CN102437195B

CN102437195B - 薄膜晶体管及其制造方法

Info

Publication number: CN102437195B
Application number: CN2011103965173A
Authority: CN
Inventors: 苏家怡
Original assignee: AU Optronics Corp
Current assignee: AU Optronics Corp
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2031-11-29
Also published as: TWI460864B; CN102437195A; TW201320351A

Abstract

薄膜晶体管及薄膜晶体管的制造方法。该制造方法包括：于一基板上形成一栅极。于基板上形成一栅极绝缘层，以覆盖栅极。于栅极绝缘层上形成一半导体材料层。形成一蚀刻终止材料层于栅极上方的半导体材料层上，其中蚀刻终止材料层具有一第一区块与位于第一区块两侧的一第二区块，第一区块的厚度大于第二区块的厚度，且蚀刻终止材料层包括一有机无机混合材料。以蚀刻终止材料层为掩模，移除部分半导体材料层，以形成一沟道层。移除蚀刻终止材料层的第二区块，以形成一蚀刻终止层，蚀刻终止层覆盖部分沟道层。于覆盖有蚀刻终止层的沟道层上形成一源极与一漏极。本发明可以降低制作成本与时间以及提升元件特性。

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，且特别涉及一种具有蚀刻终止层的薄膜晶体管及其制造方法。

背景技术

近来环保意识抬头，具有低消耗功率、空间利用效率佳、无辐射、高画质等优越特性的平面显示面板(flat display panels)已成为市场主流。常见的平面显示器包括液晶显示器(liquid crystal displays)、等离子体显示器(plasma displays)、有机发光二极管(OLED)显示器等。在公知的显示器中，多采用非晶硅(a-Si)薄膜晶体管或低温多晶硅薄膜晶体管作为各个子像素的切换元件。近年来，已有研究指出金属氧化物半导体薄膜晶体管相较于非晶硅薄膜晶体管具有较高的载子移动率(mobility)，而金属氧化物半导体薄膜晶体管相较于低温多晶硅薄膜晶体管则具有较佳的临界电压(threat hold voltage，Vth)均匀性。因此，金属氧化物半导体薄膜晶体管有潜力成为下一代平面显示器的关键元件。

一般来说，在金属氧化物半导体薄膜晶体管中，会于沟道层上配置蚀刻终止层，以保护沟道层不会受到后续源极与漏极制造工艺的破坏。然而，此举使得薄膜晶体管制造工艺必须多增加一道黄光制造工艺，包括额外进行涂布光致抗蚀剂、曝光、显影以及显影后检查等步骤，导致薄膜晶体管制造工艺的成本与时间随之增加。

发明内容

本发明提供一种薄膜晶体管的制造方法，使薄膜晶体管具有较佳的元件特性。

本发明另提供一种薄膜晶体管，其具有较佳的元件特性。

本发明提出一种薄膜晶体管的制造方法。于一基板上形成一栅极。于基板上形成一栅极绝缘层，以覆盖栅极。于栅极绝缘层上形成一半导体材料层。形成一蚀刻终止材料层于栅极上方的半导体材料层上，其中蚀刻终止材料层具有一第一区块与位于第一区块两侧的一第二区块，第一区块的厚度大于第二区块的厚度，且蚀刻终止材料层包括一有机无机混合材料。以蚀刻终止材料层为掩模，移除部分半导体材料层，以形成一沟道层。移除蚀刻终止材料层的第二区块，以形成一蚀刻终止层，蚀刻终止层覆盖部分沟道层。于覆盖有蚀刻终止层的沟道层上形成一源极与一漏极。

本发明另提出一种薄膜晶体管。薄膜晶体管包括一基板、一栅极、一栅极绝缘层、一沟道层、一蚀刻终止层以及一源极与一漏极。栅极配置于基板上。栅极绝缘层覆盖栅极。沟道层配置于栅极绝缘层上且位于栅极上方。蚀刻终止层覆盖部分沟道层，其中蚀刻终止层的材料包括一有机无机混合材料。源极与漏极配置于覆盖有蚀刻终止层的沟道层上。

基于上述，在本发明的薄膜晶体管的制造方法中，以有机无机混合材料形成包括第一区块与第二区块的蚀刻终止材料层，其中第二区块位于第一区块两侧且具有较大的厚度。第一区块与第二区块作为用以定义沟道层的掩模，在移除第二区块之后，剩余的第一区块作为保护沟道层的蚀刻终止层。换言之，本发明以蚀刻终止材料层来定义沟道层并保护沟道层，以降低制作成本与时间以及提升元件特性。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

图1A至图1F是依照本发明一实施例的薄膜晶体管的制造方法流程剖面示意图。

【主要附图标记说明】

100：基板

102：栅极

104：栅极绝缘层

106：半导体材料层

110：蚀刻终止材料层

112：第一区块

114：第二区块

116：沟道层

118：蚀刻终止层

120：源极

122：漏极

124：保护层

130：薄膜晶体管

t1、t2：厚度

具体实施方式

请参照图1A，首先，于基板100上形成栅极102。基板100例如是玻璃基板、石英基板或是其他基板。栅极102例如是单层或多层堆叠的导电材料，导电材料可以选自由铜(Cu)、钼(Mo)、钛(Ti)、铝(Al)、钨(W)、银(Ag)、金(Au)及其合金所组成的族群中的至少之一。栅极102的形成方法可通过光刻及蚀刻制造工艺来图案化导电材料而制作。

然后，于基板100上形成栅极绝缘层104，以覆盖栅极102。栅极绝缘层104的材质例如是二氧化硅、氮化硅或是氮氧化硅等介电材料，其形成方法例如是化学气相沉积法。

请参照图1B，接着，于栅极绝缘层104上形成半导体材料层106。半导体材料层106例如是金属氧化物半导体材料层，包括IIB-VIA族化合物或其他金属氧化物。IIB-VIA族化合物可以是氧化锌(ZnO)或氧化铜(CuO)，其形成方法例如是物理气相沉积制造工艺或化学气相沉积制造工艺。在一实施例中，半导体材料层106也可以掺杂有其他元素，所掺杂的元素可选自由碱土金属、IIIA族、VA族、VIA族或过渡金属所组成的族群。举例而言，半导体材料层106的材料可以是铟锌氧化物(InZnO)、氧化锡(SnO)、铟锡锌氧化物(ITZO)、氧化铟(InOx)或氧化铟镓锌(GaInZnO)或其他一般常用于沟道层的半导体材料。

请参照图1C，然后，形成蚀刻终止材料层110于栅极102上方的半导体材料层106上，其中蚀刻终止材料层110具有第一区块112与位于第一区块112两侧的第二区块114，第一区块112的厚度t1大于第二区块114的厚度t2，且蚀刻终止材料层110包括有机无机混合材料。详言之，此步骤例如是先以涂布等方式于半导体材料层106上形成一整层的蚀刻终止材料层(未示出)，接着经由半调式光掩模制造工艺、灰调式光掩模制造工艺或经由不同曝光能量的两张光掩模制造工艺，以形成具有第一区块112与第二区块114的蚀刻终止材料层110。所述的光掩模制造工艺包括对蚀刻终止材料层进行曝光与显影等步骤。在本实施例中，第一区块112例如是位于栅极102的正上方，以及第二区块114例如是位于栅极102的两侧上方。第一区块112的厚度t1例如是介于0.5微米至1.2微米，第二区块114的厚度t2例如是介于0.5微米至0.1微米。

蚀刻终止材料层110包括有机无机混合材料，以兼具有机材料与无机材料的优点。在本实施例中，有机无机混合材料例如是包括硅氧烷化合物，其可具有下式1所示的结构，

[式1]

其中R1与R2分别独立地表示氢原子(hydrogen atom)、一至八个碳原子数的直链或支链的烷基(alkyl group)、一至八个碳原子数的直链或支链的醚基(ether group)、一至八个碳原子数的直链或支链的酯基(ester group)、一至八个碳原子数的直链或支链的烷氧基(alkoxy group)、一至八个碳原子数的直链或支链的羧基(carboxy group)或至少一个奈酚偶氮磺酸基(naphthoquinonediazide sulfoxy group)，以及n为正整数。在一实施例中，R1与R2例如是与显影特性有关的亲水基，诸如氢原子、烷基、烷氧基或酯基，主体结构是具有立体阻绝的构造且与蚀刻终止材料层110的膜特性相关，诸如氧化硅、烷基或氧。有机无机混合材料的分子量例如是小于1万。以有机无机混合材料包括硅氧烷化合物为例，其具多变的官能性(functionality)、可挠曲、制造工艺简单、材料设计广泛等有机特性，以及耐热、耐化、透明、刚硬度佳等无机特性，使得蚀刻终止材料层110适于作为掩模层与保护层。硅氧烷化合物的分子量小于1万。

请参照图1D，而后，以蚀刻终止材料层110为掩模，移除部分半导体材料层106，以形成沟道层116。在本实施例中，移除部分半导体材料层106的方法例如是湿式蚀刻制造工艺或干式蚀刻制造工艺。

请参照图1E，继之，移除蚀刻终止材料层110的第二区块114，以形成蚀刻终止层118，蚀刻终止层118覆盖部分沟道层116。在本实施例中，移除第二区块114的方法例如是等离子体蚀刻制造工艺，诸如氧等离子体蚀刻制造工艺。详言之，包括氧气、氢气、氮气、氨气或其他气体的反应气体会被等离子体解离成具有反应性的离子，以对蚀刻终止材料层110进行非等向性蚀刻。其中，厚度t2较薄的第二区块114会完全被移除，而裸露出栅极102两侧上方的沟道层116；厚度t1较厚的第一区块112被移除一部分后，仍覆盖栅极102上方的沟道层116，以作为蚀刻终止层118。

请参照图1F，接着，于覆盖有蚀刻终止层118的沟道层116上形成源极120与漏极122。源极120与漏极122的材料例如是钛、铝、钼或其他金属材料，其形成方法包括薄膜沉积制造工艺、光刻制造工艺以及蚀刻制造工艺等制造工艺。其中，薄膜沉积制造工艺可以是物理气相沉积制造工艺或化学气相沉积制造工艺。值得注意的是，由于沟道层116上覆盖有蚀刻终止层118，故沟道层116不会暴露于蚀刻液或去光致抗蚀剂液等物质中，以避免受到上述物质的损害。换言之，蚀刻终止层118在后续制造工艺中作为保护沟道层116的保护层，使沟道层116具有稳定的薄膜特性，进而提升薄膜晶体管130的元件特性。

而后，在本实施例中，还包括于基板100上形成保护层124，以覆盖源极120与漏极122并大致完成薄膜晶体管130的制作。其中，保护层124的材料例如是氮化硅，其形成方法例如是化学气相沉积法。在其他实施例中，后续制造工艺还包括于保护层124形成接触插塞以分别与源极120与漏极122电性连接等步骤，由于该些步骤为所属领域公知，故于此不赘述。

在本实施例中，是以有机无机混合材料形成包括第一区块112与第二区块114的蚀刻终止材料层110，其中第二区块114位于第一区块112两侧且具有较大的厚度。蚀刻终止材料层110作为定义沟道层116的掩模。也就是说，相较于公知需以两道黄光制造工艺分别定义蚀刻终止层与沟道层，本实施例是以具有第一区块112与第二区块114的蚀刻终止材料层110作为定义沟道层116的掩模，无需额外提供用于定义沟道层的光掩模、进行涂布光致抗蚀剂、曝光、显影以及显影后检查等复杂步骤，因此省去一道黄光制造工艺并简化薄膜晶体管的制造工艺步骤。此外，在移除第二区块114之后，剩余的第一区块112作为保护沟道层116的蚀刻终止层118，使得沟道层116免于受到诸如源极与漏极等后续制造工艺的破坏，以保持沟道层116的性质不被改变。特别是，由于有机无机混合材料兼具有机材料与无机材料的特性，相较一般聚酰亚胺(PI)与丙烯酸(acrylic)系列有机光致抗蚀剂，其具有高抗水氧，耐热阻及高穿透率的优点，因此蚀刻终止材料层适于作为前述的掩模层以及保护层。因此，以本实施例的制造方法所制作的薄膜晶体管具有较低的制作成本与制作时间以及较佳的元件特性。

综上所述，在本发明的薄膜晶体管的制造方法中，以有机无机混合材料形成的蚀刻终止材料层具有厚度不同的第一区块与第二区块，第一区块与第二区块一起作为定义沟道层的掩模，且在移除第二区块后，剩余的第一区块仍保留于沟道层上作为蚀刻终止层。因此，本发明的薄膜晶体管的制造方法可省去用以定义沟道层的黄光制造工艺，因而可减少薄膜晶体管制造过程中所需的光掩模数目并省略光致抗蚀剂涂布等制造工艺，以降低制作成本且提升制造工艺效率。此外，由于第一区块作为保护沟道层的蚀刻终止层，能避免沟道层的特性受到后续制造工艺(诸如源极与漏极制造工艺)中所用的溶剂或气体等影响，进而提升薄膜晶体管的元件特性与良率。如此一来，采用本发明的薄膜晶体管的制造方法制作的薄膜晶体管，诸如金属氧化物薄膜晶体管，具有较低的制作成本、较高的产率与良率以及较佳的元件特性，且采用此薄膜晶体管作为驱动元件的显示器，诸如有源矩阵有机发光二极管(active matrix organic light-emitting diode，AM-OLED)显示器，具有显示品质佳、电性稳定以及生产成本较低等优点。

虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定的范围为准。

Claims

1.一种薄膜晶体管的制造方法，包括：

于一基板上形成一栅极；

于该基板上形成一栅极绝缘层，覆盖该栅极；

于该栅极绝缘层上形成一半导体材料层；

形成一蚀刻终止材料层于该栅极上方的该半导体材料层上，其中该蚀刻终止材料层具有一第一区块与位于该第一区块两侧的一第二区块，该第一区块的厚度大于该第二区块的厚度，且该蚀刻终止材料层包括一有机无机混合材料；

以该蚀刻终止材料层为掩模，移除部分该半导体材料层，以形成一沟道层；

移除该蚀刻终止材料层的该第二区块，以形成一蚀刻终止层，该蚀刻终止层覆盖部分该沟道层；以及

于覆盖有该蚀刻终止层的该沟道层上形成一源极与一漏极，

其中该有机无机混合材料包括硅氧烷化合物，该硅氧烷化合物具有以下分子式：

其中R₁与R₂分别独立地表示氢原子、一至八个碳原子数的直链或支链的烷基、一至八个碳原子数的直链或支链的醚基、一至八个碳原子数的直链或支链的酯基、一至八个碳原子数的直链或支链的烷氧基、一至八个碳原子数的直链或支链的羧基或至少一个奈酚偶氮磺酸基，以及n为正整数。

2.如权利要求1所述的薄膜晶体管的制造方法，其中该硅氧烷化合物的分子量小于1万。

3.如权利要求1所述的薄膜晶体管的制造方法，其中该有机无机混合材料的分子量小于1万。

4.如权利要求1所述的薄膜晶体管的制造方法，其中形成该蚀刻终止材料层的步骤经由一半调式光掩模制造工艺、一灰调式光掩模制造工艺或经由不同曝光能量的两张光掩模制造工艺。

5.如权利要求1所述的薄膜晶体管的制造方法，其中移除该蚀刻终止材料层的该第二区块的方法包括一等离子体蚀刻制造工艺。

6.如权利要求1所述的薄膜晶体管的制造方法，其中移除该蚀刻终止材料层的该第二区块的方法包括一氧等离子体蚀刻制造工艺。

7.一种薄膜晶体管，包括：

一基板；

一栅极，配置于该基板上；

一栅极绝缘层，覆盖该栅极；

一沟道层，配置于该栅极绝缘层上且位于该栅极上方；

一蚀刻终止层，覆盖部分该沟道层，其中该蚀刻终止层的材料包括一有机无机混合材料；以及

一源极与一漏极，配置于覆盖有该蚀刻终止层的该沟道层上，

8.如权利要求7所述的薄膜晶体管，其中该硅氧烷化合物的分子量小于1万。

9.如权利要求7所述的薄膜晶体管，其中该有机无机混合材料的分子量小于1万。