CN102800708B - 半导体元件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种半导体元件及其制作方法，其中半导体元件包括一栅极、一通道层、一栅绝缘层、一源极、一漏极以及一硅铝氧化物层。栅极配置于基板上。通道层配置于基板上，且与栅极重叠设置。栅极绝缘层位于栅极与通道层之间。源极以及漏极设置于通道层二侧。硅铝氧化物层配置于基板上并覆盖源极、漏极以及通道层。
Description
技术领域
本发明是有关于一种半导体元件及其制作方法，且特别是关于一种具有硅铝氧化物层的半导体元件及其制作方法。
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)、电浆显示器(plasma displays)、有机电激发光显示器(electroluminescent displays)等。以目前最为普及的液晶显示器为例，其主要是由薄膜晶体管阵列基板、彩色滤光基板以及夹于二者之间的液晶层所构成。
在公知的薄膜晶体管阵列基板上，通常会配置一保护层以保护薄膜晶体管(半导体元件)。然而，以氧化物半导体作为薄膜晶体管的通道层时，于制作保护层的过程中，若薄膜晶体管的氧化物通道层接触到还原性元素，易发生氧化物通道层中氧与金属的比例发生改变，进而影响薄膜晶体管的特性。举例而言，请参照图1，当氧化物通道层变质时，薄膜晶体管的临界电压(threshold voltage)倾向于随着充电时间的增加而往左偏移，造成电性不稳定。因此，适当地保护通道层实为当前研发人员亟欲解决的议题之一。
发明内容
本发明提供一种半导体元件及其制作方法，其具有良好的可信度(reliability)。
本发明的一实施例提供一种半导体元件，其包括一栅极、一通道层、一栅绝缘层、一源极、一漏极以及一硅铝氧化物层。栅极配置于基板上。通道层配置于基板上，且与栅极重叠设置。栅绝缘层位于栅极与通道层之间。源极以及漏极设置于通道层二侧。硅铝氧化物层配置于基板上并覆盖源极、漏极以及通道层。
本发明的另一实施例提供一种半导体元件的制作方法，此方法包括以下步骤。形成一栅极于一基板上。形成一通道层于基板上，通道层与栅极重叠设置。于栅极与通道层之间形成一栅绝缘层。形成一源极以及一漏极，且源极与漏极位于通道层二侧。形成一硅铝氧化物层于基板上并覆盖源极、漏极以及通道层。
在本发明的一实施例中，前述的硅铝氧化物层中硅含量与铝含量的比例由10：90至90：10。
在本发明的一实施例中，前述的半导体元件更包括一像素电极，位于硅铝氧化物层上且电性连接于漏极。
在本发明的一实施例中，前述的栅绝缘层的材质包含硅铝氧化物，且栅绝缘层中硅含量与铝含量的比例由10：90至90：10。
在本发明的一实施例中，前述的栅极位于基板与通道层之间。
在本发明的一实施例中，前述的源极与漏极位于通道层与基板之间。
在本发明的一实施例中，前述的源极与漏极位于通道层与硅铝氧化物层之间。
在本发明的一实施例中，前述的半导体元件更包括一蚀刻阻挡图案，覆盖部分通道层且设置于通道层以及源极与漏极之间。
在本发明的一实施例中，前述的通道层位于基板与栅极之间。
在本发明的一实施例中，前述的硅铝氧化物层位于栅极与通道层之间。
在本发明的一实施例中，前述的形成硅铝氧化物层的方法包括物理气相沉积法。
在本发明的一实施例中，前述的半导体元件的制作方法更包括于硅铝氧化物层中形成一接触窗以暴露出漏极。
在本发明的一实施例中，前述的形成接触窗的方法包括以氟系气体作为主蚀刻剂。其中该氟系气体包括六氟化硫或四氟化碳。
在本发明的一实施例中，前述的半导体元件的制作方法更包括于硅铝氧化物层上形成一像素电极，电性连接于漏极。
在本发明的一实施例中，前述的半导体元件的制作方法更包括形成一蚀刻阻挡图案，覆盖部分通道层且设置于通道层以及源极与漏极之间。
基于上述，本发明实施例的半导体元件可利用于通道层上形成硅铝氧化物层，藉此保护通道层，使通道层不易发生变异。此外，由于栅绝缘层的材质与硅铝氧化物层可以相同，故在制作接垫(pad)区的贯孔(via)时，可以避免因材料蚀刻率不同而产生的底切(undercut)现象。
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，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1为公知技术的半导体元件可靠度测试图。
图2A至图2F为本发明一实施例的半导体元件制作流程的剖面示意图。
图3为氧化铝以及硅铝氧化物膜层的穿透率比较图。
图4A为硅与铝含量百分比为90:10的半导体元件可靠度测试图。
图4B为硅与铝含量百分比为70:30的半导体元件可靠度测试图。
图5为本发明另一实施例的半导体元件的侧视示意图。
图6为本发明一实施例的半导体元件的侧视示意图。
图7为本发明一实施例的半导体元件的侧视示意图。
图8为本发明另一实施例的半导体元件的侧视示意图。
附图标记说明
200、500、600、700、800：半导体元件
210：基板
220a、220b：薄膜晶体管
222a、222b：栅极
224a、224b、224c、224d：通道层
226a、226b、226c、226d：源极
228a、228b、228c、228d：漏极
230a、230b：栅绝缘层
240：硅铝氧化物层
250：像素电极
260：蚀刻阻挡图案
W1、W2：接触窗
P222a、P224a：正投影
具体实施方式
图2A至图2F为本发明一实施例的半导体元件制作流程的剖面示意图。
首先，请参照图2A，形成一栅极222a于一基板210上，其中栅极222a可以是由金属叠层构成，或是由单层金属层构成，其材质例如是导电良好的铝、铜等金属。
请参照图2B，覆盖一栅绝缘层230a于基板210上，并覆盖住栅极222a。栅绝缘层230a的材质例如是无机材料(例如：氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、硅铝氧化物或上述至少二种材料的堆叠层)、有机材料或上述的组合。当然，本实施例不以此为限，凡是可以提供绝缘特性的材料都可以选择性地应用于本实施例以制作栅绝缘层230a。
请参照图2C，形成一通道层224a于基板210上，其中栅绝缘层230a介于通道层224a与栅极222a之间。此外，通道层224a与栅极210重叠设置。具体而言，通道层224a于基板210上的正投影P224a至少部分覆盖栅极222a于基板210上的正投影P222a。而在本实施例中，通道层224a于基板210上的正投影P224a会完全覆盖栅极222a于基板210上的正投影P222a，也就是说，通道层224a在基板210上的投影面积与栅极222a在基板210上的投影面基会彼此重叠。另外，通道层224a的材质可包括晶硅、非晶硅、多晶硅、有机(organic)或金属氧化物等半导体材料。在本实施例中，通道层224a的材质例如以铟镓锌氧化物(Indium Gallium Zinc Oxide,IGZO)为例。
接着，请参照图2D，于通道层224a二侧形成一源极226a以及一漏极228a，其中源极226a以及漏极228a可以是由金属叠层构成，或是由单层金属层构成，其材质例如是导电良好的铝、铜、银等金属。此处，栅极222a、通道层224a、源极226a以及漏极228a形成一薄膜晶体管220a。
请参照图2E，形成一硅铝氧化物层240于基板210上并覆盖源极226a、漏极228a以及通道层224a。在本实施例中，形成硅铝氧化物层240的方法包括物理气相沉积法(Physical vapor deposition,PVD)。一般来说，硅含量与铝含量的比例影响硅铝氧化物层240的特性，其中铝含量越高则膜层沉积速率越慢且膜层越不容易蚀刻，而硅含量越高则对通道层224a的保护作用相对较差而使薄膜晶体管220a的元件特性不符理想。因此，在本实施例中，硅铝氧化物层240中硅含量与铝含量的比例设置为由10：90至90：10。
在公知技术中，通常是以电浆化学气相沈积法(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition,PECVD)形成硅氧化物(Silicon oxide,SiOx)或是硅氮化物(Silicon nitride,SiNx)于薄膜晶体管上，以作为薄膜晶体管的保护层。然而，在电浆化学气相沈积的制作过程中，通道层的材质(例如是本实施例的铟镓锌氧化物通道层)易与还原性元素(例如是电浆中的还原性成分)产生反应，造成半导体元件的均匀性与电性发生变异。
本实施例的通道层224a的材质为金属氧化物半导体。因此，在电浆化学气相沈积的制作过程中，若通道层224a中的氧成分与电浆中的四氢化硅(SiH4)中的氢产生还原反应，将使金属氧化物因为氧成分的降低而可能由半导体特性转变成导体特性。如此一来，通道层224a可能直接导通源极226a与漏极228a而使薄膜晶体管220a无法正常运作。因此，本实施例采用通过物理气相沉积法所形成的硅铝氧化物层240作为薄膜晶体管220a的保护层，可使通道层224a具有较佳的均匀性和电性。当然，本实施例中形成硅铝氧化物层240的所采用方法不特地局限为物理气相沉积法。再者，通道层224a选用结晶硅、非晶硅、多晶硅等提其他材质佳以制作时，硅铝氧化物层240也可以提供理想的保护作用以使通道层224a具有理想的元件特性。因此，本实施例不特地局限通道层224a的材质。
接着，为了形成所需的元件，于硅铝氧化物层240中形成一接触窗W1以暴露出漏极228a。在本实施例中，形成接触窗W1的方法包括以氟系气体作为主蚀刻剂。其中该氟系气体包括六氟化硫(Sulfide hexafluoride,SF6)或四氟化碳（tetrafluoromethane,CF4），其中公知的氧化硅或是氮化硅保护层即使采用氟系气体作为蚀刻剂。换言之，本实施例虽以硅铝氧化物层240作为薄膜晶体管220a的保护层，然而，蚀刻剂所选用的材料(氟系气体)与公知制程中所选用的材料相同，故可不用另外制备。
值得一提的是，在制作晶片接垫区的贯孔(未绘示)时，需蚀刻掉部份硅铝氧化物层240以及部份栅绝缘层230a。为避免因材料蚀刻率不同而产生的底切现象，在本实施例中，栅绝缘层230a的材质可选择性地与硅铝氧化物层240同为硅铝氧化物，且栅绝缘层230a中硅含量与铝含量的比例也可以设置由10：90至90：10。如此一来，即可减少底切现象的产生。
此外，栅绝缘层230a的制作方式可以相同于硅铝氧化物层240的制作方式。此时，可避免由于使用电浆化学气相沈积所形成的栅绝缘层230a容易在制作过程中形成氢气，并残留在栅绝缘层230a内，而在高温退火处理时影响元件的均匀性。因此，在本实施例中，通过与硅铝氧化物层240相同的制作方式形成栅绝缘层230a，减少于制作过程中产生元件均匀性变异的可能性。
请参考图2F，于硅铝氧化物层240上形成一像素电极250，其中像素电极250通过接触窗W1电性连接漏极228a。于此，半导体元件200制作完成，其通过制作硅铝氧化物层240取代公知的硅氧化物或是硅氮化物，作为薄膜晶体管200a的保护层。藉此避免制作过程中还原性元素与通道层224a的材质产生反应，造成半导体元件200的变异，进而提升半导体元件200的均匀性与电性。
值得一提的是，本实施例的硅铝氧化物层240除了于制作过程中不会造成通道层224a的变异外，其亦具有优良的挡水性可隔绝水气而避免通道层224a的变异。要说明的是，以挡水性而言，氧化铝(Aluminium oxides,Al2O3)的材质亦具有优良的挡水性。然而，相较于氧化铝，硅铝氧化物具有较优良的元件特性而合适于应用在薄膜晶体管中。以下将以图3与图4A、4B搭配表1针对氧化铝以及硅铝氧化物的元件特性加以解说。
图3为氧化铝以及硅铝氧化物膜层的穿透率比较图。请参照图3，在可见光的波段中(波长从380纳米至780纳米)，可看出在铝氧化物(AlOX)内掺杂适量的硅有助于元件的穿透率的提升。
表1为铝氧化物在掺杂不同硅含量下的镀膜速率与蚀刻速率的比较。在此实例中，例如是通过溅镀(sputter)的方式分别形成氧化铝以及硅铝氧化物膜层。并且，表1中所表示的蚀刻速率是以六氟化硫作为蚀刻剂对氧化铝以及硅铝氧化物膜层进行蚀刻的蚀刻速率。
由表1可看出在铝氧化物内掺杂适量的硅有助于提升镀膜速率以及蚀刻速率。具体而言，硅铝氧化物的镀膜速率可提升至氧化铝(硅铝含量比为100：0)的镀膜速率的2至5倍。此外，由表1可知氧化铝对于蚀刻剂(六氟化硫)的蚀刻速率几乎为0。因此，若是选用氧化铝作为薄膜晶体管220a的保护层的材料，则需使用腐蚀性甚强的蚀刻剂，例如是三氯化硼(boron trichloride,BCl3)以更高的能量进行蚀刻。因此，在本实施例中，选用具有较佳镀膜速率以及蚀刻速率的硅铝氧化物层240作为薄膜晶体管220a的保护层。此外，硅铝氧化物层240中硅含量与铝含量的比例由10：90至90：10。
表1
另外，表1中最后一栏所示的可靠度(reliability)将搭配图4A与图4B做进一步的说明。图4A为硅与铝含量百分比为90:10的半导体元件可靠度测试图。图4B为硅与铝含量百分比为70:30的半导体元件可靠度测试图。如图4A与图4B所示，在铝氧化物内掺杂适量的硅有助于提升半导体元件的可靠度。具体而言，在长时间施加电压下，半导体元件200的临界电压不轻易随着时间的增加而改变。因此，使用硅铝氧化物层240作为保护层的半导体元件200可具有较佳的电性表现。
当然，除了上述岛状(island)结构的薄膜晶体管220a外，在其他实施例中，薄膜晶体管220a亦可为共平面式(co-planar)的结构设计。图5为本发明另一实施例的半导体元件的侧视示意图。请参照图5，本实施例的半导体元件500内的薄膜晶体管220b为共平面结构。具体而言，本实施例的薄膜晶体管220b与图2F中的薄膜晶体管220a具有相似的结构，其中相似的标号代表相似的构件，且相似的构件具有相似的作用，故不在此赘述。惟二者差异处在于薄膜晶体管220b的源极226b以及漏极228b配置于通道层224b与基板210之间。
此外，如图6所示，本实施例的半导体元件600更可包括一蚀刻阻挡图案260，其中此蚀刻阻挡图案260覆盖部分通道层224a且设置于通道层224a、源极226c与漏极228c之间。
另外，除了上述底栅极(bottom gate)结构外，在其他实施例中，本发明的半导体元件亦可为顶栅极(top gate)结构。
图7为本发明一实施例的半导体元件的侧视示意图。请参照图7，本实施例的半导体元件700与图2F的半导体元件200具有相似的结构，其中相似的标号代表相似的构件，且相似的构件具有相似的作用，故不在此赘述。惟二者差异处在于半导体元件700的通道层224c位于基板210与栅极222b之间。此外，栅绝缘层230b覆盖源极226c与漏极228c并暴露出一接触窗W2，其中接触窗W2与硅铝氧化物层240的接触窗W1相连接，且像素电极250透过接触窗W1与接触窗W2电性连接漏极228c。
在本实施例中，栅绝缘层230b可与硅铝氧化物层240的材质相似，故可通过氟系气体作为主蚀刻剂，一次蚀刻接触窗W1与接触窗W2。如此一来，则可避免因材料蚀刻率不同而产生的底切的现象发生。前述的氟系气体包括六氟化硫或四氟化碳
另外，除了上述顶栅极岛状的半导体元件外，在其他实施例中，本发明的半导体元件亦可为顶栅极共平面的结构。图8为本发明另一实施例的半导体元件的侧视示意图。请参照图8，本实施例的半导体元件800与图7的半导体元件700具有相似的结构，惟二者差异处在于半导体元件800的源极226d与漏极228d配置于同一平面，且通道层224d覆盖于部分源极226d与部分漏极228d上。
综上所述，相较于公知技术通过电浆化学气相沈积法形成硅氧化物或是硅氮化物作为薄膜晶体管的保护层，本发明实施例通过形成硅铝氧化物层的半导体元件可使半导体元件具有较佳的均匀性与可靠度。此外，通过栅绝缘层与硅铝氧化物层的材质相似，在制作接垫区的贯孔或是薄膜晶体管的接触窗时，可避免因材料蚀刻率不同而产生的底切的现象发生。
虽然本发明已以实施方式公开如上，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内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (14)
1.一种半导体元件，包括：
一栅极，配置于一基板上；
一通道层，配置于该基板上，且与该栅极重叠设置，其中该通道层的材质包含氧化物半导体，该栅极位于该基板与该通道层之间；
一栅绝缘层，位于该栅极与该通道层之间，该栅绝缘层的材质包含硅铝氧化物；
一源极以及一漏极，设置于该通道层二侧；以及
一硅铝氧化物层，配置于该基板上并覆盖该源极、该漏极以及该通道层，其中该通道层与该硅铝氧化物层以及该栅绝缘层接触；
其中，该硅铝氧化物层中硅含量与铝含量的比例由10：90至90：10。
2.如权利要求1所述的半导体元件，其特征在于，更包括一像素电极，位于该硅铝氧化物层上且电性连接于该漏极。
3.如权利要求1所述的半导体元件其特征在于，该栅绝缘层中硅含量与铝含量的比例由10：90至90：10。
4.如权利要求1所述的半导体元件，其特征在于，该源极与该漏极位于该通道层与该基板之间。
5.如权利要求1所述的半导体元件，其特征在于，该源极与该漏极位于该通道层与该硅铝氧化物层之间。
6.如权利要求5所述的半导体元件，其特征在于，更包括一蚀刻阻挡图案，覆盖部分该通道层且设置于该通道层以及该源极与该漏极之间。
7.一种半导体元件的制作方法，包括：
形成一栅极于一基板上；
形成一通道层于该基板上，该通道层与该栅极重叠设置，其中该通道层的材质包含氧化物半导体，该栅极位于该基板与该通道层之间；
于该栅极与该通道层之间形成一栅绝缘层，该栅绝缘层的材质包含硅铝氧化物，
形成一源极以及一漏极，该源极与该漏极位于该通道层二侧；以及
形成一硅铝氧化物层于该基板上并覆盖该源极、该漏极以及该通道层，其中该通道层与该硅铝氧化物层以及该栅绝缘层接触；
其中，该硅铝氧化物层中硅含量与铝含量的比例由10：90至90：10。
8.如权利要求7所述的半导体元件的制作方法，其特征在于，形成该硅铝氧化物层的方法包括物理气相沉积法。
9.如权利要求7所述的半导体元件的制作方法，其特征在于，该栅绝缘层中硅含量与铝含量的比例由10：90至90：10。
10.如权利要求7所述的半导体元件的制作方法，其特征在于，更包括于该硅铝氧化物层中形成一接触窗以暴露出该漏极。
11.如权利要求10所述的半导体元件的制作方法，其特征在于，形成该接触窗的方法包括以氟系气体作为主蚀刻剂。
12.如权利要求11所述的半导体元件的制作方法，其特征在于，该氟系气体包括六氟化硫或四氟化碳。
13.如权利要求10所述的半导体元件的制作方法，其特征在于，更包括于该硅铝氧化物层上形成一像素电极，电性连接于该漏极。
14.如权利要求7所述的半导体元件的制作方法，其特征在于，更包括形成一蚀刻阻挡图案，覆盖部分该通道层且设置于该通道层以及该源极与该漏极之间。
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