專利名稱：包含薄膜晶體管的電子器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包含絕緣襯底例如玻璃或絕緣聚合物襯底上的薄膜晶體管(TFT)的電子器件。該器件可以是例如有源矩陣液晶顯示器(AMLCD)或其它平板顯示器。
許多年以來，人們對(duì)開發(fā)具有玻璃和/或其它廉價(jià)絕緣襯底上的TFT的薄膜電路用于大面積的電子應(yīng)用一直有非常大的興趣。由非晶或多晶半導(dǎo)體膜制造的這種TFT可以形成例如在美國專利US-A-5130829(我方參考PHB 33646)中描述的平板顯示器的有源板上的單元矩陣的開關(guān)元件。
通過連續(xù)淀積不同材料的層形成TFT。光刻工藝典型地規(guī)定了TFT的溝道長度。通常優(yōu)選較短的溝道長度用于提高器件的開關(guān)速度。在大面積應(yīng)用的TFT的制造中，工藝步驟的分辨率必須在相應(yīng)的大面積襯底上被保持。目前可用于在玻璃板上的AMLCD制造的光刻機(jī)只能夠制造這樣的TFT陣列，其中TFT的溝道長度為5μm或更大。同時(shí)由這些機(jī)器形成的器件適合于目前的顯示器中的開關(guān)器件，為了更經(jīng)濟(jì)有效地、更特殊地制造用于例如液晶電視應(yīng)用的器件，就需要采用低分辨率的構(gòu)圖技術(shù)例如印刷。然而，目前這些技術(shù)不能生產(chǎn)具有適合性能的TFT。
進(jìn)行具有亞微米溝道長度的TFT的相關(guān)研究也已經(jīng)表明器件承受大的關(guān)態(tài)電流。在IEEE Transactions on Electron Devices，第36卷，12期，12月1989年中由Y.Uchida等人的標(biāo)題為“短溝道a-Si薄膜MOS晶體管”的論文中注意到這個(gè)問題。如果采用這種器件作為AMLCD的開關(guān)元件，就會(huì)導(dǎo)致劣質(zhì)的余象(image retention)。
已經(jīng)提出，垂直TFT可以提供一種在大面積之上提供較短溝道長度的實(shí)踐方法，其中溝道相對(duì)于襯底基本上垂直延伸。在這種器件中溝道的長度不受任何光刻工藝限制，而受一個(gè)或多個(gè)器件層的厚度限制。然而，已經(jīng)觀察到與短溝道橫向TFT相關(guān)的上述相同的問題。例如在Mat.Res.Soc.Symp.Proc.，118卷(1988)，219-224頁中出版的H.Okada等人的“a-Si垂直型MOSFET的改進(jìn)的關(guān)態(tài)特征(ImprovedOff-characteristics of a-Si Vertica-type MOSFETs)”中就討論了這個(gè)問題。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種包含顯示改善了的操作特性的TFT的電子器件。
本發(fā)明提供一種包含TFT的電子器件，該TFT包括鄰接半導(dǎo)體材料層的絕緣的柵極，用于控制源區(qū)和漏區(qū)之間的半導(dǎo)體層中的導(dǎo)電溝道，其中晶體管的溝道區(qū)的長度是1μm或更小，溝道區(qū)中的半導(dǎo)體材料的遷移率小于0.2cm2/Vs。
在此采用的術(shù)語“遷移率”指除TFT中任何接觸電阻的影響之外的TFT溝道區(qū)中的半導(dǎo)體材料的場效應(yīng)遷移率?？梢酝ㄟ^例如檢測采用相同的半導(dǎo)體材料形成的但具有典型為50μm或更大的長溝道的TFT來測量這種遷移率，其中相對(duì)于溝道的電阻，接觸電阻的影響非常小。
如上所述，就需要提高TFT的開關(guān)速度并因此就存在增加TFT中采用的半導(dǎo)體材料的遷移率的壓力。然而，本發(fā)明的發(fā)明者認(rèn)識(shí)到，在具有溝道長度小于1μm的晶體管中使用遷移率小于0.2cm2/Vs材料基本上提高了它的關(guān)態(tài)電流特性。因此可以在例如預(yù)定的這些范圍內(nèi)選擇溝道長度和遷移率，使得柵極和漏極電壓的極限，通過晶體管的漏電流就不超過預(yù)定的閾值。
TFT的開關(guān)速度與它的遷移率成正比并與它的溝道長度的平方成反比。因此，由短溝道晶體管的短溝道長度就彌補(bǔ)了在短溝道晶體管中采用低遷移率半導(dǎo)體材料對(duì)TFT速度的影響。例如，將晶體管的溝道長度從5μm減少到0.25μm，就是說，增加了400倍的開關(guān)速度，因此能夠補(bǔ)償遷移率的基本上的降低。
優(yōu)選地，晶體管的溝道區(qū)的長度為大約0.75μm或更小，或更具體地為大約0.5μm或更小。
溝道區(qū)中的半導(dǎo)體材料的遷移率優(yōu)選為大約0.15cm2/Vs或更小，或更具體地為大約0.1cm2/Vs或更小。
典型地，在現(xiàn)有的AMLCD中，最大可接受的漏電流為大約1pA。那就是，在顯示器的正常操作期間，不希望TFT的關(guān)態(tài)電流超過該值，否則漏電流將導(dǎo)致顯示器輸出的嚴(yán)重降級(jí)。該閾值會(huì)稍微地依據(jù)與TFT相關(guān)的圖象元件的特性而改變。
一旦與TFT相關(guān)的象素已經(jīng)完全充電，TFT的源和漏之間的預(yù)定電壓差(此后為“源漏極電壓”)的典型值為大約10V。因此，對(duì)于TFT可接受的性能，在這些條件下應(yīng)不超過最大關(guān)態(tài)電流閾值。類似地，在典型的AMLCD中的TFT可承受的最大的負(fù)的柵電極為大約-15V，因此在該極限TFT應(yīng)不超過關(guān)態(tài)電流閾值。
在優(yōu)選實(shí)施例中，晶體管是垂直晶體管。在解決短溝道晶體管中的額外關(guān)態(tài)電流泄漏的課題中，本發(fā)明解決了已經(jīng)基本上阻止它們?cè)趯?shí)際中的應(yīng)用的與垂直TFT相關(guān)的問題。
如上所述，由器件的一層或多層的厚度確定垂直TFT的溝道長度。采用目前的工藝技術(shù)，可以精確地將一層的厚度控制到大約0.1μm或甚至低到0.05μm。低于這些值，目前很難保證可靠層的厚度，特別是在大面積襯底之上的層的厚度。目前可用的工藝技術(shù)對(duì)橫向TFT的溝道長度有類似的較低限制，利用低于0.1μm的長度，難于在大的面積上可靠地獲得。
用于形成晶體管溝道的半導(dǎo)體材料可以包括非晶硅。非晶硅的遷移率可以選擇0.01cm2/Vs一樣低的遷移率或更小?？梢圆捎眉{米晶體硅(nanocrystalline)。此外，半導(dǎo)體材料可以包括可印刷的例如由硒化鎘納米晶體溶液淀積形成的無機(jī)材料。
在其它優(yōu)選實(shí)施例中，半導(dǎo)體材料可以包括有機(jī)材料或更具體地包括聚合物材料。適合的有機(jī)半導(dǎo)體的實(shí)例是并五苯，而適合的聚合物半導(dǎo)體是聚-2，5-亞噻吩亞乙烯酯。如果根據(jù)本發(fā)明將器件制成為短溝道長度和低遷移率，其中晶體管主體由有機(jī)半導(dǎo)體形成，那么器件就可以提供可接受的關(guān)態(tài)電流性能?？梢圆捎?.001至0.0001cm2/Vs一樣低的遷移率的聚合物半導(dǎo)體。在進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施例中，半導(dǎo)體材料可以包括有機(jī)-無機(jī)的混合材料。
垂直TFT易受采用低清晰度工藝制造的影響，因?yàn)闇系篱L度并不由具體層的精確構(gòu)圖規(guī)定，而由器件的一層或多層的厚度限定。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，光刻是一種高清晰度工藝，同時(shí)低清晰工藝可以是印刷工藝?yán)绨及婺z印(gravure-offset)印刷、油墨噴涂印刷或微分配(micro-dispensing)。因此，在克服與垂直TFT本身相關(guān)的問題上，本發(fā)明還能夠制造短溝道垂直TFT，其并不需要利用昂貴的高清晰度工藝并具有對(duì)于大面積器件可接受的操作特性。
現(xiàn)在將利用實(shí)例并結(jié)合簡要的附圖和曲線描述TFT結(jié)構(gòu)和本發(fā)明，其中


圖1示出典型的橫向TFT結(jié)構(gòu)；圖2示出垂直TFT結(jié)構(gòu)；圖3是具有不同遷移率的TFT的柵極電壓相對(duì)于電流的曲線；圖4是具有不同遷移率的TFT的溝道長度L相對(duì)于到達(dá)1pA的漏電流時(shí)的源漏極電壓VSD的曲線；圖5是不同漏極電壓下達(dá)到1pA的漏電流時(shí)的TFT的溝道長度L相對(duì)于遷移率μ的曲線。
應(yīng)當(dāng)注意，圖1和2是概略圖并不按比例繪制。附圖中為了清楚和方便示出在尺寸上這些附圖的各部分的相關(guān)尺寸和比例已放大或縮小。
圖1示出典型的橫向背溝道蝕刻TFT結(jié)構(gòu)，具體地，在絕緣襯底2上形成背溝道蝕刻TFT。它包括柵電極4和疊加的柵絕緣層6。在柵絕緣層6上設(shè)置半導(dǎo)體材料的島8。在晶體管的導(dǎo)電溝道14的任一側(cè)面上設(shè)置源電極和漏電極10和12形式的源區(qū)和漏區(qū)。在每個(gè)電極和半導(dǎo)體材料之間包含接觸層16和18。由源電極和漏電極10和12的間隔規(guī)定導(dǎo)電溝道的長度20，典型地采用光刻構(gòu)圖源電極和漏電極。現(xiàn)有技術(shù)公知這種器件本身的結(jié)構(gòu)和制造，因此將不再更詳細(xì)地進(jìn)行討論。
圖2示出垂直TFT結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是本申請(qǐng)人提交的共同未決的英國專利申請(qǐng)No.0111424.8的主題。因此在此結(jié)合該申請(qǐng)的內(nèi)容。TFT包括在絕緣襯底24上形成的柵電極22。在柵電極之上依次設(shè)置柵絕緣層26和半導(dǎo)體材料的層28，導(dǎo)致在鄰接?xùn)烹姌O22的邊緣的半導(dǎo)體層中的臺(tái)階30。源電極和漏電極32、34之一在柵電極22和半導(dǎo)體層28之上延伸到臺(tái)階30的上邊緣，同時(shí)另一個(gè)延伸直到臺(tái)階的根部。在源電極和漏電極之下設(shè)置接觸層36和38。晶體管溝道40在源電極和漏電極之間延伸。本領(lǐng)域的讀者應(yīng)當(dāng)清楚，在這種TFT結(jié)構(gòu)中，溝道的長度42并不由光刻工藝規(guī)定，如在圖1的TFT的情況下，而受襯底24之上的柵電極22的上表面的高度控制。
圖3示出兩個(gè)TFT的柵極電壓相對(duì)于晶體管電流的圖表。首先，線44表示具有0.8cm2/Vs的遷移率和1μm溝道長度的TFT的曲線。第二，由線46表示本發(fā)明的實(shí)施例的具有0.14cm2/Vs的遷移率和0.75μm溝道長度的TFT的曲線。在10V的源漏極電壓下進(jìn)行兩組的測量?？梢钥闯?，在柵極電壓為-15V時(shí)，線44表示大約3nA的關(guān)態(tài)電流，同時(shí)線46表示1pA以下的關(guān)態(tài)電流。由于第二器件的較低的遷移率，因此關(guān)態(tài)電流減少超過103倍。
圖4示出當(dāng)?shù)竭_(dá)1pA的漏電流時(shí)由本發(fā)明者實(shí)驗(yàn)確定的具有不同遷移率的TFT的溝道長度L相對(duì)于漏極電壓VD的圖表。線50、52、54和56分別對(duì)應(yīng)于具有遷移率為0.80、0.34、0.14和0.01cm2/Vs的TFT?？梢钥闯觯?dāng)遷移率降低時(shí)，達(dá)到漏電流閾值的漏極電壓就增加。
采用圖4中所示的結(jié)果，圖5是不同漏極電壓下達(dá)到1pA的漏電流的TFT的溝道長度L相對(duì)于遷移率μ的圖表。10和15V的漏極電壓分別對(duì)應(yīng)于線60和62。這用于說明短溝道長度和低遷移率的結(jié)合，其提供不同的最大漏極電壓下的可接受的TFT性能。
通過閱讀本說明書，其它變化和修改將對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說是明顯的。這種變化和修改涉及在電子器件的設(shè)計(jì)、制造和使用中已經(jīng)公知的等效和其它特征，這些電子器件包含薄膜電路、半導(dǎo)體器件和它的電子部件，以及可用于替代或補(bǔ)充在此已經(jīng)描述的特征。
盡管在本申請(qǐng)文件中權(quán)利要求書已經(jīng)闡述了特征的具體組合，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明公開的范圍還包括它的明確的或暗含的或歸納的任何新的特征或在此公開的特征的任何新的組合，無論是否涉及任何權(quán)利要求中目前要求的相同發(fā)明，無論是否減少本發(fā)明所解決的任何或全部相同的技術(shù)問題。在獨(dú)立的實(shí)施例的上下文中描述的特征還可以結(jié)合以便提供在一個(gè)單一的實(shí)施例中。相反地，在單一的實(shí)施例的上下文中簡要地描述的特征還可以分別提供或提供在任何適合的再組合中。因此申請(qǐng)人提請(qǐng)注意，新的權(quán)利要求可以被表達(dá)為在本申請(qǐng)或由此得出的任何進(jìn)一步的申請(qǐng)的實(shí)施期間的這些特征和/或這些特征的組合。
權(quán)利要求
1.一種包括薄膜晶體管的電子器件，該薄膜晶體管包括鄰接半導(dǎo)體材料層的絕緣柵極，用于控制在源區(qū)和漏區(qū)之間的半導(dǎo)體層中的導(dǎo)電溝道，其中晶體管的溝道的長度為1μm或更小，溝道中的半導(dǎo)體材料的遷移率小于0.2cm2/Vs。
2.權(quán)利要求1的器件，其中晶體管的溝道的長度約為0.75μm或更小。
3.權(quán)利要求1的器件，其中晶體管的溝道的長度為0.5μm或更小。
4.任何一個(gè)前述的權(quán)利要求的器件，其中溝道中的半導(dǎo)體材料的遷移率為大約0.15cm2/Vs或更小。
5.權(quán)利要求1至3中任何一個(gè)的器件，其中溝道中的半導(dǎo)體材料的遷移率為大約0.1cm2/Vs或更小。
6.任何一個(gè)前述的權(quán)利要求的器件，其中晶體管是垂直晶體管。
7.任何一個(gè)前述的權(quán)利要求的器件，其中半導(dǎo)體材料包括非晶硅。
8.權(quán)利要求1至6中任何一個(gè)的器件，其中半導(dǎo)體材料包括納米晶體硅。
9.權(quán)利要求1至6中任何一個(gè)的器件，其中半導(dǎo)體材料包括有機(jī)材料。
10.權(quán)利要求9的器件，其中半導(dǎo)體材料包括聚合材料。
11.權(quán)利要求1至6中任何一個(gè)的器件，其中半導(dǎo)體材料包括有機(jī)-無機(jī)混合材料。
12.任何一個(gè)前述的權(quán)利要求的電子器件的用途，其中在預(yù)定的源漏極電壓閾值和預(yù)定的柵極電壓閾值下通過晶體管的漏電流低于預(yù)定的閾值。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的電子器件的用途，其中預(yù)定的漏電流閾值為1pA。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13的電子器件的用途，其中預(yù)定的源漏極電壓閾值為10V并且預(yù)定的柵極電壓閾值為-15V。
全文摘要
短溝道薄膜晶體管承受不可接受的高漏電流。本發(fā)明提供一種含有薄膜晶體管的電子器件，其中晶體管的溝道的長度(20)為1μm或更小，溝道中的半導(dǎo)體材料的遷移率小于0.2cm
文檔編號(hào)H01L29/66GK1462480SQ02801599
公開日2003年12月17日 申請(qǐng)日期2002年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月10日
發(fā)明者S·C·德尼, P·J·范德扎爾格, S·J·巴特斯拜 申請(qǐng)人:皇家菲利浦電子有限公司