[发明专利]多晶硅薄膜晶体管

说明书

技术领域

本发明属于电子元件领域，涉及半导体器件，特别是一种多晶硅薄膜结构。

背景技术

80年代后期，微电子学技术与液晶显示结合，形成了有源矩阵液晶显示器AMLCD。由于AMLCD的清晰度和色彩质量可以与传统的显像管CRT相比，而本身又具有体积小、重量轻、耗电省、无X射线辐射等优点，从而成为显示技术的换代产品，发展十分迅速。AMLCD要求在一个较大的面积范围内，例如3英寸至9英寸，为每一个像素单元，例如480×640个像素单元配上一个开关元件，这个开关元件的阵列必须做在透光的衬底上，因而常规的晶体管MOS集成电路技术很难胜任。为了适应AMLCD的需要，人们研究了很多种类的开关元件阵列，但是目前真正实用化的只有两端器件金属-绝缘体-金属二极管MIM阵列，三端器件非晶硅薄膜晶体管a-Si TFT阵列和多晶硅薄膜晶体管Poly-Si TFT阵列。而在高像质视频显示方面，可与CRT相匹敌的只有薄膜晶体管驱动AMLCD。

世界上第一块薄膜晶体管AMLCD电视显示屏就是采用非晶硅制作的。非晶硅薄膜可以在较低温度下，例如300-400℃淀积形成，衬底材料可以选用普通的玻璃，工艺成本较低，加之a-Si TFT的开关性能优于两端器件MIM阵列，使得a-Si TFT阵列成为当前AMLCD所采用的主流技术，已经用于大屏幕投影电视、袖珍电视、便携式计算机等领域。然而，由于电压应力和光照条件下非晶硅TFT器件中载流子的迁移率较低、稳定性较差，已经成为显示器发展的技术瓶颈。由于多晶硅TFT器件的迁移率比非晶硅TFT的高，寄生效应又小，在非晶硅TFT难以满足的大屏面和小屏面显示领域的情况下，多晶硅TFT显示出了巨大的优越性。

多晶硅TFT的典型结构如图1所示：在绝缘材料的衬底，如玻璃上淀积本征多晶硅薄膜，用离子注入的方式形成源漏区，然后是栅绝缘层，如SiO₂和栅极，如重掺杂多晶硅。多晶硅TFT与MOS场效应晶体管结构相似，尤其是与全耗尽SOI MOS晶体管结构相近，最主要的差别是衬底材料，多晶硅薄膜晶体管不是以单晶硅为衬底，而是采用低成本的透光的玻璃为衬底。MOS晶体管中一般采用热氧化的SiO₂的栅介质层，然而大量的实验证明低温PECVD法淀积的Si₃N₄作为多晶硅薄膜晶体管的栅介质有很多优势，例如较好的抗辐照性、较高的势垒高度可以抑制杂质穿通，较好的抗击穿特性等。与晶体的场效应管相似，当在栅上加电压时，将会感应形成导电通道，通过调节栅压的大小，控制源漏之间的电流。当所加漏电压使漏端的沟道载流子耗尽时，沟道夹断，漏电流达到饱和。沟道夹断后，继续施加漏电压，场效应晶体管的输出阻抗由从源端到夹断点的有效沟道长度确定，随着漏压增加，沟道中的电场增加，从而沟道电导增大。随着多晶硅TFT沟道长度的缩小，漏端电场急剧增大。由于多晶硅薄膜中存在大量的晶粒界面，漏端高电场通过陷阱态场发射，泄漏电流急剧增大，成为影响场效应晶体管性能提高的重要因素。降低多晶硅TFT器件关态电流的有效措施是降低漏端的高电场。为此，人们提出了许多改进器件，例如补偿栅结构、LDD结构、场感应漏结结构等。在多晶硅TFT处于关态时，相对于传统多晶硅TFT器件，这些器件的漏端电场都有所降低，因此，泄漏电流减小，有效的提高了多晶硅TFT的性能。然而，在多晶硅薄膜晶体管处于开态时，这些器件的寄生串联电阻又太高，抑制了开态电流的提高。多晶硅TFT器件作为AMLCD中的开关器件，表征其性能的是开态电流和关态电流的比值。因此仅有关态电流的减小或仅有开态电流的增加，都不能说是理想的器件结构。为此，急需寻找更有效的TFT器件结构，通过提高开态电流和关态电流的比值，来提高器件性能，促进AMLCD的进一步发展。

发明的内容

本发明的目的在于克服多晶硅薄膜器件的不足，提供一种开态电流和关态电流的比值大的多晶硅薄膜晶体管结构和制备方法，以提高多晶硅薄膜晶体管的性能