低温多晶硅薄膜晶体管的专利技术

2021-09-26国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心张雄娥

电子世界 2021年16期

国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心张雄娥

低温多晶硅薄膜晶体管的研究已然成为全球研究热点，本文针对低温多晶硅薄膜晶体管（LTPS TFT）普遍存在的漏电流大的技术问题，展开关于低温多晶硅薄膜晶体管（LTPS TFT）的几项专利技术研究进展的分析，主要涉及多晶硅有源层的相关技术改进。

近年来，随着显示技术的迅速发展，尤其是液晶显示技术领域的发展，对薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)半导体有源层的电子迁移率要求要来越高。薄膜晶体管形成的阵列基板是显示装置的关键部件，TFT阵列基板向显示装置提供驱动电路及开关电路等，而其中TFT是阵列基板中至关重要的元件。由于非晶硅薄膜晶体管的漏电流较小，因此早期的液晶显示技术大多采用非晶硅薄膜晶体管，但是非晶硅薄膜晶体管普遍存在载流子迁移率低下的问题，这极大的影响了显示技术的发展。因此，急需研究一种可以改善载流子迁移率低下问题的薄膜晶体管器件。由于多晶硅薄膜晶体管（TFT）相较于非晶硅薄膜晶体管（TFT）具有功率损耗小、载流子迁移率大，且能够在较低温条件(如低于600℃)下制备而成、基底的选择很灵活、制作成本低等优势。低温多晶硅薄膜晶体管(Low Temperature Polysilicon Thin Film Transistor，LTPS TFT)应运而生，已被广泛地应用于中小型，高分辨率LCD和AMOLED显示板，包括电视及电脑、手机等电子产品在内的各种电子显示器中，成为显示技术领域的研究热点。

1 LTPS TFT目前存在的问题

多晶硅薄膜的形成通常是将非晶硅薄膜通过激光退火工艺进行再结晶后得到，评价LTPS TFT器件特性优劣的两个重要指标为开态电流以及漏电流，开态电流越大且漏电流越小则该LTPS TFT器件的性能越好。虽然LTPS TFT器件因为具有高载流子迁移率可以提高其开态电流，但是当LTPS TFT器件处于关状态（OFF）时，受到TFT自身寄生电容的影响，会在漏极电极耗尽区形成强电场，在该强电场的作用下，在漏极电极一侧难以形成彻底的PN结结构，从而在源极电极和漏极电极之间存在电子迁移的现象，进而导致漏电流很大，使得LTPS TFT器件的性能被大幅度地降低。

2 LTPS TFT的专利技术研究

为解决上述LTPS TFT普遍存在的漏电流较大的问题，国内外专利对此提出了多种解决方法，主要围绕多晶硅有源层的结构开展专利技术研究，概括为如下几项技术。

2.1 在有源层和栅极绝缘层界面之间的改进

首先，通过常规技术在基板上形成多晶硅有源层，在多晶硅有源层上形成覆盖多晶硅有源层的栅极绝缘层；然后，利用离子注入等工艺在多晶硅有源层和栅极绝缘层界面上注入氮离子，以得到离子注入层；之后，对离子注入层进行高温激光退火等退火工艺使其再结晶，由此在多晶硅有源层与栅极绝缘层之间的连接界面上形成氮化硅间隔层，氮化硅间隔层和多晶硅有源层形成一体式互连结构（类似图1所示的结构）。由此通过在多晶硅有源层和栅极绝缘层的界面形成间隔阻挡结构，阻挡了因栅极绝缘层本身的缺陷密度相对较大导致有源层中的载流子扩散到栅极绝缘层中，进而解决了上述载流子的扩散导致较大的漏电流的问题。

图1 结构图

2.2 同层组合的半导体有源层

同层中形成具有多晶硅和非晶硅（或微晶硅或低结晶含量多晶硅）组合的半导体有源层：如有源层包括位于沟道区中间的多晶硅沟道区以及位于多晶硅沟道区两侧的为未掺杂非晶硅，其中未掺杂非晶硅为热载流子抑制区，通过在源漏欧姆接触电极与多晶硅沟道区之间形成未掺杂的非晶硅热载流子抑制区，可以降低薄膜晶体管在运作过程中由于产生热载流子效应而导致退化的几率，以改善薄膜晶体管的元件特性，降低漏电流并且降低制造成本；另外，可以在有源层沟道区域中同时存在多晶硅区域和非晶硅区域，多晶硅区域和非晶硅区域可以由多种方式的布局，例如可以通过激光等退火工艺将形成的非晶硅图案化再结晶，形成多晶硅区域和非晶硅区域交替布局（如图2所示中半导体有源层103包括非晶硅300和多晶硅200），或者根据掩膜图图形形成交互或嵌入式布局等多种方式布局。通过同层中形成具有多晶硅和非晶硅（或微晶硅或低结晶含量多晶硅）组合的半导体有源层，可以结合多晶硅和非晶硅的综合优势，制造出具有较高载流子迁移率和较小的泄漏电流的薄膜晶体管器件，是目前为改善漏电问题的重要专利技术研究。

图2 半导体有源层

2.3 有源层与源漏电极连接处的改进

有源层的沟道区为多晶硅材料，有源层的源极区和漏极区通过非晶硅连接层类似图3中的121和122分别与源极131和漏极132电连接，并且非晶硅连接层都为非掺杂区。通过在有源层的源漏区与源漏电极之间形成非掺杂的非晶硅连接层，使薄膜晶体管获得较低的关态漏电流，特别是在源漏极区都为非掺杂非晶硅时，与现有的包括轻、重掺杂区的多晶硅薄膜晶体管相比，不仅简化了多晶硅薄膜晶体管的制备工艺且能够实现更低的关态漏电流。

图3 121和122分别与源极131和漏极132电连接图

2.4 层叠组合的半导体有源层

半导体有源层例类似图4所示包括堆叠的第一有源层31及第二有源层32，其中第一有源层由低温多晶硅（LTPS）构成，第二有源层的材料为金属氧化物、金属氮化物、金属氮氧化物和非晶硅中的至少一种，并且第二有源层的载流子迁移率比第一有源层的载流子迁移率小。在薄膜晶体管处于开态的情况下，因为第一有源层为低温多晶硅，因而比第二有源层具有较高的载流子迁移率，从而使得第一有源层对电子具有吸引作用，此时电子从第一有源层中通过，进而形成的开态电流具有载流子迁移率高且载流子浓度高的特性；在薄膜晶体管进入关态的情况下，第一有源层形成为耗尽层，也即其中几乎没有电子，此时第一有源层对电子具有排斥作用，使得电子从第二有源层中通过，进而形成的漏电流的载流子迁移率低且载流子浓度低。通过在有源层的多晶硅沟道区上层叠迁移率较多晶硅低的第二有源层形成层叠组合有源层结构，解决了目前低温多晶硅薄膜晶体管（LTPS TFT）普遍存在的漏电流较大的问题，该层叠结构不仅能使低温多晶硅薄膜晶体管（LTPS TFT）应用到低频驱动中，而且还能降低LTPS TFT的功率损耗。