高溫快速熱退火技術於AM-OLED TFT-Array 之應用：材料世界網

在目前製作低溫多晶矽薄膜電晶體(LTPS-TFT)元件當中，多晶矽薄膜的製作技術以準分子雷射退火最為廣泛的使用。準分子雷射退火所形成多晶矽薄膜，應用在薄膜電晶體液晶顯示器上具有非常優越之性能；但是應用在主動式矩陣有機發光顯示器上，則會因準分子雷射退火每一發掃瞄功率的不穩定，其所形成的多晶矽晶薄膜結晶晶粒尺寸大小的不均勻與晶粒邊界數量不一致等問題，使得電晶體元件在電性上產生不穩定，進而造成畫面顯示的異常與不均勻。而利用高溫快速熱退火方式所生成多晶矽薄膜，其結晶晶粒尺寸較準分子雷射退火方式來的均勻，且同時具有接近的結晶晶粒尺寸，快速高溫熱退火方式所生成多晶矽薄膜應用在AM-OLED TFT-Array背板上，具有優越的電器特性與均勻性的表現，所以顯示器可以達到完全沒有顯示畫面不均勻的現象發生。

準分子雷射與高溫快速熱退火技術的優劣
主動式有機發光顯示器(AM-OLED)除了發光材料和製程技術的開發之外，在大尺寸AM-OLED顯示器上仍需要薄膜電晶體(Thin film Transistor, TFT)背板與驅動電路，用來作為TFT背板的技術，基本上可為a-Si-TFT或是LTPS–TFT。多晶矽薄膜(Poly-Silicon, p-Si)是一種晶粒尺寸約為0.1μm至數個μm大小，以矽為基底的材料，由許多矽粒子組合而成，具有單晶矽材料的高載子遷移率30~200(cm /VS)、較低的Vth與較高電性穩定度，因此可以提供較大電流來驅動AM-OLED，且同時具有非晶矽材料可大面積化、低成本製備的優點。

目前在低溫複晶矽(Low Temperature Poly Silicon, LTPS)TFT元件中，p-Si製程的方法，廣範使用且已經產業化的是準分子雷射退火(Excimer-Laser Annealing, ELA)方式，利用準分子雷射作為熱源，雷射光經過投射光學系統後，雷射光束投射於a-Si的結構上；當a-Si結構吸收準分子雷射的能量後，經由融化、冷卻、凝固再結晶等步驟後會轉變成為p-Si結構。然而準分子雷射退火所形成之p-Si晶粒會大小不均勻與晶粒邊界數量不一致，以及p-Si在結晶過程中由成核點向外長晶時，晶粒與晶粒之間會互相擠壓，使得晶粒邊界逐漸突起形成突起物，這些突起物的突起產生表面粗糙度的不佳，另外ELA每一發掃瞄的功率並不穩定等問題會造成電性上的不均勻，影響的是造成畫面顯示的不均勻，尤其應用在AM-OLED顯示器上更為明顯。

為了解決ELA所造成畫面顯示不均勻的問題，有許多非雷射退火方式(Non-Laser-Annealing Method)來達成結晶化，且可以得到較均勻的晶粒大小與晶粒邊界數量，其中固相結晶化(Solid-Phase Crystallization, SPC)為其中方法之一，其優點是可以得到更均勻的晶粒大小、平整的表面粗糙度，但缺點是，有較多的缺陷密度與再結晶時間需數十小時以上，不符經濟效益。因此我們研究利用電漿輔助化學氣相方法在玻璃基板上沉積a-Si，再以快速熱退火(Rapid Thermal Annealing, RTA)方式成功將a-Si轉化成p-Si，不僅有ELA較大晶粒尺寸且具有SPC的均勻性，其再結晶製程時間由SPC的數十小時縮短到數十分鐘。

多晶矽薄膜的製作方法
多晶矽薄膜製程的技術依結晶溫度可分為兩大類︰(一)高溫結晶方式，製程過程中溫度高於600℃以上，其操作溫度超過玻璃基板所能承受的轉化溫度(650℃)，此製程基板必需使用耐高溫的石英基板，其優點是製程步驟較簡單，但缺點是石英基板較玻璃基板昂貴且不易大面積製作，利用此技術一般稱為高溫多晶矽(HTPS)。(二)低溫結晶方式，整個結晶製程溫度低於600℃以以下，可用廉價玻璃作基板，因此可以大面積製作，但是製程技術較複雜，此技術一般稱為低溫多晶矽(LTPS)。由於多晶矽薄膜的晶粒尺寸與薄膜的結晶製備溫度有關，而晶粒尺寸的大小又直接影響到多晶矽薄膜的載子遷移率，在高溫生成製程，隨著溫度的升高，薄膜的晶粒尺寸通常會增大，晶粒與晶粒之間的缺陷會減少，載子遷移率會大幅度提高，但是高溫生成要求使用石英或其它耐高溫玻璃基板，這使其製造成本增加，不利於多晶矽薄膜的實用化，因此降低再結晶或是生成溫度是多晶矽薄膜發展過程中的一個關鍵問題。下列將對於各種常用多晶矽薄膜生成技術作簡略介紹。

(1).準分子雷射退火-ELA
ELA技術是目前最廣為工業界所使用的技術，在雷射光源上以XeCl準分子雷射具有較好的氣體穩定性和在波長308nm處a-Si薄膜具有高吸收係數的優點。ELA原理先利用PECVD方式沉積低氫含量a-Si薄膜，再以400℃~500℃溫度作去氫動作，去氫完成後以準分子雷射為主要動力能量，利用瞬間雷射脈波產生的高能量入射到a-Si薄膜表面，僅在薄膜表層100nm的深度產生熱能效應，使a-Si薄膜在瞬間達到1000℃左右而熔化，從而實現a-Si向poly-Si的轉變。雷射脈波瞬間能量(15～50ns )被a-Si薄膜吸收並轉化為相變化的活化能，因此過多的熱能不會傳導到玻璃基板上，使用雷射加熱就能夠使a-Si薄膜達到熔化的溫度且玻璃基片的溫度低於600℃，可以採用一般玻璃作為基板，既實現了poly-Si薄膜的製備，又能滿足LCD及OELD對透明襯底的要求。ELA方法製備的p-Si薄膜晶粒大、空間選擇性好，攙雜效率高、晶內缺陷少、電學特性佳、遷移率可高達到200cm2/VS以上，但它也有自身的缺點，晶粒尺寸對雷射功率敏感、晶粒邊界突起造成薄膜表面粗糙、大面積均勻性較差、再現性差、設備成本高，維護複雜等缺點。

(2).低壓化學氣相沈積-LPCVD
LPCVD是一種直接生成p-Si薄膜的方法，是半導體產業中p-Si薄膜製程所採用的標準方法，p-Si薄膜藉著矽甲烷氣體經加熱後解離透過LPCVD方法直接沈積在基板上。反應溫度在575℃以下，所獲的矽薄膜將以a-Si的形態存在；溫度界於575℃~650℃之間，p-Si的反應將發生，而且溫度愈高其結晶性將愈明顯。若沉積溫度太高，則反應會傾向以均勻性成核的方式進行，使沉積膜厚均勻性變差；沉積溫度太低則會有沉積速率過慢的問題，因此一般沉積溫度在600℃~650℃之間。LPCVD方法具有沉積速度快，成膜致密、均勻佳等優點，但所生成p-Si薄膜晶粒具有擇優取向，內含高密度的微晶組織缺陷，且晶粒尺寸小，載子遷移率不夠大，其次沉積溫度在600℃~650℃之間高於玻璃轉化溫度，應用方面受到一定的限制。

(3).固相結晶法-SPC
SPC是一種間接生成p-Si的方法，其非晶固體發生再結晶化的溫度低於其熔融後結晶的溫度。這種方式先以矽甲烷氣體作為原材料，用LPCVD或是PECVD方法沈積a-Si薄膜，然後再用600℃以上高溫熱處理的方法使其轉化為p-Si薄膜。薄膜在600℃以上的高溫下熔化，然後在溫度稍低的時候成核發生，隨著溫度的降低，熔融的矽在晶核上繼續晶化晶粒成長，而使晶粒增大轉化為p-Si薄膜，在SPC中，結晶化所需的活化能約在3.0eV左右。使用這種方法，退火溫度是影響p-Si薄膜晶粒大小的重要因素；此外，p-Si晶粒尺寸還與初始薄膜的無序化程度密切相關，初始薄膜材料越無序化，SPC過程中的成核速率越低，晶粒尺寸越大。

SPC技術的優點是能製備大面積的薄膜，晶粒尺寸大於直接沈積的多晶矽、成本低、製程簡單，所製造的TFT相對於其他擁有更好的均勻性表現。由於SPC是在a-Si熔融溫度下結晶，屬於高溫晶化過程，比較不符合經濟效益，且不適用於玻璃基板，需使用耐高溫之石英或單晶矽基板。另一種低溫的固相結晶化，其熱處理的溫度低於600℃，一般介於500℃~600℃之間，但是所得到晶粒尺寸是介於a-Si與p-Si之間的微晶矽(uc-Si)其晶粒尺寸較小在0.1μm以下，缺點為晶界多、缺陷多，所製作TFT元件電學特性比p-Si來的差，另外退火時間需長達數十個小時以上不符經濟效益。

(4).金屬誘發結晶化(MIC)與金屬誘發側向結晶化(MILC )
MIC/MILC屬於SPC方法之一，與傳統的SPC技術比較，此方法能在較低溫度下（約500~600℃）製造出p-Si，其原理是利用金屬在低溫下與Si反應形成金屬矽化物進而誘發a-Si結晶。其製程步驟，首先以低溫CVD在玻璃基板上沉積a-Si薄膜，再利用PVD在a-Si上濺鍍一層如Al，Cu，Au，Ag，Ni等金屬薄膜或將離子注入到a-Si薄膜的內部接著在600℃下進行熱處理，即可誘發出p-Si膜。主要原因是薄層金屬在結晶形成前即先被包覆，而金屬在整個機制中扮演觸媒及降低轉化成p-Si所需活化能的角色，其所需活化能約在0.7eV。MIC/MILC製備p-Si薄膜具有晶粒尺寸大、均勻性高、電學特性佳、成本低、相連金屬掩蔽區以外的a-Si也可以被晶化、生長溫度低可使用玻璃基板，缺點是晶化持續時間在10小時左右，不符經濟效益以及金屬污染所產生漏電流等問題待持續解決改進。

(5).快速熱退火-RTA
退火處理是一種利用熱能量，將物體內部的應力缺陷加以消除，或是將不均勻的雜質產生擴散作用；物體受所施加的能量後，晶格內的原子與缺陷將產生振動及擴散，使得原子的排列得以重新組合，藉由缺陷的消失而進行再結晶。當退火溫度較低時，熱能量僅能提供缺陷進行分佈的重整達到穩定狀態，無法對晶體結構產生任何變化，此階段稱為復原。當熱能量使物體內的缺陷因原子的重新排列而降低，進而產生無差排的晶粒時稱為再結晶階段。退火溫度再增加時，再結晶階段所形成的晶粒有足夠的能量克服晶粒間的表面，晶粒將開始再消耗併吞小晶粒而成長壯大，此階段為晶粒成長。RTA處理過程包含三個階段︰升溫階段、穩定階段和冷卻階段。升溫過程中，若單位時間內溫度變化量較大時(如100℃/s)，則所形成的矽晶粒尺寸較小；若單位時間內溫度變化量較小(如1℃/s)，則所形成的矽晶粒尺寸較大。在RTA製程中，其再結晶所需活化能約在1.94eV。RTA退火法製備的p-Si晶粒尺寸小、晶體內部晶界密度大、材料缺陷密度高，而且是屬於高溫退火方法，不適合以玻璃為基板製備之p-Si。圖一和圖二為以PECVD方法在玻璃基板上沉積a-Si薄膜1600Å厚度，再以710℃/10min快速熱退火方式得到的p-Si結晶度與拉曼光譜圖，得到p-Si薄膜的譜峰落在520cm-1位置，結晶度為89％，半高寬(FWHM)6.1。

圖一、a-Si 薄膜沉積厚度與p-Si結晶度之關係圖