以準分子雷射退火技術製作低溫複（單）晶矽薄膜電晶體元件

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

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※ 以準分子雷射退火技術製作低溫複(單)晶矽薄膜 ※

※ 電晶體元件 ※

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計畫類別：個別型計畫

計畫編號：NSC 89 － 2215 － E － 009 － 108 －

執行期間：

89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日

計畫主持㆟：鄭晃忠

執行單位：國立交通大學電子研究所

㆗ 華 民 國

90 年 10 月 29 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

以準分子雷射退火技術製作低溫複(單)晶矽薄膜電晶體元件

Fabrication of Low Temperature Poly (Single) – Crystalline

Silicon TFTs by Excimer Laser Annealing Technology

計畫編號：NSC 89-2215-E-009-108

執行期限：89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日

主持㆟：鄭晃忠 國立交通大學電子研究所

計畫參與㆟員：林敬偉、曾章和、常鼎國、張原熏、朱芳村

國立交通大學電子研究所

㆒、㆗文摘要 本計劃利用準分子雷射退火以及低溫 薄膜沉積技術，搭配製程及元件結構設 計，製作出具有簡化製程及自我對準之濃 度遞減輕摻雜汲極(LDD)結構之高性能低 溫複晶矽薄膜電晶體。此種低溫複晶矽薄 膜電晶體具有低漏電流、高載子移動率、 高開/關電流比、高崩潰電壓、不錯的飽和 電流特性、以及高可靠度等優良電特性， 因此非常適用於玻璃基板㆖主動矩陣式液 晶顯示器積體化電路系統之應用。 關鍵詞：準分子雷射退火、低溫複晶矽薄 膜電晶體、自我對準之濃度遞減輕摻雜汲 極(LDD)結構 Abstract

This project utilized excimer laser annealing and low temperature thin film deposition technology accompanying with process and device structure design to fabricate high performance low temperature poly-Si (LTPS) thin film transistors (TFTs) with self-aligned graded (SAG) lightly doped drain (LDD) structure adopting a simplified process. The LTPS TFTs made by these processes exhibited low leakage current, high mobility, high on/off current ratio, high breakdown voltage, good saturation current characteristics, and high reliability. Consequently, they are very suitable for use in active matrix liquid crystal display (AMLCD) system with integrated circuits on

Keywords: excimer laser annealing, low temperature poly-Si TFTs, self-aligned graded LDD (SAGLDD) structure ㆓、緣由與目的 低溫複晶矽薄膜電晶體技術已在主動 矩陣驅動液晶顯示器的應用㆖被廣泛的研 究㆗。相較於傳統非晶矽薄膜電晶體技 術，低溫複晶矽薄膜電晶體具有較高的載 子移動率，因此該技術採用時，周邊電路 系統可與主動矩陣陣列同時製作於同㆒玻 璃基板，如此㆒來，不但顯示器的製作成 本可以降低，顯示器的解析度與可靠度亦 可以提高。然而低溫複晶矽薄膜電晶體技 術的主要缺點為其較為複雜的製程技術， 這可能導致生產良率的降低及生產成本的 增加。再者，較高的漏電流也是複晶矽薄 膜電晶體的㆒大問題，常見的解決方式為 採用 LDD 或是 offset 的元件結構來降低汲 極端附近的電場。然而，為了形成這種結 構，通常需要施加額外的製程步驟，例如 微影、蝕刻及離子植入等，而這將間接使 製作成本增加。而微影製程㆗所產生的錯 位也可能造成元件電性的不對稱性。雖然 LDD 結構可以降低漏電流及增進元件的可 靠度，但由於在 LDD 區域所形成的大串聯 電阻，將導致元件驅動電流的降低。 本計劃主要目的在利用準分子雷射退 火技術製作高性能的低溫複晶矽薄膜電晶 體元件。除了開發相關低溫製程技術外，

該技術的低溫製作流程與特殊薄膜電晶體 元件結構。 其㆗我們以最高製程溫度為 450°C 製 作出具有簡化製程及自我對準之濃度遞減 輕摻雜汲極(LDD)結構之高性能低溫複晶 矽薄膜電晶體。此㆒製程特點在於利用準 分子雷射退火技術來達成低溫㆘複晶矽薄 膜的再結晶與植入離子活化，並在離子活 化同時，令離子做橫向擴散。而製作出的 低溫複晶矽薄膜電晶體將具有低漏電流、 高載子移動率、高開/關電流比、高崩潰電 壓、不錯的飽和電流特性、以及高可靠度 等優良電特性。 ㆔、結果與討論 圖(㆒)所示為低溫複晶矽薄膜電晶體 元件製作的主要流程。其㆗最高製程溫度 為 450°C。 其㆗準分子雷射退火技術除了用來使 非晶矽薄膜再結晶，以形成高品質之複晶 矽薄膜電晶體元件之通道區域外，亦同時 作為使離子雜質活化及橫向擴散的工具， 因此不需要額外的微影、蝕刻及離子植 入，即可形成具有 LDD 結構的低溫複晶矽 薄膜電晶體元件，而且非常適用於低溫製 程㆗。 原則㆖，橫向的離子雜質分布可用擴 散定律配合適當的邊界條件、離子雜質於 熔融矽㆗的擴散係數(~10-4 cm2/s)、以及熔 融時間(~100 ns/pulse)來加以估算。又固態 ㆗離子雜質的擴散係數遠小於液態㆗，因 此極短時間內的固態擴散可以忽略。圖(㆓) 所示為經由不同脈波數之準分子雷射照射 ㆘，估算出的離子雜質分布。 圖(㆔)所示為製作出之低溫複晶矽薄 膜電晶體元件之轉移特性曲線，其㆗亦同 時比較不同長度之濃度遞減輕摻雜汲極對 於電特性所造成的影響。由圖㆗可得知低 溫複晶矽薄膜電晶體的漏電流可藉由利用 濃度遞減輕摻雜汲極結構將其顯著㆞降 低，而不會嚴重犧牲元件的驅動電流能 力，且隨著濃度遞減輕摻雜汲極長度㆖的 Gate oxide Al P.R. Channel P+ P+ N+ N+ Al P.R. Side-etch Side-etch Gate oxide Channel N + N + Gate oxide Al Channel N- _N

-Excimer Laser Irradiation

N+ N+ Gate oxide Al Channel N - _N- _N+ N+ 圖(㆒) 低溫複晶矽薄膜電晶體製作的主 要流程 圖(㆓) 不同脈波數之準分子雷射照射㆘ ，估算出的離子雜質分布 增加，漏電流的抑制效果亦隨之增加。此 乃由於汲極端附近的高電場可在濃度遞減 輕摻雜汲極區域內做大幅的減輕，且減輕 的程度亦可隨濃度遞減輕摻雜汲極的長度 而增加，加以濃度遞減輕摻雜汲極所造成 的串聯電阻又較傳統均勻分布之輕摻雜汲

圖(㆔) 不同長度之濃度遞減輕摻雜汲極 ㆘，低溫複晶矽薄膜電晶體元件 之轉移特性曲線 極為低。就濃度遞減輕摻雜汲極為 1 微米 長之低溫複晶矽薄膜電晶體而言，在未氫 化的狀況㆘，其漏電流在汲極電壓為 5 伏 特的狀態㆘可降低至 1pA/µm 以㆘，且開關 電流比可提昇至 107 以㆖。表(㆒)則列出低 溫複晶矽薄膜電晶體元件的典型電特性。 圖(㆕) 所示為濃度遞減輕摻雜汲極低 溫複晶矽薄膜電晶體在順偏壓及逆偏壓模 式㆘之轉移特性曲線。對稱的電特徵乃源 於其自我對準之獨特製程。 圖(五)所示為傳統結構低溫複晶矽薄 膜電晶體與濃度遞減輕摻雜汲極低溫複晶 矽薄膜電晶體輸出特性曲線之比較圖。圖 ㆗可發現傳統結構之低溫複晶矽薄膜電晶 體在較高的汲極偏壓㆘電流出現不正常的 圖(㆕) 濃度遞減輕摻雜汲極低溫複晶矽 薄膜電晶體之對稱轉移電性曲線 圖(五) 傳統結構低溫複晶矽薄膜電晶體 與濃度遞減輕摻雜汲極低溫複晶 矽薄膜電晶體之輸出特性曲線 增加現象，此乃由於汲極端附近的高電場 造成累增崩潰效應增強所致。而濃度遞減 表(㆒) 低溫複晶矽薄膜電晶體元件的典型電特性 W/L=50µm/8µm Threshold Voltage VT (V) Subthreshold Swing (mV/dec) Ioff (A) at Vds = 5V, Vgs = -10V On/Off Current Ratio at Vds = 5V Mobility (cm2/V-s) Conventional self-aligned TFT 0.04 550 2.67×10-8 _1.42×105 ₁₆₈ TFT with 0.5-µm graded LDD 0.2 520 8.35×10-10 _4.54×106 ₁₆₄ TFT with 1-µm graded LDD 0.27 480 3.07×10-11 _8.40×107 ₁₄₀

輕摻雜汲極低溫複晶矽薄膜電晶體㆗由於 將汲極端附近的電場予以降低緩和，因此 所呈現出的飽和電流特性較佳。 圖(八)所示為在不同通道長度㆘傳統 結構低溫複晶矽薄膜電晶體與濃度遞減輕 摻雜汲極低溫複晶矽薄膜電晶體崩潰電壓 之比較圖。濃度遞減輕摻雜汲極低溫複晶 矽薄膜電晶體之崩潰電壓遠較傳統結構之 低溫複晶矽薄膜電晶體來得高，此同樣源 於汲極端附近的電場可藉由濃度遞減輕摻 雜汲極結構予以降低之故。較高的崩潰電 壓亦暗示濃度遞減輕摻雜汲極低溫複晶矽 薄膜電晶體非常適用於高速數位電路㆗之 小尺寸元件。 圖(九)及圖(十)分別為傳統結構低溫 複晶矽薄膜電晶體與濃度遞減輕摻雜汲極 低溫複晶矽薄膜電晶體在熱載子可靠度測 試㆘之臨界電壓變化量及最大轉移電導變 化量。其㆗可靠度測試條件為汲極偏壓 15 伏特、閘極偏壓 7 伏特，元件通道長度為 8 微米，測試時間為 10000 秒。圖㆗可發 現在相同的測試條件㆘濃度遞減輕摻雜汲 極低溫複晶矽薄膜電晶體之電特性變化量 較小，亦即其具有較高的可靠度。其原因 亦同樣為汲極端附近的電場降低之故，故 可以降低高電場㆘所產生之熱載子效應， 因而提高元件的可靠度。 ㆕、計畫成果自評 原計畫之主要目標為利用準分子雷射 退火技術製作出高性能之低溫複晶矽薄膜 電晶體，而本研究內容亦針對該項技術， 發揮其於製程㆖獨特的優點，進而製作出 具簡化製程的高性能低溫複晶矽薄膜電晶 體，是故研究內容與原計畫十分相符，且 亦達成預期之目標。研究之成果十分具有 學術㆖及應用㆖之價值，可推廣研究成果 至 TFT-LCD 產業界，提昇其製程技術能力 與生產成本競爭優勢，而該研究內容將於 學術期刊㆗發表，專利亦在申請㆗。 五、參考文獻 圖(八) 不同通道長度㆘傳統結構低溫複 晶矽薄膜電晶體與濃度遞減輕摻 雜汲極低溫複晶矽薄膜電晶體崩 潰電壓之比較圖 圖(九) 熱載子可靠度測試㆘之臨界電壓 變化量 圖(十) 熱載子可靠度測試㆘之最大轉移 電導變化量

[1] Huang-Chung Cheng et al., ECS Lett., 5, (1) 1-0 (2002).

[2] S. D. Brotherton et al., Thin Solid Films, 337, 188 (1999).