基于氧化物半导体的薄膜晶体管稳定性

2021-07-05张弓

电子技术与软件工程 2021年10期

张弓

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心江苏省苏州市 215009）

作为显示驱动薄膜晶体管的沟道层材料，由锌、镓、铟、锡或其混合物构成的氧化物比已有的非晶硅具有更高的迁移率、更好的光透过率和更优异的截止特性，并且稳定性好，可以采用低温工艺制造，因此氧化物半导体薄膜晶体管成为备受全球显示器件技术人员关注的“新一代电子的基础材料”，是驱动大屏幕超高精细液晶显示器、有机EL 显示器以及电子纸等新一代显示器的薄膜晶体管材料的最佳候选之一。

然而，氧化物半导体表现出较差的耐热性，在薄膜晶体管的制造过程中，尤其是热处理或等离子体处理的过程中，氧容易被分离并由此形成晶格缺陷，而晶格缺陷会使氧化物半导体具有电气上浅的杂质水平，并使氧化物半导体的电阻变低；因此，当氧化物半导体作为薄膜晶体管的有源层时，阈值电压的降低、泄漏电流的增大以及缺陷水平的增大将导致衰弱型操作，即使在不施加栅极电流的情况下，漏极电流也会流动；当缺陷水平增大到一定程度，薄膜晶体管就会停止操作，转向半导体操作。因此存在利用氧化物半导体的TFT 的特性波动较大的缺点[1]。

1 按照国别进行的统计分析

图1 和图2 分别示出了涉及基于氧化物半导体的薄膜晶体管稳定性的相关专利的公开国别的分布以及申请人国别的分布。由图可知，该项技术的相关专利在美国公开的数量最多，但这并不完全意味着美国在该项技术的科研实力最强，因为还有一种可能就是美国受到各国申请人的极大重视，使得很多其他国家的申请人在美国进行申请，这一点可以从图2 得到很好的印证。从图2 可以看出，该项技术的专利申请人主要分布在日本，排名第二的是韩国，其次才是美国。可见，从总体来看，日本、韩国和美国的申请人比较活跃，这些国家的申请人比较积极向其他国家进行申请，如美国和中国。

图1：专利公开国别的分布

图2：专利申请人国别的分布

2 按照申请人进行的统计分析

表1 中给出了全球范围内基于氧化物半导体的薄膜晶体管稳定性的相关专利申请量排名前7 位的申请人，其中申请数量最多的是日本的半导体能源研究所。紧随其后的是韩国的三星电子、三星液晶显示和三星移动显示，其中，三星液晶显示由三星移动显示与S‐LCD 公司合并而来，之后成为全球最大的面板制造商。接下来分别是日本的SONY（索尼）、CANON（佳能）和SHARP（夏普），对于排名靠后的几家公司，其专利申请量比较接近，技术实力相对均衡。从表1 也可以看出，排名前7 位的申请人中有一半以上是来自日本，可见日本在该项技术的研究发展中遥遥领先其他国家，其市场竞争之激烈可见一斑。

表1：全球范围内相关专利申请量排名前7 位的申请人

表2 中给出了国内基于氧化物半导体的薄膜晶体管稳定性的相关专利申请量排名前6 位的申请人，其中申请数量最多的是北京大学深圳研究生院，其次是华南理工大学、中国科学院微电子研究所，北京大学、清华大学和深圳丹邦投资集团有限公司，这些申请人主要集中在高校和科研院校，而非企业，这与日本和韩国的情况形成鲜明的对比。

表2：国内相关专利申请量排名前6 位的申请人

3 重要申请人的专利技术分析

基于半导体能源研究所在基于氧化物半导体薄膜晶体管稳定性领域方面技术领先地位，下文将对半导体能源研究所的基于氧化物半导体薄膜晶体管稳定性领域代表性专利技术进行分析。如表3所示，半导体能源研究所在氧化物TFT 稳定性方面做出了非常多的研发和技术改进，对该项技术的发展方向把握全面、研究深入。

表3：半导体能源研究所在氧化物TFT 稳定性方面做出的研发和技术改进

值得一提地是，佳能公司早期在该项技术的研究上面成果也颇为丰富，表4 是佳能公司在氧化物TFT 稳定性领域的主要代表专利。可以看出，虽然半导体能源研究所在该项技术研究上占居主导地位，但是其代表性的专利公开年份主要集中在08年以后；而佳能公司对于该项技术的专项研究则相对较早，其代表性的专利公开年份主要集中在08年以前。

表4：佳能公司在氧化物TFT 稳定性领域的主要代表专利

4 相关专利技术发展路线

4.1 沟道层的材料与结构

早在06年，日本专利JP2006165528A 和JP2006186319A 就公开了使用氧化物作为图像显示装置的薄膜晶体管有源层，该氧化物为包括In、Ga、Zn 和O 的非晶氧化物，且其电子载流子浓度小于1018/cm3。随后，日本财团法人高知县产业振兴中心和卡西欧计算机株式会社一起提出了一种氧化物半导体薄膜层，其中至少一部分氧化物半导体薄膜层的(002)晶格面沿垂直于衬底的沿垂直于衬底的方向具有择优取向，并且该(002)晶格面具有至少为的晶格间距d002，该氧化物半导体薄膜层即使在形成绝缘膜等期间经受热处理加工之后，该半导体器件仍表现出极好的性能（US2007278490A1）。之后，WO2008133345 A1 公开了一种氮氧化物半导体，其包括一金属氧氮化物，该金属氧氮化物含有Zn 和由In、Ga、Sn、Mg、Si、Ge、Y、Ti、Mo、W 和Al 组成的组中的至少一种元素，并且该金属氧氮化物的原子组成比N/(N+O)为7 原子%‐80 原子%，由此可以提供在可见光区域的高载流子(电子或空穴)迁移率、优异的环境稳定性和光敏性的氧氮化物半导体。同年，出光兴产株式会社提出了一种能够制造可在较低温下结晶化并具有稳定的半导体特性的氧化物半导体膜的溅射靶，发现含有铟、及至少1 种以上选自钆、镝、钬、铒及镱中的元素的溅射靶可以制造在较低温下发生结晶化且缺氧量少氧化物半导体膜（WO2008114588 A1）。之后，EP2159844 A2 和US2010102311 A1 分别公开了“除了过剩氧(OEX)和氢之间的键之外的氧和氢之间的键密度小于等于1×1018cm‐3的非晶氧化物半导体”和“组成用InMO3(ZnO)m 表示的非晶氧化物半导体”，采用上述非晶氧化物半导体材料制作沟道层可很好地控制氧化物半导体的组成和缺陷。此后，专利文献KR101035357B1 和CN102097486 A 中报道了氧化物半导体层中的Zn/Hf 的浓度可以朝形成有沟道的氧化物半导体层的一部分(该部分接触栅极绝缘层)减小，而朝氧化物半导体层的被暴露于周围环境的上部增大，从而提高薄膜晶体管的稳定性；当HfInZnO 基氧化物半导体中的Zn/Hf 的浓度增大时，HfInZnO 基氧化物半导体的结构变强，从而减少了当HfInZnO 基氧化物半导体经历后续的工艺(例如薄膜形成工艺或等离子体工艺)时出现的缺陷问题。

4.2 沟道层的处理工艺

早在05年，专利文献WO2005088726A1 就披露了一种非晶氧化物和使用该非晶氧化物的薄膜晶体管，该非晶氧化物例如是InGaZnO，制作时控制成膜气氛的氧分压，能够获得高的电子迁移率。之后，佳能株式会社和国立大学法人东京工业大学在专利号为WO2006051994A2 的专利申请中公开了使用非晶氧化物作为薄膜晶体管的有源层，通过控制在成膜过程中的氧气氛条件，能够将电子载流子浓度减小到小于1×1018/cm3。07年，日本专利文献JP2007073697A 也公开了使用氧化物半导体膜作为沟道层制造高性能薄膜晶体管方法，其在溅射的氛围中包括水蒸汽。之后，WO2008/023553 A1 和WO2008/062720 A1 分别公开了“制作时先在氧分压为1×10‐3Pa 或更小的气氛中形成氧化物膜，然后在氧化气氛中对氧化物膜进行退火”以及“在氧化气氛中使形成的氧化铟膜进行退火”的技术方案。另外，美国专利申请公开US2009045397A1 公开了在薄膜晶体管的沟道层的氧化物半导体中引入氢来控制载流子密度的技术。之后，株式会社半导体能源研究所提出了经过通过热处理进行的脱水或脱氢的氧化物半导体层被用作活动层，该活动层包括微晶化的浅表部分的第一区以及其余部分的第二区，采用上述结构可以获得具有有利的电特性和高可靠性的晶体管以及包括该晶体管的显示设备。

4.3 其他

日本专利申请JP2003086808A 披露了一种具有透明半导体薄膜（如ZnO 等）的薄膜晶体管，在该薄膜晶体管中栅绝缘层为包含第一绝缘膜和第二绝缘膜的两层结构，其中第一绝缘膜为SiNx 等具有高绝缘性的膜且位于栅电极侧，第二绝缘膜为氧化膜（例如，SiO2）且位于半导体界面侧，通过这种设置半导体层中的结晶度可以提高，同时半导体与第二绝缘膜之间的界面的缺陷水平可以降低；此外，公开号为JP2007250982A 的申请公开了薄膜晶体管的栅绝缘膜采用非晶硅且至少包含O 和N，其在厚度方向上具有氧浓度分布，其中氧浓度在与氧化物半导体层的界面侧变高，而在与栅电极的界面侧变低，由此在氧化物半导体和绝缘层之间具有良好的界面，实现了稳定和高的薄膜晶体管特性。之后，佳能株式会社提出了采用包括含有In 和Zn 并且至少一部分为非晶的氧化物作为有源层，位于有源层与第一绝缘层之间的第二绝缘层具有低于3×1021原子/cm3的氢含量，制得的显示器可以长期被稳定驱动，并且具有高的清晰度和少的图像缺陷（WO2008069286 A3）。后来美国专利申请US2010155718 A1 公开了在计划的沟道形成区域上设置抑制热传输的掩膜，之后在空气中加热氧化物半导体膜，此时掩膜抑制热传递到计划沟道形成区域，同时在未被掩膜覆盖的氧化物半导体膜的区域中，通过加热产生氧缺陷等，提高载流子密度，降低电阻值，结果未被掩膜覆盖的氧化物半导体膜的区域获得比计划的沟道形成区域的载流子密度更高的载流子密度。株式会社半导体能源研究所在US2010133530A1 中提出了在使用氧化物半导体作为有源层的薄膜晶体管中，在第一氧化物半导体区域上方形成第二氧化物半导体区域，其中第二氧化物半导体区域的电导率低于第一氧化物半导体的电导率，该第二氧化物半导体区域用作第一氧化物半导体区域的保护层，从而可以防止第一氧化物半导体区的组成的变化和膜质的劣化，且使薄膜晶体管的电特性稳定。