多晶硅技术

3.6.1　多晶硅TFT技术

多晶硅（poly-silicon，P-Si）TFT有低温多晶硅（low temperature poly-silicon，LTPS）和高温多晶硅（high temperature poly-silicon，HTPS）两种。LTPS的工艺温度一般在550℃，可以在玻璃基板上制造，而HTPS的工艺温度则在600℃以上，一般只能在石英基板上制作。多晶硅载流子迁移率比非晶硅高出2～3个数量级，与目前市场上液晶显示器和液晶电视采用的非晶硅（a-Si）-TFT相比，其开口率更高，分辨率更高，响应速度更快，集成度更高，功能更强大，可靠性更高，成本更低。可以实现驱动电路在基板上的集成，甚至有可能将整机系统与显示终端集成一体化。国际上第2.5代以下的非晶硅TFT生产线基本上都转入低温多晶硅，见表3.8。东芝和松下在新加坡合资建设的第4.5代多晶硅TFT-LCD生产线已经开始17in多晶硅液晶显示器的量产。多晶硅在移动信息领域稳步发展的同时，将有可能实现计算机显示器一体化。

低温多晶硅一般是在非晶硅基础上通过激光退火等工艺制造的，小尺寸产品已经非常成熟，主要用于彩色手机屏、数码相机、摄像机、个人数据助理、液晶投影仪等产品。大面积多晶硅TFT技术是产业化技术研发的热点。载流子迁移率达到500cm²·（V·s）^-1，已经可以实现数模转换（D/A）和存储器等功能的集成。载流子迁移率达到600cm²·（V·s）^-1，可以实现CPU的集成。

在第6代和第7代非晶硅TFT-LCD生产线规模能力的压力下，第5代以下的非晶硅TFT-LCD生产线已经失去制作大屏幕液晶电视模块的产业优势，小尺寸移动产品又受到LTPS-TFT的挤压，为了拓展生存空间，第5代TFTLCD生产线非常重视LTPS大规模生产技术的发展。为了进一步降低成本，提高性能，人们在超低温（低于100℃）和超大面积的低温多晶硅生产技术领域开展了大量研究工作。但是多晶硅技术的稳定性和产品的合格率仍然是一大难题。LTPS-TFT-LCD能否从小尺寸的应用领域扩大到计算机显示器等中等尺寸的领域是一个热门的话题。

同时，人们寻找新型高迁移率TFT材料成为TFT平板显示器技术发展的重大课题。新型高迁移率TFT-LCD将成为TFT平板显示领域的主导产品。

表3.8　全球多晶硅生产线

塑料基板高迁移率TFT-LCD（TFT on plastic）技术是未来塑料光电子技术（有机光电子技术）的重要组成部分，电子产品的塑料化是电子技术发展的大方向，应该引起足够的重视。

1.P-Si-TFT-LCD的主要优点和问题

a-Si-TFT的迁移率为0.5cm²·（V·s）^-1，多晶硅的迁移率一般在200cm²·（V·s）^-1，采用一些特殊技术可以得到迁移率为600cm²·（V·s）^-1的P-Si-TFT，见表3.9～表3.11。

P-Si-TFT可以直接在基板上制成高速（超过300kHz）CMOS驱动电路系统。这样大幅度地减少了显示器和周边电路的连接，可以大大地提高可靠性，降低生产与装配成本。

表3.9　多晶硅技术进展

表3.10　多晶硅TFT技术比较

多晶硅的主要问题是工艺难度大，材料对可见光敏感。

2.实现P-Si-TFT的主要技术途径

多晶硅是由众多微小晶粒组成的，晶粒与晶粒之间存在许多缺陷，形成大量的界面态，在获得开态高迁移率的同时，也使关态漏电流大幅度上升。为了获得良好的器件电学性能，开发了许多制作多晶硅的方法，见表3.11。

表3.11　实现多晶硅薄膜的主要途径

（续表）

（1）低温激光退火法（LTPS）：在a-Si膜上用短脉冲激光进行扫描退火，使a-Si膜重新结晶形成多晶硅。激光退火的温度低于425℃，可以在玻璃基板上实现非晶硅到多晶硅的转化，是目前的主流技术。

激光退火制作LTPS-TFT首先是制作常规的非晶硅薄膜。通过光学衰减器将高能量准分子激光光束调整到适当的能量密度，用均相器根据蝇眼（fly eye）原理将其中的一束光均匀展开，另一束光均匀集束，形成约300mm左右的细长光束。此光束经由光学系统利用扫描的方式投射到非晶硅薄膜上，非晶硅薄膜吸收准分子激光的能量融化后再结晶转变成多晶硅结构。由于激光扫描的不均匀性，脉冲宽度的变化所引起的激光能量的变化，以及高感光度等原因会使激光退火产生的多晶硅膜的结晶颗粒不均匀。为了达到工艺的均匀性，对激光束进行调制得到能量密度分布均匀、输出稳定的激光扫描光束是技术关键。

（2）高温沉积法（HTPS）：采用低压气相沉积（LPCVD）技术，在真空度10^-1～10^-3torr，温度为580～650℃的条件下，将硅烷（SiH₄）加热产生多晶硅，其反应式如下：

SiH₄─→Si＋2H₂。

结晶程度随低压气相沉积温度的提高得到改善。

（3）金属诱导横向晶化法（MILC）：20世纪90年代初发现，在a-Si中加入一些金属如Al，Cu，Au，Ag，Ni等，使其沉积在a-Si∶H上或将离子注入到a-Si∶H薄膜的内部，能够降低a-Si向p-Si转变的相变能量，之后对Ni/a-Si∶H进行退火处理以使a-Si薄膜晶化，晶化温度可低于500℃。但由于存在金属污染，这种方法未能在TFT中应用。随后发现Ni横向诱导晶化可以避免孪晶产生，镍硅化合物的晶格常数与单晶硅相近，具有低互溶性和适当的相变能量，使用镍金属诱导a-Si薄膜的方法得到了横向结晶的多晶硅薄膜，1996年报道了第一个金属横向晶化多晶硅薄膜晶体管。横向结晶的多晶硅薄膜的表面平滑，具有长晶粒和连续晶界的特征，晶界势垒高度低于固相晶化法多晶硅的晶界势垒高度，因此，MILC TFT具有优良的性能而且不必要进行氢化处理。利用金属如镍等在非晶硅薄膜表面形成诱导层，金属Ni与a-Si在界面处形成NiSi₂的硅化物，利用硅化物释放的潜热及界面处因晶格失错而提供的晶格位置，a-Si原子在界面处重结晶，形成多晶硅晶粒，NiSi₂层被破坏，Ni原子逐渐向a-Si层的底层迁移，再形成NiSi₂硅化物。如此反复直至a-Si层基本上全部晶化，其诱导温度一般在500℃，持续时间在10h左右，退火时间与薄膜厚度有关。

金属诱导非晶硅晶化法制备多晶硅薄膜具有均匀性高、成本低、相连金属掩蔽区以外的非晶硅也可以被晶化。但是MILC的晶化速率仍然不高，并且随着热处理时间的增长，速率会降低。作为继激光退火制造LTPS-TFT后的一种尝试，MILC工艺比较简单，它作为一项生产技术还有待于完善和提高。图3.46

图3.46　金属诱导多晶硅工艺流程

所示是采用MILC技术制作LTPS-TFT的工艺流程简图。表3.12所示是金属诱导和激光退火多晶硅技术的比较。

表3.12　金属诱导和激光退火多晶硅技术的比较

＊SS：subthreshold slope.

（4）无表面激光退火技术：光学透明的聚合物基板更适合作柔韧度好的显示器，但聚合物基板不能够长时间承受150℃以上的高温。LTPS-TFT的制作温度通常要达到250℃，才能得到合适的电学指标，如至少1μA的驱动电流和更高的可靠性。

无表面激光退火技术是在塑料基板上制造LTPS-TFT的新技术。在塑料基板上制造LTPS-TFT除了加工温度受到限制外，聚合物基板在印刷和工艺中的膨胀是另一个技术难题。为了避免直接在塑料基板上加工晶体管遇到的技术难题，可以采取先把电路系统暂时布置在一块可以承受较高温度的基板上，然后再把电路系统转移到塑料基板上。这种新型的转移技术就叫做无表面激光退火技术（SUFTLA），近来已经应用于高性能LTPS-TFT以及在PES聚合物基板上的电路的试验性生产中。

在SUFTLA工艺中，玻璃基板在SiO₂缓冲层上涂敷可以使a-Si剥离的氢化物剥离层。在425℃左右的温度下，在涂敷了剥离层的玻璃基板上制造高性能的P-Si TFT器件和电路。然后，用激光照射玻璃基板的剥离层，使氢发生光化学反应，从而把缓冲氧化层从玻璃基板上分离开。将TFT电路系统用不溶于水的黏着剂黏附转移到塑料基板上。

经过转移的LTPS-TFT的特性与未转移前完全相同。因此，使用塑料基板可以得到同样性能的器件和电路。对n-型和p-型的TFT，迁移率可分别达到125cm²·（V·s）^-1和63cm²·（V·s）^-1，能满足平板显示器（flat panel display，FPD）的性能要求。因此，转移工艺被认为是可行的一种方法，尤其是对小尺寸的显示器。