低溫多晶硅薄膜晶體管的專利技術

國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心 張雄娥

低溫多晶硅薄膜晶體管的研究已然成為全球研究熱點，本文針對低溫多晶硅薄膜晶體管（LTPS TFT）普遍存在的漏電流大的技術問題，展開關于低溫多晶硅薄膜晶體管（LTPS TFT）的幾項專利技術研究進展的分析，主要涉及多晶硅有源層的相關技術改進。

近年來，隨著顯示技術的迅速發展，尤其是液晶顯示技術領域的發展，對薄膜晶體管(Thin Film Transistor，TFT)半導體有源層的電子遷移率要求要來越高。薄膜晶體管形成的陣列基板是顯示裝置的關鍵部件，TFT陣列基板向顯示裝置提供驅動電路及開關電路等，而其中TFT是陣列基板中至關重要的元件。由于非晶硅薄膜晶體管的漏電流較小，因此早期的液晶顯示技術大多采用非晶硅薄膜晶體管，但是非晶硅薄膜晶體管普遍存在載流子遷移率低下的問題，這極大的影響了顯示技術的發展。因此，急需研究一種可以改善載流子遷移率低下問題的薄膜晶體管器件。由于多晶硅薄膜晶體管（TFT）相較于非晶硅薄膜晶體管（TFT）具有功率損耗小、載流子遷移率大，且能夠在較低溫條件(如低于600℃)下制備而成、基底的選擇很靈活、制作成本低等優勢。低溫多晶硅薄膜晶體管(Low Temperature Polysilicon Thin Film Transistor，LTPS TFT)應運而生，已被廣泛地應用于中小型，高分辨率LCD和AMOLED顯示板，包括電視及電腦、手機等電子產品在內的各種電子顯示器中，成為顯示技術領域的研究熱點。

1 LTPS TFT目前存在的問題

多晶硅薄膜的形成通常是將非晶硅薄膜通過激光退火工藝進行再結晶后得到，評價LTPS TFT器件特性優劣的兩個重要指標為開態電流以及漏電流，開態電流越大且漏電流越小則該LTPS TFT器件的性能越好。雖然LTPS TFT器件因為具有高載流子遷移率可以提高其開態電流，但是當LTPS TFT器件處于關狀態（OFF）時，受到TFT自身寄生電容的影響，會在漏極電極耗盡區形成強電場，在該強電場的作用下，在漏極電極一側難以形成徹底的PN結結構，從而在源極電極和漏極電極之間存在電子遷移的現象，進而導致漏電流很大，使得LTPS TFT器件的性能被大幅度地降低。

2 LTPS TFT的專利技術研究

為解決上述LTPS TFT普遍存在的漏電流較大的問題，國內外專利對此提出了多種解決方法，主要圍繞多晶硅有源層的結構開展專利技術研究，概括為如下幾項技術。

2.1 在有源層和柵極絕緣層界面之間的改進

首先，通過常規技術在基板上形成多晶硅有源層，在多晶硅有源層上形成覆蓋多晶硅有源層的柵極絕緣層；然后，利用離子注入等工藝在多晶硅有源層和柵極絕緣層界面上注入氮離子，以得到離子注入層；之后，對離子注入層進行高溫激光退火等退火工藝使其再結晶，由此在多晶硅有源層與柵極絕緣層之間的連接界面上形成氮化硅間隔層，氮化硅間隔層和多晶硅有源層形成一體式互連結構（類似圖1所示的結構）。由此通過在多晶硅有源層和柵極絕緣層的界面形成間隔阻擋結構，阻擋了因柵極絕緣層本身的缺陷密度相對較大導致有源層中的載流子擴散到柵極絕緣層中，進而解決了上述載流子的擴散導致較大的漏電流的問題。

圖1 結構圖

2.2 同層組合的半導體有源層

同層中形成具有多晶硅和非晶硅（或微晶硅或低結晶含量多晶硅）組合的半導體有源層：如有源層包括位于溝道區中間的多晶硅溝道區以及位于多晶硅溝道區兩側的為未摻雜非晶硅，其中未摻雜非晶硅為熱載流子抑制區，通過在源漏歐姆接觸電極與多晶硅溝道區之間形成未摻雜的非晶硅熱載流子抑制區，可以降低薄膜晶體管在運作過程中由于產生熱載流子效應而導致退化的幾率，以改善薄膜晶體管的元件特性，降低漏電流并且降低制造成本；另外，可以在有源層溝道區域中同時存在多晶硅區域和非晶硅區域，多晶硅區域和非晶硅區域可以由多種方式的布局，例如可以通過激光等退火工藝將形成的非晶硅圖案化再結晶，形成多晶硅區域和非晶硅區域交替布局（如圖2所示中半導體有源層103包括非晶硅300和多晶硅200），或者根據掩膜圖圖形形成交互或嵌入式布局等多種方式布局。通過同層中形成具有多晶硅和非晶硅（或微晶硅或低結晶含量多晶硅）組合的半導體有源層，可以結合多晶硅和非晶硅的綜合優勢，制造出具有較高載流子遷移率和較小的泄漏電流的薄膜晶體管器件，是目前為改善漏電問題的重要專利技術研究。

圖2 半導體有源層

2.3 有源層與源漏電極連接處的改進

有源層的溝道區為多晶硅材料，有源層的源極區和漏極區通過非晶硅連接層類似圖3中的121和122分別與源極131和漏極132電連接，并且非晶硅連接層都為非摻雜區。通過在有源層的源漏區與源漏電極之間形成非摻雜的非晶硅連接層，使薄膜晶體管獲得較低的關態漏電流，特別是在源漏極區都為非摻雜非晶硅時，與現有的包括輕、重摻雜區的多晶硅薄膜晶體管相比，不僅簡化了多晶硅薄膜晶體管的制備工藝且能夠實現更低的關態漏電流。

圖3 121和122分別與源極131和漏極132電連接圖

2.4 層疊組合的半導體有源層

半導體有源層例類似圖4所示包括堆疊的第一有源層31及第二有源層32，其中第一有源層由低溫多晶硅（LTPS）構成，第二有源層的材料為金屬氧化物、金屬氮化物、金屬氮氧化物和非晶硅中的至少一種，并且第二有源層的載流子遷移率比第一有源層的載流子遷移率小。在薄膜晶體管處于開態的情況下，因為第一有源層為低溫多晶硅，因而比第二有源層具有較高的載流子遷移率，從而使得第一有源層對電子具有吸引作用，此時電子從第一有源層中通過，進而形成的開態電流具有載流子遷移率高且載流子濃度高的特性；在薄膜晶體管進入關態的情況下，第一有源層形成為耗盡層，也即其中幾乎沒有電子，此時第一有源層對電子具有排斥作用，使得電子從第二有源層中通過，進而形成的漏電流的載流子遷移率低且載流子濃度低。通過在有源層的多晶硅溝道區上層疊遷移率較多晶硅低的第二有源層形成層疊組合有源層結構，解決了目前低溫多晶硅薄膜晶體管（LTPS TFT）普遍存在的漏電流較大的問題，該層疊結構不僅能使低溫多晶硅薄膜晶體管（LTPS TFT）應用到低頻驅動中，而且還能降低LTPS TFT的功率損耗。

圖4 半導體有源層例圖

結束語：本文根據LTPS TFT的專利檢索總結了LTPS TFT的專利技術的研究進展，雖然還不盡全面，但足以說明LTPS TFT已然成為顯示領域的全球專利技術研究熱點。對LTPS TFT的專利技術研究還在繼續，不僅僅對有源層的改進有各種研究，同時在制備多晶硅有源層的工藝上的研究也迫在眉睫。