所示，漏電流(Leakage Current Effect)、熱載子效應(Hot Carrier Effect)及扭結效應(Kink Effect)都和汲 極端的接面高電場有很大的關係。故降低汲極端電場成為解決這些非 理想狀況的重要工程，尤其是在扭結效應方面。亦既傳統型的Poly-Si