薄膜晶体管及平板显示装置.pdf

本发明公开了一种薄膜晶体管及平板显示装置。该薄膜晶体管具有布置于基底上的半导体层、布置于基底上和半导体层上的栅极绝缘层、以及布置于栅极绝缘层上的栅极，栅极绝缘层布置成厚度为从等于半导体层厚度至半导体厚度的1.5倍。栅极绝缘层可仅是氮化物层、仅是氧化物层、或由氮化物层和氧化物层两者构成的叠层膜。该薄膜晶体管能结合在用于平板显示装置的构造中。

1.  一种薄膜晶体管，包括：
半导体层，布置于基底上；
栅极绝缘层，布置于该基底上和该半导体层上；以及
栅极，布置于该半导体层上的该栅极绝缘层上，其中该栅极绝缘层的厚度至少是该半导体层的厚度。

2.  如权利要求1的薄膜晶体管，其中该栅极绝缘层选自仅氮化物层、仅氧化物层、以及包括氮化物层和氧化物层两者的叠层组成的组。

3.  如权利要求1的薄膜晶体管，其中该半导体层为HF清洁过的多晶硅层。

4.  如权利要求1的薄膜晶体管，还包括：
层间绝缘层，布置于该基底上方并由露出部分该半导体层的接触孔穿透；以及
源极/漏极电极，布置于该层间绝缘层上并填充该接触孔以与该半导体层形成接触。

5.  一种薄膜晶体管，包括：
半导体层，布置于基底上；
栅极绝缘层，布置于该基底上和该半导体层上；以及
栅极，布置于该栅极绝缘层上和该半导体层上方，其中该栅极绝缘层的厚度不大于该半导体层厚度的1.5倍。

6.  如权利要求5的薄膜晶体管，其中该栅极绝缘层选自仅氮化物层、仅氧化物层、以及包括氮化物层和氧化物层两者的叠层组成的组。

7.  如权利要求5的薄膜晶体管，其中该半导体层为HF清洁过的多晶硅层。

8.  如权利要求5的薄膜晶体管，还包括：
层间绝缘层，布置于该基底上方并由露出部分该半导体层的接触孔穿透；以及
源极/漏极电极，布置于该层间绝缘层上并填充该接触孔以与该半导体层形成接触。

9.  一种薄膜晶体管，包括：
半导体层，布置于基底上；
栅极绝缘层，布置于该基底上和该半导体层上；以及
栅极，布置于该栅极绝缘层上和该半导体层上方，其中该栅极绝缘层的厚度至少是该半导体层的厚度且不大于该半导体层厚度的1.5倍。

10.  如权利要求9的薄膜晶体管，其中该栅极绝缘层选自仅氮化物层、仅氧化物层、以及包括氮化物层和氧化物层两者的叠层组成的组。

11.  如权利要求9的薄膜晶体管，其中该半导体层为HF清洁过的多晶硅层。

12.  如权利要求9的薄膜晶体管，还包括：
层间绝缘层，布置于该基底上方并由露出部分该半导体层的接触孔穿透；以及
源极/漏极电极，布置于该层间绝缘层上并填充该接触孔以与该半导体层形成接触。

13.  一种薄膜晶体管，包括：
半导体层，布置于基底上；
栅极绝缘层，布置于该基底上和该半导体层上；
栅极，布置于该半导体层上方的该栅极绝缘层上；
层间绝缘层，布置于该基底上，并由露出部分该半导体层的接触孔穿透；以及
源极/漏极电极，布置于该层间绝缘层上，并布置于该接触孔中以分别通过接触孔与该半导体层接触，其中该栅极绝缘层的厚度依赖于该半导体层的厚度。

14.  如权利要求13的薄膜晶体管，其中该栅极绝缘层的厚度至少与该半导体层的厚度一样大。

15.  如权利要求13的薄膜晶体管，其中该栅极绝缘层的厚度不超过该半导体层厚度的1.5倍。

16.  如权利要求13的薄膜晶体管，其中该栅极绝缘层的厚度在该半导体层厚度的1.0至1.5倍之间。

17.  如权利要求13的薄膜晶体管，其中该栅极绝缘层选自仅氮化物层、仅氧化物层、以及包括氮化物层和氧化物层两者的叠层组成的组。

18.  一种平板显示装置，包括：
半导体层，布置于基底上；
第一绝缘层，布置于该基底上和该半导体层上；
栅极，布置于该半导体层上方的该栅极绝缘层上；
第二绝缘层，布置于该基底上方，该第二绝缘层由露出部分该半导体层的接触孔穿透；
源极/漏极电极，布置于该第二绝缘层上，该源极/漏极电极填充该接触孔以与该半导体层接触；以及
像素电极，连接该源极/漏极电极其中之一，其中该第一绝缘层的厚度至少为该半导体层的厚度的1.0倍且不大于该半导体层厚度的1.5倍。

19.  如权利要求18的平板显示装置，其中该栅极绝缘层选自仅氮化物层、仅氧化物层、以及包括氮化物层和氧化物层两者的叠层组成的组，且该半导体层包括多晶硅。

20.  如权利要求18的平板显示装置，还包括：
第三绝缘层，布置于下像素电极与该源极/漏极电极之间，该第三绝缘层由通孔穿过，该通孔由导体填充以将该下像素电极与该源极/漏极电极之一连接；
有机薄层，布置于该下像素电极上；以及
上像素电极，布置于该有机薄层上。

21.  如权利要求20的平板显示装置，其中该下像素电极是反光的，而该上像素电极是透光的。

22.  如权利要求18的平板显示装置，其中该半导体层包括HF清洁过的多晶硅。

薄膜晶体管及平板显示装置
技术领域
本发明涉及一种薄膜晶体管(或TFT)及平板显示装置，其使在半导体层中的迁移率最大化。
背景技术
在用于平板显示装置的薄膜晶体管中，如果把用作半导体层的多晶硅膜的厚度减少，则由于改善的结晶性使得迁移率提高，并可以减小栅极绝缘膜(或栅极氧化膜)的厚度使得薄膜晶体管的阈值电压可以降低。
随着栅极绝缘膜厚度的减少，电学特性，例如，阈值电压(或V_th)特性得以改善。但是存在以下缺点，即栅极绝缘膜厚度的减少同时也可因击穿而引起装置的损坏。另一方面，还存在当栅极绝缘膜的厚度增加时迁移率下降和V_th提高的问题。
在韩国专利No.10-0267491中公开了提高栅极绝缘膜下沟道层中载流子迁移率的技术。为了提高半导体层沟道层中的迁移率，在预处理硅基底表面以降低硅基底表面的粗糙度后，在预处理的硅基底表面上形成栅极氧化膜。此外，韩国专利公布No.2000-0025409中公开了通过在硅基底上形成倾斜4度角的台阶之后，在倾斜台阶上形成栅极氧化膜来提高迁移率的技术。
因而，上述的文献涉及到通过预处理硅基底来提高迁移率或者在半导体器件中在栅极氧化膜形成之前通过在硅基底上形成台阶来提高迁移率的方法。但是，在这些文献中并没有提出既能像平板显示装置中的薄膜晶体管TFT那样，当在由多晶硅膜形成的半导体层上形成栅极绝缘膜时保持迁移率特性和TFT的阈值电压值，又能防止TFT故障的技术。因此，需要一种能制造具有良好迁移率特性和良好阈值电压特性并同时能保证良好电学特性的TFT的制造方法和设计。
发明内容
因此本发明的目的之一是提供一种改进的薄膜晶体管设计(design)。
本发明的又一目的是提供一种制造薄膜晶体管的方法，该方法生产一种具有好的迁移率同时没有电压击穿的薄膜晶体管。
本发明的再一目的是通过控制栅极绝缘膜与多晶硅有源层的厚度比来提供一种薄膜晶体管的改进设计。
本发明的另一目的是提供一种薄膜晶体管，其在没有器件质量下降的情况下具有改进的电特性。
这些或其它目的可以通过以下薄膜晶体管来实现，其具有在基底上形成的半导体层、在基底上方和半导体层上方形成的栅极绝缘膜、以及在半导体层的上部上的栅极绝缘膜上形成的栅极，其中栅极绝缘膜的厚度与半导体层的厚度之比在1.0至1.5之间。优选地，包括沟道层的半导体层是晶化多晶硅，并经历导致进一步改善的迁移率的HF预处理。优选地，该新的薄膜晶体管是平板显示装置结构的一部分。
该平板显示装置还包括：形成在作为像素电极的下电极与源/漏极电极之间、并包括用于将像素电极与源极/漏极电极之一相连的通孔的第三绝缘膜；在下电极上形成的有机薄膜层；以及形成在有机薄膜层上的上电极。
附图说明
通过结合附图并参考以下详细的描述将使对本发明更完整的评价及其附加的优点变得明晰且更易理解，附图中相同的参考标记表示相同或相似的部件，其中：
图1为根据本发明优选实施例的薄膜晶体管的剖面图；
图2为实验性地示出在多晶硅经过HF预处理和多晶硅未经预处理的情况下对应于栅极绝缘膜与多晶硅膜厚度比的TFT迁移率的曲线图；以及
图3示出应用图1中根据本发明优选实施例的新薄膜晶体管的平板显示装置地剖面图。
具体实施方式
现参考附图，图1表示根据本发明优选实施例的用于平板显示装置的薄膜晶体管200的剖面图。参考图1，缓冲层20形成在绝缘基底10上，由多晶硅膜制成的半导体层30形成在缓冲层20上。半导体层30包括源极/漏极区31和35，其中掺杂具有P型或N型电导性的高浓度杂质。半导体层30在源极/漏极区31与35之间的部分是作为本征区的沟道层33。栅极绝缘膜40形成在缓冲层20上和半导体层30的顶部，栅极45形成在半导体层30的沟道层33之上的栅极绝缘膜40上。如图1所示，栅极绝缘膜40的厚度为t₄₀，而半导体层30的厚度为t₃₀。
在半导体层30和栅极绝缘膜40形成之后，栅极层45形成在栅极绝缘膜40上。随后，层间绝缘膜50形成在栅极绝缘膜40上和栅极45上。层间绝缘膜50被接触孔51和55贯穿，分别露出半导体层30的掺杂源极/漏极区31和35。接触孔51和55通过蚀刻层间绝缘膜50形成。源极/漏极电极61和65分别形成在接触孔51和55内，分别通过接触孔51和55分别电性连接源极/漏极区31和35。
现参考图2，图2表示图1的TFT中与栅极绝缘膜厚度t₄₀和半导体层厚度t₃₀的比R相应的所测得的迁移率的实验结果。在图2中显示了两条线。图2中的第一条线(线1)表示在半导体层沉积和构图后以及在结晶硅膜之后在半导体层上未进行预处理时测得的相应于厚度比R的迁移率μ。图2中的第二条线(线2)表示当对构图过的半导体层30进行HF预处理时测得的与厚度比R相应的迁移率μ。
参考图2，显见，当t₄₀与t₃₀的比率R在1.0至1.5的优选范围内时，迁移率最大。如不等式所示，比率R＝t₄₀/t₃₀优选满足不等式1.0≤R≤1.5。在该1.0至1.5的范围内，迁移率在此范围内的变化很小并且此范围内的迁移率基本上是饱和的。此外，在该优选的1.0至1.5的范围内，用HF预处理多晶硅时的迁移率高于未进行预处理的。当t₄₀与t₃₀的厚度比率超过1.5而在优选范围之外时，迁移率急剧下将，如图2中实验性所示。在另一个极端，当栅极绝缘膜40的厚度t₄₀小于半导体层30的多晶硅膜的厚度t₃₀时，栅极绝缘膜40的膜厚度t₄₀的均匀性变差。尤其是用激光结晶多晶硅膜的过程中产生的突出部分会暴露出来，因而如果栅极绝缘膜40的厚度t₄₀小于多晶硅膜的厚度t₃₀时，在TFT的制造过程中就会产生故障。因此，优选不要使TFT的t₄₀与t₃₀的比率R小于1.0。
栅极绝缘膜40由栅绝缘材料例如氧化膜或氮化膜形成单层结构或者由氧化膜和氮化膜形成叠层结构，多晶硅膜用一般的结晶方法例如固相结晶方法或激光结晶方法形成。
现参考图3，图3示出应用根据本发明优选实施例的薄膜晶体管的平板显示装置300的剖面图。用于平板显示器300的TFT可以与图1的TFT 200相同，但本发明不限于此。参考图3，缓冲层110形成在绝缘基底100上，半导体层120形成在缓冲层110上。半导体层120包括源极/漏极区125和121，该源极/漏极区掺杂具有P或N型电导性的高浓度杂质。半导体层120在源极/漏极区121与125之间的部分是保持本征且未掺杂的沟道层123。栅极绝缘膜130形成在缓冲层110上和半导体层120上，栅极135形成在半导体层120的本征沟道层123上的栅极绝缘膜(或栅极绝缘层)130上。
半导体层120包括通过结晶方法形成的多晶硅膜。栅极绝缘膜130包括氧化硅或氮化硅的单层膜、以及氧化硅和氮化硅的多层膜其中之一。栅极绝缘膜130优选形成为具有1.0至1.5倍于半导体层120的厚度t₁₂₀的厚度t₁₃₀以增加半导体层120中的迁移率。随后，层间绝缘膜140形成在栅极绝缘膜130上和栅极135上。层间绝缘膜140分别由接触孔141和145穿透以分别露出半导体层120的源极/漏极区121和125。分别用源极/漏极电极155和151填充接触孔141和145。源极/漏极电极151和155分别与半导体层120上各自的源极/漏极区121和125形成电接触。
钝化层160和平整层(planarization layer)165形成在基底上方并且包括露出源极/漏极电极151和155中之一(漏极电极155在图3中示出)的一部分的通孔170。下电极175形成在平整层165上并填充通孔170从而形成与源极/漏极电极151和155的电接触(151在图3中示出)。具有用于露出下电极175的开口185的像素定义层180形成在基底上方，且有机薄膜层190和上电极195形成在下电极175和像素定义层180上。由此，包括下电极175、有机薄膜层190和上电极195的有机电致发光(EL)器件得以形成且与下方的TFT形成电接触。
优选，下电极175由反光材料制成且优选上电极195由透光材料制成，用以使薄膜层190中产生的光穿过上电极195从器件的顶部漏出。有机薄膜层190可以由空穴注入层、空穴传输层、有机发光层、空穴阻挡层(holebarrier layer)、电子传输层或电子注入层制成。
如上所述，根据本发明优选实施例的薄膜晶体管的优点在于该薄膜晶体管不仅优化了迁移率，还提高了器件的特性，并通过相对多晶硅膜的厚度优化栅极绝缘膜的厚度防止了器件故障。
尽管已经参照其优选实施例对本发明作了具体展示和描述，但是对于本领域的技术人员，可以理解前述及其它形式和细节的变化可以在不脱离本发明的实质和范围的基础上作出。