3.1 RTA 跟爐管退火的比較
3.1.1 利用 RTA550℃做 MILC 的退火與 FA550℃做比較 31
從圖中看到以RTA550℃進行退火，MILC 成長的速率大概為
0.654µm/min，而爐管 550℃的速率約為 0.067µm/min。RTA550℃退火比 上爐管550℃退火 MILC 成長速率快了將近 10 倍。從表 2-3，
RTA550℃-1min 的退火參數來看，計算總退火時間，持溫 60 秒的退火時 間，實際上總退火時間為102 秒（以一個週期計算，不考慮第一步），也
速率。但是注意圖3-2 曲線後面的虛線，這是達到飽和的部分。我們觀 察到MILC 利用爐管退火的飽和長度是 148µm，而利用 RTA 退火的卻只 有85µm，只有爐管的 0.57 倍。MILC 達到飽和有兩種可能，一個是 Ni 耗盡，無法再誘發結晶；另一個是SPC 結晶的阻擋。
從圖3-3 看到，在一個退火達到飽和的試片，MILC 外圍，是有很多 SPC 的晶粒，以致阻礙MILC 的成長。由圖上證明 SPC 的出現並幾乎完全 結晶，所以我們可以得知MILC 飽和是 SPC 造成飽和的結果。所以可以 知道，在RTA 的退火中，SPC 的出現和成長比在爐管退火中快的多。可 以從文獻中得知，利用RTA 成長 SPC，可以從原本爐管退火需要數十個 小時的時間，縮短到數分鐘【18】。這與從實驗中觀察而知的結果是相同的。
圖 3-3 RTA 550℃小時 NILC 與 SPC 介面
3.1.1.1 RTA 與 FA 在各個不同退火溫度下成長 MILC 其微結構的差異
＞600℃＞650℃。而以 RTA 進行退火的試片其晶粒大小亦為 550℃＞
600℃＞650℃。而如果以相同溫度的來比較，爐管退火的晶粒都大於 RTA
圖 3-6 圖 3-7
圖 3-8 圖3-6 圖3-7
圖3-5
圖 3-4 SEM 位置對照
400nm
400nm
（a）
（b）
圖 3-5 （a）FA550℃-9hrs 試片 SEM 影像 （b）RTA550 1min*48 ℃ 試片SEM 影像
400nm 400nm
（a）
（b）
圖3-6 （a）FA600℃-10mins 試片 SEM 影像
（b）RTA600 1min*10℃ 試片 SEM 影像
Ni pad MILC
400nm
Ni pad MILC
400nm
（a）
（b）
圖3-7 （a）FA650℃-10min 試片 SEM 影像
（b）RTA650 1℃ min*1 試片 SEM 影像
我們從圖中看出，在同樣的退火溫度下，利用RTA 進行退火的晶粒 寬度，都比利用FA 退火的來的小。可以從微結構的分析作一個結論，
利用RTA 的製程成長 MILC，會影響 MILC 中 NiSi2成核的步驟。我們 知道，在成核的過程中，如果成核的數量多，核會彼此侷限，導致核的 尺寸比較小。我們知道複晶矽是從NiSi2 的（111）面成長出來，而 NiSi2 的核變小，也就代表著說成長出來的複晶矽晶粒寬度會比較小，從SEM MILC39µm，而第二段分成 RTA550℃-1min 退火使 MILC 成長至飽和和 FA550℃退火至飽和。我們將實驗結果結果記錄在圖 3-9，對 MILC 成長
20μm
圖3-8 FA550 9℃ 小時+RTA550 1m*24℃ 經seccco etching 7 秒的 OM 圖形
圖3-9 FA+RTA 與 FA+FA 的退火曲線
0 10 20 30 40 50
0 20 40 60 80 100 120 140 160
FA550oC
FA550oC-9hrs+RTA550oC
length(um)
time(hrs)
我們想知道的是RTA 能有爐管數倍的 MILC 速率，原因為何？將
600℃、650℃三個溫度進行退火，結果如圖 3-10：
圖3-10 以 550℃、600℃、650℃三個不同溫度進行 MILC 結晶
2.34µm/min，而 650℃約為 10µm/min。但是可以觀察到的另一個現象，
當溫度越高，飽和長度就越短。550℃的飽和長度約為 85µm，600℃的
1.1x10-31.1x10-31.1x10-31.1x10-31.2x10-31.2x10-31.2x10-31.2x10-31.2x10-3 -18.5
-18.0 -17.5 -17.0 -16.5 -16.0 -15.5
lnR
1/T
PRTA (1m/1cycle) slope= -20608.19321
RTA 和爐管退火進行 MILC，MILC 成長的活化能是不同的，以 RTA 退 火的有比較小的活化能，代表著反應更容易進行，但是RTA 和 FA 的機 制應該有些不同，導致有不一樣的活化能。
圖3-12 是不同 RTA 退火溫度的 15 萬倍 SEM 影像，一樣都是 etching 7 秒，觀察地方都取在 MILC 與 Ni line 的交界處。從這就可以很清楚的 看出，RTA 的溫度參數越高，所形成的 MILC 晶粒越小。也就是說高溫 退火下，NiSi2的成核數目是較多的。
圖 3-11 lnR 對 1/T 作圖
MILC Ni pad
150nm
MILC Ni pad 150nm
（a）
（b）
MILC Ni pad
MILC Ni pad
150nm
圖3-12 SEM 倍率 150k 影像（a）RTA550 1min*48℃
（b）RTA600 1min*10 ℃ （c）RTA650 1min*1℃
3.3 RTA 不同退火持溫時間的比較
我們在上一節的討論比較了RTA 不同溫度參數的差異，現在討論不 同持溫時間所造成的的差異。在這個部分使用了不同的持溫時間，如10 分鐘或10 秒，其他部分參數如升溫速率則不改變。在 RTA550℃的條件 下，我們使用持溫時間 10 分鐘，與之前 RTA550℃-1min 做比較；而 RTA600℃和 RTA650℃的條件下，我們選擇了 10 秒的持溫時間，再與之 前的RTA600℃-1min 和 RTA650℃-1min 分別做比較。改變了持溫時間這 個參數，在相同的持溫時間下，會有不同的退火週期數。舉例而言，如 在RTA550℃的條件下，在總持溫時間 60 分鐘時，RTA550℃-1min 需要 60 各週期，而 RTA550℃-10min 只有 6 個週期。得到的結果如圖 3-13。
從圖3-13 中得到一些資訊，討論 MILC 速率的部分。在圖中很清楚 550℃、600℃或是 650℃，持溫時間比較短的參數，都會
得到比較快的MILC 速率。用比較短的持溫時間，在實驗上計算的退火 時間一樣的狀況下，會有比較多的退火週期。
先考慮週期不同會造成哪些影響。首先要考慮的是多出來升溫降溫 的時間。以RTA550℃-1min 和 RTA550℃-10min 這兩個參數來說明，當 退火時間為一小時，RTA550℃-1min 需要 60 個退火週期，而
RTA550℃-10min 需要 6 個週期。也就是會多出 54 個升溫降溫過程，這 些升溫降溫過程在實驗上是忽略不記，現在把這些被忽略掉的熱貢獻做 個討論。
RTA 退火參數 溫度超過 500℃的退火時間
550-10min 607sec/10min 550-1min 65sec*10/10min 600-1min 69sec/1min 600-10sec 19sec*6/1min
650-1min 73sec/min 650-10sec 23sec*6/min
表3-1
從表3-1 來看。左邊是 6 個退火時間不同的參數，右邊則是考慮在 退火過程中，實際上超過溫度500℃的時間。因為 MILC 在低於 500℃的 溫度下，成長速率非常慢，所以在考慮升降溫的過程，只考慮溫度超過 500℃以上的時間。從表 3-1 看到，以 RTA550℃為例，在相同 10 分鐘的 退火中，RTA550℃-1min 超過 500℃的時間有 650 秒，而 RTA550℃-10min 有607 秒，大約為 1.07 倍。但從速率上來看 RTA550℃-1min 的 MILC 成長速率大概是0.654µm/min，而 RTA550℃-10min 的平均速率大概為 0.296µm/min，速率為 2.2 倍，所以我們可以得到，減少持溫的時間，也 就是說增加退火的週期數，可以增加MILC 成長速率。
0 20 40 60
圖 3-13 （a）RTA550℃（b）RTA600℃與 RTA650℃
而造成速率加快的原因，不完全是因為退火時間上的增加，顯然還 有其他因素，我們會在後面的章節詳細的討論這個部分。
圖3-14 和圖 3-15，分別是 RTA550℃和 RTA600℃，改變持溫時間 的顯微結構。可以看出，其實在微結構上，並沒有太大的不同，MILC 晶粒的寬度也差不多，包括變化比較大的RTA550℃-1min 和
RTA550℃-10min，在巨觀上，兩者的速率差異有一倍以上，但在微結構 上，也並有沒有很大的差異，所以可以推測說，增加退火週期數會使 MILC 速率增快的影響可能是在 MILC 成長機制中，複晶矽成長的步驟，
而不是在複晶矽成核的步驟，住這個部分我們在後面章節在做詳細討論。
3.4 升溫速率對結晶速率的影響
RTA 一個很大的優勢就是在於升降溫速率很快，我們設計了這部分 的實驗，探討升溫速率對MILC 成長的影響。我們選擇 600℃-1min 這個 退火參數，改變這個參數的升溫速率，有20 /sec℃ 、40 /sec℃ 、80 /sec℃ 三個不同條件。忽略升溫所需要時間不同影響，把3 個退火參數做成圖 3-16。
可以看到當升溫速率改變的時候，MILC 成長的速率並沒有太大的 改變，而從微結構來觀察，圖3-17 為升溫速率 20 /sec℃ 和40 /sec℃ 的 SEM 影像。從微結構來看，看起來也沒有明顯的差異，所以從實驗上數 據來看，改變升溫速率，在巨觀或微觀上來看，對MILC 並沒有太明顯 的影響。
400nm MILC Ni pad
400nm MILC Ni pad
（a）
（b）
圖3-14（a） PRTA 550℃-1min*48 試片 SEM 影像
（b）PRTA 550℃-10min*16 試片 SEM 影像
400nm MILC Ni pad
400nm MILC Ni pad
（a）
（b）
圖3-15（a） PRTA 600℃-1min*10 試片 SEM 影像
（b）PRTA 600℃-10sec*6 試片 SEM 影像
5 10 15 20 25 30 35 40 10
20 30 40 50 60
length(um)
time (min)
PRTA 6000C-1min Ramp rate 200C/sec PRTA 6000C-1min Ramp rate 400C/sec PRTA 6000C-1min Ramp rate 800C/sec
圖3-16 PRTA600℃-1min 3 個不同 ramp rate 的比較
150nm
150nm
（a）
（b）
圖 3-17 PRTA600℃-1min（a）升溫速率 20 /sec℃ 試片SEM 影像
（b）40 /sec℃ 試片SEM 影像
D
L nA 上略優於RTA550℃，只有在漏電流部分，RTA550℃略低於 FA550℃的 元件。而其他如電子遷移率等等部分，都是FA550℃的略優於
RTA550℃，RTA 的電性沒有預期中的好，我們從材料觀點去探討這個問 題。
從圖3-19，我們看到 RTA550℃-10min*16 的 SEM 圖形，有低倍率
（圖3-19（a））跟高倍率（圖 3-19（b））兩種，我們可以從低倍率看到 SPC 的分佈，從高倍率看到 MILC 與 SPC 的分別。先從低倍率來看，可 以觀察到MILC 和 SPC 的介面，而 SPC 尚未完全結晶，還有許多非晶 矽部分。在RTA550℃-10min*16 這個試片中，MILC 的長度為 54µm，
而這個退火參數的飽和長度為78µm，也就是說退火 160 分鐘並未達到
地方開始，MILC 就摻雜著 SPC 了。而圖 3-18 是這邊的繞射圖形，是為 SPC。我們從圖 3-21 來看，這是 RTA650℃-1min*2，雖然溫度比較高，
但是退火時間非常短，我們可以從圖3-19（a）中看出，在 MILC 中夾
-10 -5 0 5 10 15 20
Drain Current(Id)
Gate Voltage(Vg)
Vd= 5V
Drain Current(I d)
Gate Voltage(V
圖3-18 Id-Vgcurve（a）FA550 24hrs℃ （b）RTA550℃-1min→飽和
5μm MILC
SPC region
250nm SPC
（a）
（b）
圖3-19 RTA550℃-10min*16
20nm SPC
圖3-20 RTA550℃-1min*48 的 TEM
（a） （b）
圖3-21 RTA550℃-1min*48 繞射圖形
（a）大光圈（b）小光圈
100nm
5nm
（a）
（b）
圖3-22 RTA650℃-1min*2 的 TEM 圖形
（a）低倍率（b）高倍率
3.6 RTA 影響 MILC 機制的討論
短速率上升應該是有一個極限的，當週期已經比潛變發生的時間更短 時，這時縮短持溫時間應該就不會有作用了，這也許能解釋
RTA600℃-1min 和 RTA600℃-10sec
還有RTA650℃-1min 和 RTA650℃-10sec 這兩組實驗 MILC 速率差異都 不大的原因。
四.未來工作
目前我們的研究都是利用成長一層wet oxide 做為玻璃基板的模
擬，而RTA 對玻璃基板的 TFT 是否也會有同樣的效應，這點仍需要用 實驗來證明。而RTA 高溫的應用方面，在我的實驗中並沒有提到，但是 利用RTA 做活化或是 post annealing 的動作，這些都是 RTA 可以應用的 部分，這在提升電性方面，值得去研究。
而上述PRTA 的部分，SPC 的出現是一個很嚴重的問題，這問題大 大的限制了RTA 的表現，如何抑制 SPC 的出現，這點仍有待去改進，
相信還有很大的研究空間可以去努力。
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