TWI834349B

TWI834349B - 薄膜電晶體

Info

Publication number: TWI834349B
Application number: TW111140073A
Authority: TW
Inventors: 張鼎張; 凃玉發; 洪揚豪; 鄭宇哲; 陳建傑; 周冠儒; 林仕鎧
Original assignee: 國立中山大學
Filing date: 2022-10-21
Publication date: 2024-03-01

Abstract

一種薄膜電晶體，用以解決習知薄膜電晶體受紫外光照射而劣化及電流輸出不穩定的問題。係包含：一基板；一閘極，位於該基板上；一閘極絕緣層，位於該基板上並覆蓋該閘極；一通道層，疊層於該閘極絕緣層上；一蝕刻停止層，疊層於該通道層上；一源極金屬層，具有一源極延伸部；及一汲極金屬層，該源極金屬層及該汲極金屬層分別位於該蝕刻停止層的二端，該源極延伸部往該汲極金屬層方向延長，使該源極延伸部的投影重疊於該閘極，且該源極金屬層未接觸該汲極金屬層。

Description

薄膜電晶體

本發明係關於一種電子元件，尤其是一種提升可靠度及穩定輸出電流的薄膜電晶體。

以金屬氧化物(Metal Oxide)為材料的薄膜電晶體(Thin Film Transistor,TFT)，具有高載子遷移率、低漏電、透明及輕薄等特性，主要應用於顯示面板技術，例如：主動式陣列有機發光二極體(Active matrix organic light emitting diode,AMOLED)，係由多個薄膜電晶體所形成的陣列作為電流開關及驅動元件，用於控制陣列上方的發光二極體層之每個像素的發光情形。

請參照第1圖所示，其係習知的薄膜電晶體陣列9的其中一列，具有數個薄膜電晶體91電性連接於兩條輸出電壓線之間，有機發光二極體係疊層於該薄膜電晶體陣列9上，且每一個該薄膜電晶體91對應一個像素點P，由各該薄膜電晶體91供應各該像素點P發光所需的電流，各該薄膜電晶體91具有一閘極G、一源極S及一汲極D，該汲極D電性連接高電壓線(20V)，及該源極S電性連接低電壓線(0V)，由於相鄰二源極S之間的電壓線電阻及相鄰二汲極D之間電壓線電阻會造成壓降，係導致該數個薄膜電晶體91的源極S、汲極D兩端的電位差產生差異，而使各該薄膜電晶體91所供應的電流值不同，最終造成發光二極體層的發光不均勻。另外，該薄膜電晶體91長時間接受發光二極體照射，會導致該薄膜電晶體91的電性及可靠度下降，而縮短顯示面板的使用壽命。

有鑑於此，習知的薄膜電晶體確實仍有加以改善之必要。

為解決上述問題，本發明的目的是提供一種薄膜電晶體，可以在電壓不穩定時提供穩定電流。

本發明的次一目的是提供一種薄膜電晶體，不需要疊層遮光層仍能夠遮擋紫外光照射。

本發明的又一目的是提供一種薄膜電晶體，可以改善電晶體結構的熱載子應力。

本發明全文所述方向性或其近似用語，例如「上(頂)」、「下(底)」等，主要係參考附加圖式的方向，各方向性或其近似用語僅用以輔助說明及理解本發明的各實施例，非用以限制本發明。

本發明全文所記載的元件及構件使用「一」或「一個」之量詞，僅是為了方便使用且提供本發明範圍的通常意義；於本發明中應被解讀為包括一個或至少一個，且單一的概念也包括複數的情況，除非其明顯意指其他意思。

本發明的薄膜電晶體，包含：一基板；一閘極，位於該基板上；一閘極絕緣層，位於該基板上並覆蓋該閘極；一通道層，疊層於該閘極絕緣層上；一蝕刻停止層，疊層於該通道層上；一源極金屬層，具有一源極延伸部；及一汲極金屬層，該源極金屬層及該汲極金屬層分別位於該蝕刻停止層的二端，該源極延伸部往該汲極金屬層方向延長，使該源極延伸部的投影重疊於該閘極，且該源極金屬層未接觸該汲極金屬層，該汲極金屬層具有一汲極延伸部，該汲極延伸部往該源極金屬層方向延長，該源極延伸部及該汲極延伸部遮擋紫外光照射，該源極延伸部的長度大於該汲極延伸部的長度，該源極延伸部分散橫向電場，使電晶體臨界電壓的變化幅度下降至約1伏特。

據此，本發明的薄膜電晶體，藉由在該源極金屬層形成該源極延伸部，以遮蓋該通道層及該閘極區域，係可以在壓降狀況仍穩定輸出電流，並提升閘極控制能力，另外，該源極延伸部還可以分散橫向電場以改善熱載子應力，藉由該源極延伸部遮擋紫外光照射能夠避免元件劣化及免除疊層遮光層，係具有提升元件可靠度、提供穩定電流及節省製造成本等功效。此外，該源極延伸部及該汲極延伸部的遮光面積增加，係可以減少電晶體結構受光線照射，係具有提升元件可靠度及延長使用壽命的功效。

其中，該閘極、該源極金屬層及該汲極金屬層的材料是鉬、鋁、鈦、氮化鈦或摻雜濃度大於10¹⁹cm^-3之多晶矽。如此，各該電極係可以導電且不透光，係具有控制電晶體特性及阻擋紫外光照射的功效。

其中，該蝕刻停止層的材料是氮、氧或鋁之化合物，包括：氧化矽、氮化矽、氧化鋁、氧化鈦或氧化鉭。如此，該蝕刻停止層具有蝕刻選擇性，係可以在後續疊層時阻止蝕刻，係具有形成圖案化疊層的功效。

其中，該基板的材料是玻璃、矽或碳化矽，該閘極絕緣層的材料是氧或氮化物，包括：氧化矽、氮化矽、氧化鋁或氧化鉿。如此，該基板可以承載電子電路，又，該閘極絕緣層可以防止電擊穿，係具有應用於各種顯示器技術的功效。

本發明之薄膜電晶體，另包含一保護層，該保護層疊層於該蝕刻停止層、該源極金屬層及該汲極金屬層上，該保護層的材料是氮化矽、氧化矽或氧化鋁。如此，該保護層係可以耐熱衝擊及電絕緣，係可以用於保護其底下各層及電極的電性功能不受到環境影響，係具有提升產品可靠度的功效。

〔本發明〕

1:基板

2:閘極

3:閘極絕緣層

4:通道層

5:蝕刻停止層

6:源極金屬層

61:源極延伸部

7:汲極金屬層

71:汲極延伸部

8:保護層

〔習用〕

9:薄膜電晶體陣列

91:薄膜電晶體

P:像素點

G:閘極

S:源極

D:汲極

〔第1圖〕一種習知薄膜電晶體陣列電路圖。

〔第2圖〕本發明較佳實施例的結構剖面圖。

〔第3圖〕本發明另一實施例的結構剖面圖。

〔第4圖〕習知薄膜電晶體的汲極電流與汲極電壓關係圖。

〔第5圖〕本發明薄膜電晶體的汲極電流與汲極電壓關係圖。

〔第6圖〕習知薄膜電晶體接受熱載子應力可靠度測試前後的汲極電流與閘極電壓關係比較圖。

〔第7圖〕本發明薄膜電晶體接受熱載子應力可靠度測試前後的汲極電流與閘極電壓關係比較圖。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式作詳細說明；此外，在不同圖式中標示相同符號者視為相同，會省略其說明。

請參照第2圖所示，其係本發明薄膜電晶體的較佳實施例，係包含一基板1、一閘極2、一閘極絕緣層3、一通道層4、一蝕刻停止層5、一源極金屬層6及一汲極金屬層7，該閘極2位於該基板1上，由該閘極絕緣層3覆蓋該閘極2，再依序疊層該通道層4及該蝕刻停止層5，該源極金屬層6及該汲極金屬層7分別位於該蝕刻停止層5的二端。

該基板1用於承載各種電子元件、線路及電極，係可以藉由濺射、蒸鍍、雷射沉積、化學氣相沉積法或原子層沈積法等技術將金屬、半導體及絕緣等材料成形於該基板1上，並堆疊為薄膜電晶體的構造。該基板1的材料可以是玻璃、矽或碳化矽。

該閘極2係可以透過濺鍍(Sputter Deposition)或蒸鍍(Evaporation Deposition)技術沉積於該基板1上，該閘極2的材料可以是鉬(Mo)、鋁(Al)、鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)或重摻雜(摻雜濃度大於10¹⁹cm^-3)多晶矽等。

該閘極絕緣層3(Gate Insulator,GI)係可以透過電漿增強化學氣相沉積(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)或原子層沈積法(Atomic Layer Deposition,ALD)技術疊層於該基板1並覆蓋該閘極2，該閘極絕緣層3的材料可以是氧化矽(SiO_x)、氮化矽(SiNx)、氧化鋁(AlOx)或氧化鉿(HfOx)。

該通道層4係可以透過射頻磁控濺鍍(Radio Frequency Magnetron Sputtering)技術疊層於該閘極絕緣層3上，係由銦(In)、鎵(Ga)、鋅(Zn)原子擴散並沉積所形成的氧化銦鎵鋅(InGaZnO)薄膜。

該蝕刻停止層5(Etching-Stop Layer,ESL)係可以透過化學氣相沉積技術疊層於該通道層4上，該蝕刻停止層5具有蝕刻選擇性，係能夠在後續的圖案化疊層達到阻止蝕刻的作用，該蝕刻停止層5的材料可以是氧化矽、氮化矽、氧化鋁、氧化鈦、氧化鉭等氮、氧或鋁之化合物。

當施加電壓於該閘極2係可以在該通道層4打開載子通道，一汲極電流係可以由該源極金屬層6通過該通道層4並流向該汲極金屬層7，該源極金屬層6具有一源極延伸部61，該源極延伸部61係往該汲極金屬層7方向延長，使該源極延伸部61的投影重疊於該閘極2，且該源極延伸部61未接觸該汲極金屬層7。該源極金屬層6及該汲極金屬層7的材料可以是鉬、鋁、鈦、氮化鈦或重摻雜多晶矽等。

另外，如第3圖所示，該汲極金屬層7也可以具有一汲極延伸部71，該汲極延伸部71係往該源極金屬層6方向延長，該源極延伸部61的長度大於該汲極延伸部71的長度，該源極延伸部61及該汲極延伸部71可以作為金屬遮光罩，用於阻擋陽光或位於元件上方之發光二極體的照射，係可以避免該通道層4直接照射到紫外光而影響電晶體特性，例如：產生漏電流。又，形成該源極延伸部61及該汲極延伸部71還可以省去一遮光層結構及免除一疊層步驟，係具有節省製造成本的作用。

本發明的薄膜電晶體還可以具有一保護層8(Passivation,PV)，該保護層8疊層於該蝕刻停止層5、該源極金屬層6及該汲極金屬層7上，該保護層8用於保護其底下各層及電極的電性功能不受到環境影響，係具有提升產品可靠度的作用，該保護層8的材料可以是氮化矽、氧化矽或氧化鋁等，係具有耐熱衝擊及電絕緣等特性。

請參照第2、4及5圖所示，該源極金屬層6之該源極延伸部61重疊於該通道層4及該閘極2的區域，係可以提升透過該閘極2控制電晶體模式的能力，以抑制小尺寸電晶體之該通道層4長度縮短而導致的汲極引發能障降低(Drain Induced Barrier Lowering,DIBL)效應。如第4圖所示，其係習知未延長該源極金屬層6之薄膜電晶體的汲極電流與汲極電壓關係圖，由第4圖可知，該汲極電流隨著該汲極電壓增加，在汲極電壓提升至8伏特甚至10伏特以上時，該汲極電流才能夠逐漸穩定(飽和)，且閘極電壓愈大該汲極電流愈不容易達到穩定，係導致習知薄膜電晶體所組成的陣列會受到壓降影響，而使同一列之數個電晶體的汲極電壓及電流漸小；又，如第5圖所示，其係本發明之薄膜電晶體的汲極電流與汲極電壓關係圖，由第5圖可知，在汲極電壓約2伏特時，該汲極電流不再隨著該汲極電壓增加而達到飽和狀態，因此，該源極金屬層6之該源極延伸部61係能夠抑制DIBL效應及提升閘極控制能力。

本發明薄膜電晶體所組成的陣列不受壓降影響，係能夠穩定輸出飽和電流，適用於各種顯示器技術，例如：主動式陣列有機發光二極體顯示器(AM-OLED)、主動式陣列液晶顯示器(AM-LCD)、量子點顯示器(QLED)、次毫米發光二極體(Mini LED)顯示器及微發光二極體(Micro LED)顯示器等。

請參照第6及7圖所示，其係習知薄膜電晶體及本發明之薄膜電晶體，接受1000秒的熱載子應力(Hot-Carrier Stress,HCS)可靠度測試前後的汲極電流與閘極電壓關係比較圖。如第6圖所示，習知薄膜電晶體接受可靠度測試後，臨界電壓(Threshold Voltage)(汲極電流急劇變化所對應的閘極電壓值)增加約1.7伏特，而影響閘極控制能力；又，如第7圖所示，本發明之薄膜電晶體接受可靠度測試後，臨界電壓的變化幅度可下降至約1伏特，因此，再參照第2圖所示，該源極金屬層6之該源極延伸部61藉由分散橫向電場，係能夠改善熱載子應力，具有提升元件可靠度的作用。

綜上所述，本發明的薄膜電晶體，藉由在該源極金屬層形成該源極延伸部，以遮蓋該通道層及該閘極區域，係可以在壓降狀況仍穩定輸出電流，並提升閘極控制能力，另外，該源極延伸部還可以分散橫向電場以改善熱載子應力，藉由該源極延伸部及該汲極延伸部遮擋紫外光照射能夠避免元件劣化及免除疊層遮光層，係具有提升元件可靠度、提供穩定電流及節省製造成本等功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當包含後附之申請專利範圍所記載的文義及均等範圍內之所有變更。