CN100403498C - 薄膜晶体管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种薄膜晶体管的制造方法，包括以下步骤：(a)形成栅极于基板上；(b)形成栅极绝缘层覆盖栅极；(c)形成多晶硅层于栅极绝缘层上；(d)形成蚀刻停止层于多晶硅层上且对应栅极；(e)形成重掺杂多晶硅层于蚀刻停止层以及多晶硅层上并暴露蚀刻停止层的部分区域；以及(f)形成源极以及漏极于重掺杂多晶硅层上并对应于栅极的两侧。

Description

薄膜晶体管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种薄膜晶体管及其制造方法，尤其涉及一种可省略离子注入与活化步骤的薄膜晶体管的制造方法。

背景技术

目前的薄膜晶体管技术中，多晶硅薄膜晶体管(poly-silicon thin filmtransistors，poly-Si TFTs)主要是以多晶硅形成薄膜晶体管的重掺杂多晶硅层，可提升晶体管的驱动能力。以下是说明传统薄膜晶体管的制作方法，并重点介绍将非晶硅(Amorphous Silicon，a-Si)转换为多晶硅(Poly-Silicon，poly-Si)的制作流程。

请参照图1A～1C，其绘示传统薄膜晶体管的制造方法的流程图。传统薄膜晶体管10的制造方法包括下列步骤。首先，将栅极12、栅极绝缘层13、非晶硅层(Amorphous Silicon，a-Si)14、蚀刻停止层15依序形成于基板11上，如图1A所示。

接着，以准分子激光退火(Excimer laser annealing，ELA)工艺，在特定的气氛条件下，将非晶硅层14转化成多晶硅(Poly-Silicon，poly-Si)层14’。之后，以离子注入(Ion implantation)工艺，将欲掺杂的物质离子化之后，以加速器将离子加速直接打入多晶硅层14’中，如图1B所示。然后，进行高温活化工艺，以高温造成原子扰动使得掺杂物进入晶格而形成有效的掺杂物。藉此，形成重掺杂多晶硅层14a与14b，如图1C所示。最后，形成源极18a与漏极18b完成薄膜晶体管10，如图1D所示。

目前制作多晶硅薄膜晶体管的流程中，重掺杂多晶硅层是以离子注入工艺为主要制作手段。然而，离子注入工艺所采用的设备昂贵，且需要额外的活化步骤，为一昂贵且耗时的工艺。此外，利用离子注入制作重掺杂多晶硅层时，极易污染载流子沟道，影响组件导电特性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种薄膜晶体管的制造方法，其直接形成重掺杂的非晶硅层，再施加能量源将其转换为重掺杂多晶硅层。因此，本发明可省略传统耗时且昂贵的离子注入与活化步骤，简化工艺，且成品性能更佳。

根据本发明的目的，提出一种薄膜晶体管的制造方法，包括：(a)形成栅极于基板上；(b)形成栅极绝缘层覆盖栅极；(c)形成多晶硅层于栅极绝缘层上；(d)形成蚀刻停止层于多晶硅层上且对应栅极；(e)形成重掺杂多晶硅层于蚀刻停止层以及多晶硅层上并暴露蚀刻停止层的部分区域；以及(f)形成源极以及漏极于重掺杂多晶硅层上并对应于栅极的两侧。

根据本发明的目的，还提出一种薄膜晶体管的制造方法，包括：(a)形成栅极于基板上；(b)形成栅极绝缘层覆盖栅极；(c)形成非晶硅层于栅极绝缘层上；(d)形成绝缘层于非晶硅层上；(e)图案化绝缘层以形成蚀刻停止层于非晶硅层上且对应栅极；(f)形成重掺杂非晶硅层于非晶硅层上并覆盖蚀刻停止层；(g)提供能量源于非晶硅层以及重掺杂非晶硅层使其分别转换为多晶硅层以及重掺杂多晶硅层；(h)形成导电层于重掺杂多晶硅层上；以及(i)图案化导电层以及重掺杂多晶硅层，以暴露出蚀刻停止层的部分表面，而形成源极以及漏极对应栅极的两侧。

根据本发明的目的，还提出一种薄膜晶体管，其包括栅极、栅极绝缘层、多晶硅层、蚀刻停止层、重掺杂多晶硅层、源极以及漏极。栅极形成于基板上，栅极绝缘层形成于栅极上并覆盖栅极。多晶硅层形成于栅极绝缘层上，且不对称于栅极，其中多晶硅层的一侧是延伸出于栅极的侧面。蚀刻停止层形成于多晶硅层上并对应于栅极，用以定义一沟道长度。重掺杂多晶硅层形成于多晶硅层上并具有开口以暴露出蚀刻停止层的部分区域。源极以及漏极形成于重掺杂多晶硅层上并对应地位于栅极上方两侧。

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1A至1D绘示传统薄膜晶体管的制造方法的流程图；

图2A至2G绘示依照本发明的实施例一的薄膜晶体管的制造方法的流程示意图；

图3A至3C绘示依照本发明的实施例二的薄膜晶体管的制造方法的流程图；

图4A至4B绘示依照本发明的实施例三的薄膜晶体管的制造方法的流程图；

图5A至5C绘示依照本发明的实施例四的薄膜晶体管的制造方法的流程图；

图6A及6B绘示依照本发明的实施例五的薄膜晶体管的制造方法的流程图。

主要组件符号说明

10：薄膜晶体管

11：基板

12：栅极

13：栅极绝缘层

14：非晶硅层

14’：多晶硅层

15：蚀刻停止层

14a、14b：重掺杂多晶硅层

18a、18b：源极与漏极

100：薄膜晶体管

110：基板

120：栅极

130：栅极绝缘层

140：非晶硅层

145：多晶硅层

150：蚀刻停止层

170：重掺杂非晶硅层

175：重掺杂多晶硅层

180a、180b：源极与漏极

260：另一非晶硅层

265：轻掺杂多晶硅层

350：蚀刻停止层

478：催化金属层

540：非晶硅层

545：多晶硅层

570：重掺杂非晶硅层

575：重掺杂多晶硅层

580a、580b：源极、漏极

具体实施方式

本发明的薄膜晶体管的制造方法，包括：形成一栅极于一基板上；形成一栅极绝缘层覆盖栅极；形成一多晶硅层于栅极绝缘层上；形成一蚀刻停止层于多晶硅层上且对应栅极；形成一重掺杂多晶硅层于蚀刻停止层以及多晶硅层上并暴露蚀刻停止层的部分区域；以及形成一源极以及一漏极于重掺杂多晶硅层上并对应于栅极的两侧。其中，形成多晶硅层以及重掺杂多晶硅层的方式是于沉积非晶硅层以及重掺杂非晶硅层之后，利用一能量源将其转换而成。以下是举几组实施例配合附图做详细说明，然此些实施例仅为说明之用，并不会对本发明的保护范围进行限缩。

实施例一

请参照图2A～2G，其绘示依照本发明的实施例一的薄膜晶体管的制造方法的流程示意图。本实施例的薄膜晶体管100的制造方法包括下列步骤。

首先，形成栅极120于基板110上，如图2A所示。然后，形成栅极绝缘层130覆盖栅极120，如图2B所示。接着，形成非晶硅层140于栅极绝缘层130上，如图2C所示。非晶硅层140例如是利用等离子体增强化学气相沉积(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)工艺或化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)工艺而形成。

接着，形成绝缘层(未绘示)于非晶硅层140上之后，图案化绝缘层以形成蚀刻停止层150于非晶硅层140上且对应栅极120，如图2D所示。

然后，形成重掺杂非晶硅层170于蚀刻停止层150以及非晶硅层140上，如图2E所示。例如是利用等离子体增强化学气相沉积(Plasma-EnhancedChemical Vapor Deposition，PECVD)工艺或化学气相沉积(Chemical VaporDeposition，CVD)工艺。其中，本实施例可应用于N型及P型TFT。进一步地说，形成重掺杂非晶硅层是利用磷化氢(phosphine，PH₃)以及硅烷(Silane)气体进行沉积，以形成N型掺杂非晶硅层。或者，利用氮气(Nitrogen)以及硅烷(Silane)气体进行沉积，以形成P型掺杂非晶硅层。

之后，提供能量源于非晶硅层140以及重掺杂非晶硅层170使其同时转换为多晶硅层145以及重掺杂多晶硅层175。能量源例如是激光、磁场、热源或催化剂。优选的是，能量源是利用快速热退火工艺(Rapid ThermalAnnealing，RTA)或场增强快速热退火工艺(Field Enhanced Rapid ThermalAnnealing，FERTA)来提供。本实施例不需要设备昂贵的离子注入的步骤以及耗时的高温活化的步骤。与现有技术相比，本实施例可省略两个工艺上的步骤，节省下金钱、人力与时间，加速生产速度。此外，将非晶硅层以及重掺杂非晶硅层同时结晶，因此不对载流子沟道造成污染，所生产出的薄膜晶体管组件特性良好。

在形成重掺杂多晶硅层175于蚀刻停止层150以及多晶硅层145上之后，形成导电层180于重掺杂多晶硅层175上，如图2F所示。最后，图案化导电层180以及重掺杂多晶硅层175，以暴露出蚀刻停止层150的部分表面，并形成源极180a和漏极180b，如图2G所示。其中，源极180a以及漏极180b间具有一开口以暴露出蚀刻停止层150的部分表面。

另一方面，本实施例的步骤的实行顺序并不限定于此，也可以有其它排列方式。例如是，在形成非晶硅层之后，即提供一能量源于非晶硅层使其转换为多晶硅层。接着，蚀刻停止层、重掺杂非晶硅层依序形成于多晶硅层上后，再度施加能量源使得重掺杂非晶硅层转换为重掺杂多晶硅层。

实施例二

本实施例与上述实施例的薄膜晶体管及其制造方法是大致上相同，仅多一层轻掺杂多晶硅层于多晶硅层以及重掺杂多晶硅层间，在功能上亦有差异。其余步骤都相同，因此不再赘述。

请参照图3A～3C，其绘示本发明的实施例二的薄膜晶体管的制造方法的流程图。本实施例的薄膜晶体管的制造方法包括下列步骤。首先，将栅极、栅极绝缘层、非晶硅层、蚀刻停止层依序形成于基板上，其形成方式与上述实施例皆相同。

之后，形成另一非晶硅层260于非晶硅层140以及蚀刻停止层150上，如图3A所示。接着，形成重掺杂多晶硅层170于另一非晶硅层260上，使得另一非晶硅层260位于非晶硅层140以及重掺杂非晶硅层170之间，如图3B所示。之后，提供能量源，使得重掺杂非晶硅层170内的掺杂物移动至另一非晶硅层260中，并将另一非晶硅层260转换为轻掺杂多晶硅层265。同时，也将非晶硅层140与重掺杂非晶硅层170转换为多晶硅层145以及重掺杂多晶硅层175。藉此，形成轻掺杂多晶硅层265于多晶硅层145以及重掺杂多晶硅层175间。最后，形成源极180a与漏极180b，完成本实施例的薄膜晶体管200，如图3C所示。

另一方面，形成轻掺杂多晶硅层的方法并不限定于上述的方式。举例来说，也可于气相沉积时加入掺杂气体以形成轻掺杂的非晶硅层，再施加能量源同时形成多晶硅层、轻掺杂多晶硅层以及重掺杂多晶硅层。

本实施例的薄膜晶体管200属于轻掺杂漏极(Lightly Doped Drain，LDD)的结构，以轻掺杂多晶硅层作为栅极与漏极间缓冲地带，可降低栅极与漏极之间的跨压，减少泄漏电流(leakage current)的问题，提高组件的可靠性。

实施例三

本实施例与实施例一的薄膜晶体管的制造方法大致上相同，仅蚀刻停止层的图案不同导致最终形成的结构不同，在功能上亦有差异。其余步骤都相同，因此不再赘述。

请参照图4A～4B，其绘示本发明的实施例三的薄膜晶体管的制造方法的流程图。本实施例的薄膜晶体管的制造方法包括下列步骤。首先，将栅极、栅极绝缘层、非晶硅层、绝缘层依序形成于基板上，其形成方式与上述实施例皆相同。然后，图案化绝缘层以形成蚀刻停止层350，其中蚀刻停止层350使其宽度大于栅极120，且不对称地对应于栅极120，如图4A所示。优选的是，蚀刻停止层350的一侧是延伸出栅极120的侧面。最后，依序形成重掺杂多晶硅层170、源极180a与漏极180b，完成本实施例的薄膜晶体管300，如图4B所示。

请参照图4B，本实施例的薄膜晶体管300包括基板110、栅极120、栅极绝缘层130、多晶硅层145、蚀刻停止层350、重掺杂多晶硅层170、源极180a以及漏极180b。栅极120形成于一基板110上。栅极绝缘层130形成于栅极120上并覆盖栅极120。多晶硅层145形成于栅极绝缘层130上。蚀刻停止层350形成于多晶硅层145上并不对称对应于栅极120，用以定义一沟道长度。重掺杂多晶硅层170形成于多晶硅层145上并具有一开口以暴露出蚀刻停止层350的部分区域。轻掺杂多晶硅层(未绘示)可形成于多晶硅层145以及重掺杂多晶硅层170间。源极180a以及漏极180b形成于重掺杂多晶硅层170上并对应地位于栅极120上方两侧。

本实施例的薄膜晶体管300属于栅极偏移(offset)结构，是以蚀刻停止层定义出载流子沟道(channel)的长度。换句话说，藉由蚀刻停止层遮蔽部分的多晶硅层，使得多晶硅层具有一部分不受栅极也不受漏极或源极控制的高阻值区域，可降低栅极与漏极之间的跨压，减少泄漏电流(leakage current)的问题，提高组件的可靠性。

实施例四

本实施例与实施例一的薄膜晶体管及其制造方法是大致上相同，只有形成重掺杂多晶硅层的步骤不同，其余步骤都相同，在此不再赘述。

请参照图5A及5B，其绘示依照本发明的实施例四的薄膜晶体管的制造方法的流程图。本实施例的薄膜晶体管的制造方法包括下列步骤。首先，将栅极、栅极绝缘层、非晶硅层、蚀刻停止层依序形成于基板上，其形成方式与上述实施例皆相同。然后，形成重掺杂非晶硅层170于非晶硅层140以及蚀刻停止层150上，如图5A所示。接着，形成一催化金属层(catalyticmetal)478于重掺杂非晶硅层170上，如图5B所示。催化金属层478优选包括镍。之后，提供一能量源例如是热源，将非晶硅层140以及重掺杂非晶硅层170转换为多晶硅层145以及重掺杂多晶硅层175。能量源优选的是利用一金属诱导侧向结晶工艺(Metal Induced Lateral Crystallization，MILC)来提供。最后，依序形成源极180a与漏极180b，完成本实施例的薄膜晶体管400，如图5C所示。

在薄膜晶体管400中，催化金属层478是位于重掺杂多晶硅层175与漏极180a及源极180b之间。然而，催化金属层478也可于重掺杂多晶硅层175完成之后，立即移除。

本实施例的重掺杂多晶硅层是采用金属诱导侧向结晶工艺(MILC)来进行结晶。藉由金属层与非晶硅层产生金属硅化物作为催化剂，降低结晶所需的温度，精简工艺时间。

实施例五

本实施例与实施例一的薄膜晶体管的制造方法大致上相同，仅增加图案化多晶硅层的步骤。因此，所形成的薄膜晶体管于结构上只有多晶硅层的图案不同，于功能上亦有差异，其余步骤都相同，在此不再赘述。

请参照图6A及6B，其绘示依照本发明的实施例五的薄膜晶体管的制造方法的流程图。本实施例的薄膜晶体管的制造方法包括下列步骤。首先，将栅极、栅极绝缘层、非晶硅层依序形成于基板上，其形成方式与上述实施例皆相同。

接着，图案化非晶硅层540使得非晶硅层540的截面积小于栅极120的截面积，如图6A所示。之后，形成重掺杂非晶硅层570于非晶硅层540上，并提供能量源将其分别转换为多晶硅层545以及重掺杂多晶硅层575。最后，将源极580a及漏极580b形成于重掺杂多晶硅层575上，完成薄膜晶体管500，如图6B所示。

多晶硅层545以及重掺杂多晶硅层575一般称为岛状结构。本实施例的薄膜晶体管500是一内岛状(island-in)结构，其多晶硅层545的面积小于栅极120的面积。内岛状结构的优点在于可避免薄膜晶体管500于实际操作时因受到位于基板110下方的液晶显示器背光源(未图示)的照射产生光漏电流，提高组件的可靠性。

本发明上述实施例所揭露的薄膜晶体管及其制造方法，是直接形成重掺杂的非晶硅层，并施加能量源将其转换为重掺杂多晶硅层。因此，本发明可省略设备昂贵的离子注入的步骤以及耗时的高温活化的步骤。与现有技术相比，可省略两个工艺上的步骤，节省下金钱、人力与时间，简化工艺并加速生产速度。此外，将非晶硅层以及重掺杂非晶硅层同时结晶，因此不对载流子沟道造成污染，所生产出的薄膜晶体管组件特性良好。再者，实施例四更提出金属诱导侧向结晶工艺来进行非晶硅的结晶。藉由金属层与非晶硅层产生金属硅化物作为催化剂，降低结晶所需的温度，精简工艺时间。另一方面，说明书中还提出多种可应用本发明的制造方法的薄膜晶体管结构，例如是轻掺杂漏极(LDD)、栅极偏移结构(offset)以及内岛结构(island-in)等等，皆可减少泄漏电流(leakage current)的问题，提高组件的可靠性。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

Claims (21)

1.一种薄膜晶体管的制造方法，包括以下步骤：

形成一栅极于一基板上；

形成一栅极绝缘层覆盖该栅极；

形成一多晶硅层于该栅极绝缘层上；

形成一蚀刻停止层于该多晶硅层上且对应该栅极；

形成一重掺杂多晶硅层于该蚀刻停止层以及该多晶硅层上并暴露该蚀刻停止层的部分区域；以及

形成一源极以及一漏极于该重掺杂多晶硅层上并对应于该栅极的两侧，

其中形成该多晶硅层于该栅极绝缘层上的步骤包括：

形成一非晶硅层于该栅极绝缘层上；以及

提供一能量源于该非晶硅层使其转换为该多晶硅层，

其中形成该重掺杂多晶硅层于该蚀刻停止层以及该多晶硅层上的步骤包括：

形成一重掺杂非晶硅层于该蚀刻停止层以及该多晶硅层上，其中该能量源是作用于该非晶硅层以及该重掺杂非晶硅层，使其分别转换为多晶硅层以及该重掺杂多晶硅层。

2.如权利要求1所述的方法，还包括图案化该蚀刻停止层使其宽度大于该栅极，且不对称地对应于该栅极。

3.如权利要求2所述的方法，其中该蚀刻停止层的至少一侧延伸出该栅极的侧面。

4.如权利要求1所述的方法，其中形成该重掺杂多晶硅层于该蚀刻停止层以及该多晶硅层上并暴露该蚀刻停止层的部分区域；以及形成该源极以及该漏极于该重掺杂多晶硅层上并对应于该栅极的两侧的步骤包括：

形成一重掺杂多晶硅层于该蚀刻停止层以及该多晶硅层上；

形成一导电层于该重掺杂多晶硅层上；以及

图案化该导电层以及该重掺杂多晶硅层，以暴露出该蚀刻停止层的部分表面，并形成该源极和该漏极；

其中，该源极以及该漏极间具有一开口以暴露出该蚀刻停止层的部分表面。

5.如权利要求1所述的方法，其中形成该蚀刻停止层于该多晶硅层上且对应该栅极的步骤包括：

形成一绝缘层于该多晶硅层上；以及

图案化该绝缘层以形成该蚀刻停止层于该多晶硅层上且对应该栅极。

6.如权利要求1、4或5所述的方法，还包括：

图案化该非晶硅层使得该非晶硅层的截面积小于该栅极的截面积。

7.如权利要求1、4或5所述的方法，其中形成该非晶硅层于该栅极绝缘层上的步骤是利用等离子体增强化学气相沉积工艺或化学气相沉积工艺。

8.如权利要求1所述的方法，其中形成该重掺杂多晶硅层于该蚀刻停止层以及该多晶硅层上的步骤包括：

形成一重掺杂非晶硅层于该蚀刻停止层以及该多晶硅层上；以及

提供一能量源于该重掺杂非晶硅层使其转换为该重掺杂多晶硅层。

9.如权利要求1或8所述的方法，其中形成该重掺杂非晶硅层于该蚀刻停止层以及该多晶硅层上的步骤是利用等离子体增强化学气相沉积工艺或化学气相沉积工艺。

10.如权利要求1或8所述的方法，其中形成该重掺杂非晶硅层于该蚀刻停止层以及该多晶硅层上的步骤是利用磷化氢以及硅烷气体进行沉积，以形成一N型掺杂非晶硅层。

11.如权利要求1或8所述的方法，其中形成该重掺杂非晶硅层于该蚀刻停止层以及该多晶硅层上的步骤是利用氮气以及硅烷气体进行沉积，以形成一P型掺杂非晶硅层。

12.如权利要求1、2、3或8所述的方法，其中该能量源为一激光、一磁场、一热源或一催化剂。

13.如权利要求1或8所述的方法，其中该能量源是利用一快速热退火工艺或一场增强快速热退火工艺来提供。

14.如权利要求1或8所述的方法，还包括：

形成一催化金属层于该重掺杂多晶硅层上。

15.如权利要求14所述的方法，其中该能量源是利用一金属诱导侧向结晶工艺来提供。

16.如权利要求1所述的方法，还包括：

形成一轻掺杂多晶硅层于该多晶硅层以及该重掺杂多晶硅层间。

17.如权利要求16所述的方法，其中形成该轻掺杂多晶硅层于该多晶硅层以及该重掺杂多晶硅层间的步骤包括：

形成一轻掺杂非晶硅层于该多晶硅层以及该重掺杂多晶硅层间；以及

提供一能量源于该轻掺杂非晶硅层使其转换为该轻掺杂多晶硅层。

18.如权利要求16所述的方法，其中形成该轻掺杂多晶硅层于该多晶硅层以及该重掺杂多晶硅层间的步骤包括：

形成一另一非晶硅层于该多晶硅层以及该重掺杂多晶硅层间；以及

提供一能量源，使得该重掺杂多晶硅层内的多个掺杂物移动至该另一非晶硅层中，并将该另一非晶硅层转换为该轻掺杂多晶硅层。

19.如权利要求1或8所述的方法，还包括：

形成一轻掺杂多晶硅层于该多晶硅层以及该重掺杂多晶硅层间。

20.如权利要求19所述的方法，其中形成该轻掺杂多晶硅层于该多晶硅层以及该重掺杂多晶硅层间的步骤包括：

形成一轻掺杂非晶硅层于该多晶硅层以及该重掺杂多晶硅层间；以及

利用该能量源于该轻掺杂非晶硅层使其转换为一轻掺杂多晶硅层。

21.如权利要求19所述的方法，其中形成该轻掺杂多晶硅层于该多晶硅层以及该重掺杂多晶硅层间的步骤包括：

形成一另一非晶硅层于该多晶硅层以及该重掺杂多晶硅层间；以及

提供一能量源，使得该重掺杂多晶硅层内的多个掺杂物移动至该另一非晶硅层中，并将该另一非晶硅层转换为该轻掺杂多晶硅层。

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