【每日一問】為什么在LTPS制程中需要高溫去氫工藝?

主動式顯示面板主要是依靠薄膜晶體管(Thin Film Transistor,簡寫為TFT)進行像素驅動,它的溝道有源區(Active Region)材料以硅材料為主,技術上大體可以分為非晶硅(Amorphous Silicon,簡寫為AS)、低溫多晶硅(Low Temperature Polysilicon,簡寫為LTPS)和高溫多晶硅(High Temperature Polysilicon,簡寫為HTPS)三種。其中低溫多晶硅技術的電子遷移率等特性優異,且制程相對容易,在6代線及以下世代線獲得了良好的應用。

圖1、典型的輕摻雜漏極型LTPS-TFT結構示意圖

如圖1所示,是一個典型的輕摻雜漏極(Lightly Doped Drain,簡寫為LDD)型LTPS-TFT的結構。其襯底是無堿顯示級光學玻璃,首先在上面生長一層二氧化硅(SiO2)或雙層二氧化硅/氮化硅(SiO2/SiNx)結構的緩沖層,以防止玻璃中的金屬離子擴散至低溫多晶硅有源區,來降低缺陷態的形成和漏電的產生。氮化硅層相比于二氧化硅層,具有相對更高的介電常數(二氧化硅為4左右,氮化硅為6~8),具有更好的耐擊穿特性和防滲透能力,也具備氫化修補的功能。通過等離子增強型化學氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,簡寫為PE-CVD)工藝制作的氮化硅,它的氫含量一般在1022cm-3左右。

然后生長非晶硅層,之后對非晶硅層進行多晶化。多晶化工藝分為直接型多晶化技術和再結晶型多晶化技術,這里用的是再結晶型多晶化技術,有固相晶化法(Solid Phase Crystallization,簡寫為SPC)、金屬誘導橫向晶化法(Metal Induced Lateral Crystallization,簡寫為MILC)與激光晶化法(Laser Crystalization,簡寫為LC)。固相晶化法是通過溫度提升、表面等離子體處理或金屬觸媒的方式,均勻成核結晶來形成多晶,一般需要600℃以上高溫和24h以上的晶化時間,成本很高。金屬誘導橫向晶化法主要是指鎳金屬誘導橫向晶化法(Ni-MILC),它首先析出鎳金屬硅化物,再以鎳硅化物(SiNi2)作為誘導多晶硅的來源基礎。鎳硅化物的自由能較非晶硅低,鎳離子在非晶硅薄膜中的擴散系數較高,因此通過鎳離子在非晶硅中的擴散反應形成硅化物,持續擴張再結晶,從而形成多晶。激光晶化是通過非晶硅薄膜對某種波長激光的吸收,使得非晶硅薄膜表面發生瞬間熔融,經由熱的傳導與再凝固晶化成為多晶。

如果使用的緩沖層是雙層二氧化硅/氮化硅結構,那么在進行激光晶化工藝時發生的瞬間高溫會引起氫爆現象,導致缺陷發生。該現象可以在激光晶化工藝前,通過去氫烘烤工藝來解決,當然最好使用氫含量極低的單層二氧化硅結構。

輕摻雜漏極是以較低的劑量注入柵極內側的源極與漏極間,精確控制注入的離子量,使其介于源極與漏極端的摻雜和通道摻雜濃度之間,以達到在漏極與源極端具有高的串聯電阻值,形成一濃度緩沖區,借此來降低此區域的源、漏極端邊緣電場梯度,減緩電場增強導致產生漏電流,以及避免熱載流子效應地發生。

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