CN103840010A - 薄膜晶体管与其制造方法及具有其的阵列基板和显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种薄膜晶体管与其制造方法及具有其的阵列基板和显示装置。在薄膜晶体管金属氧化物半导体层的上方形成一层金属图案层，以隔绝外界水、氧与光对金属氧化物半导体层的影响。
Description
技术领域
本发明是有关于一种半导体元件及其制造方法。
背景技术
传统液晶显示器的薄膜晶体管(thin film transistor;TFT)中半导体金属氧化物半导体层的材料，主要是使用氢化非晶硅(hydrogenated amorphous silicon,a-Si:H)。由于氢化非晶硅的一些缺点，例如低载子迁移率(0.1–1.0cm2/Vs)、光敏感性、低化学稳定性，使得应用激光进行低温退火制程所形成的低温多晶硅(low temperature polysilicon；LTPS)材料又开始取而代之。低温多晶硅虽然改善了氢化非晶硅的低载子迁移率的问题，可使迁移率达100–200cm2/Vs，并有良好的电稳定性，但是有起始电压飘移以及制程复杂与成本昂贵的缺点。
近年来，由于透明氧化物半导体(transparent oxide semiconductor;TOS)的高透光性、宽能隙、高载子迁移率、易于制备等优点，因此成为科学家广为研究的对象。若将透明氧化物半导体应用在薄膜晶体管中金属氧化物半导体层的制造上，除了可增加开口率、提高背光的利用效率、降低耗电量之外，还可缩小单一像素的面积，增加显示器的解析度。
以N型非晶氧化铟镓锌(indium gallium zinc oxide；IGZO)为例，与a-Si TFT相比，a-IGZO TFT的载子迁移率约为a-Si TFT的20–50倍，且a-IGZO TFT的导通电流约为a-Si TFT的20倍。因此a-IGZO TFT的耗电量远小于a-Si TFT。
但是，目前研究指出水、氧与光和a-IGZO薄膜的接触将影响TFT元件的特性，因此保护a-IGZO薄膜成为一个重要的议题。目前，TFT保护层(passivation layer)多使用氧化硅或氮化硅薄膜来防止水氧的渗透与隔绝光的影响。但是，氧化硅或氮化硅薄膜并无法有效地阻挡可见光至紫外光波段的光线与a-IGZO薄膜接触，因此成为一个亟待解决的问题。
发明内容
因此，本发明的一方面是在提供一种薄膜晶体管，其包括栅极、栅绝缘层、金属氧化物半导体层、绝缘层、源极、漏极与金属图案层。其中源极与漏极位于金属氧化物半导体层的两侧，且连接于金属氧化物半导体层。绝缘层位于金属氧化物半导体层之上。金属图案层位于绝缘层之上，且与源极及漏极之间分别具有一开口，以暴露一部分的金属氧化物半导体层。
依据本发明一实施例，其中被开口所暴露的金属氧化物半导体层的氧空缺密度大于被覆盖部分的金属氧化物半导体层的氧空缺密度。
依据本发明又一实施例，上述金属图案层的材料为铝、铜、钛、钼或铬化钼。
依据本发明再一实施例，上述薄膜晶体管还包括覆盖源极、漏极、金属图案层与金属氧化物半导体层上的一保护层。
本发明的一方面是在提供上述薄膜晶体管的制造方法，其包括下述步骤。在基底上依序形成栅极、栅绝缘层、金属氧化物半导体层、绝缘层与金属层。然后，图案化金属层，以同时形成源极与漏极于金属氧化物半导体层的两侧，并形成一金属图案层于绝缘层之上。其中，金属图案层与源极及漏极之间分别具有一开口，以暴露一部分金属氧化物半导体层。
依据本发明一实施例，上述薄膜晶体管还包括一保护层覆盖源极、漏极、金属图案层与金属氧化物半导体层。
依据本发明一实施例，上述薄膜晶体管制造方法还包括于图案化金属层的步骤的前执行一热退火制程。
依据本发明另一实施例，上述形成保护层步骤包括执行一等离子轰击制程，以使被开口暴露部分的金属氧化物半导体层的氧空缺密度大于未被开口暴露的其余金属氧化物半导体层的氧空缺密度。
依据本发明又一实施例，上述薄膜晶体管制造方法还包括于图案化金属层的步骤与形成保护层的步骤之间执行一热退火制程。
依据本发明再一实施例，上述图案化金属层步骤包括执行一蚀刻制程，以使被开口暴露部分的金属氧化物半导体层的氧空缺密度大于未被开口暴露的其余金属氧化物半导体层的氧空缺密度。
本发明的另一方面为提供一种阵列基板，其包括基底与位于基底上的上述薄膜晶体管。
本发明的又一方面为提供一种显示装置，其包括上述的阵列基板、对向基板与位于二基板间的显示层。
上述发明内容旨在提供本发明的简化摘要，以使阅读者对本发明具备基本的理解。此发明内容并非本发明的完整概述，且其用意并非在指出本发明实施例的重要/关键元件或界定本发明的范围。在参阅下文实施方式后，本发明所属技术领域中具有通常知识者当可轻易了解本发明的基本精神及其他发明目的，以及本发明所采用的技术手段与实施态样。
附图说明
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：
图1A-图1B是依照本发明一实施方式的一种薄膜晶体管的制造流程剖面图；
图2为一显示装置的剖面结构示意图。
【主要元件符号说明】
110：基底
120：栅极
130：栅绝缘层
140、140a、145：金属氧化物半导体层
150：绝缘层
160：金属层
160a：源极
160b：漏极
160c：金属图案层
165：开口
170：保护层
200：显示装置
210：阵列基板
220：对向基板
230：显示层
具体实施方式
依据上述，提供一种薄膜晶体管与其制造方法。在下面的叙述中，将会介绍上述的薄膜晶体管的例示结构与其例示的制造方法。为了容易了解所述实施例之故，下面将会提供不少技术细节。当然，并不是所有的实施例皆需要这些技术细节。同时，一些广为人知的结构或元件，仅会以示意的方式在附图中绘出，以适当地简化附图内容。
请参照图1A-图1B，其绘示依照本发明一实施方式的一种薄膜晶体管的制造流程剖面图。在图1A中，在基底110上依序形成栅极120、栅绝缘层130、金属氧化物半导体层140、绝缘层150与金属层160。其中，金属氧化物半导体层140与绝缘层150皆位于栅极120的正上方。
上述栅极120的材料可为掺杂半导体材料或是金属材料。栅极120的形成方法例如可为化学气相沉积法或物理气相沉积法，然后再执行微影与蚀刻的步骤。
上述栅绝缘层130的材料例如可为氧化硅、氮化硅或其他具有高介电常数的金属氧化物。在此所谓的“高介电常数”之意，是指材料的介电常数比氧化硅的介电常数高。栅绝缘层130的形成方法例如可为化学气相沉积法或物理气相沉积法。
上述金属氧化物半导体层140的材料例如可为氧化铟镓锌(IGZO)、氧化铟镓(IGO)或氧化铟锌(IZO)。金属氧化物半导体层140的形成方法例如可先用溅镀法形成一层金属氧化物半导体薄膜，然后使用微影蚀刻法来图案化此半导体薄膜，形成金属氧化物半导体层140。
上述绝缘层150的材料，例如可为氧化硅、氮化硅，或其他可用的介电材料。绝缘层150的形成方法例如可先以化学气相沉积法形成一层绝缘薄膜，然后再进行微影蚀刻制程来图案化此绝缘薄膜，形成绝缘层150。
上述的金属层160的材料例如可为铝、铜、钛、钼或铬化钼。金属层160的形成方法例如可为物理气相沉积法。
在图1B中，先图案化金属层160，以分别形成一源极160a与一漏极160b于金属氧化物半导体层140的两侧，并形成一金属图案层160c于绝缘层150上，其中源极160a与漏极160b连接于金属氧化物半导体层140，且金属图案层160c与源极160a及漏极160b之间分别具有一开口165，以暴露一部分金属氧化物半导体层145。图案化金属层160的方法包括依序进行微影制程与蚀刻制程，而金属层160的蚀刻法可为湿蚀刻法或干蚀刻法。
以金属铝来说，其湿蚀刻法所用的蚀刻液可为磷酸(H3PO3)、醋酸(CH3COOH)与硝酸(HNO3)的混合溶液，而其干蚀刻法所用的蚀刻等离子气体源例如可为氯化硼(BCl3)与氯气(Cl2)的混合气体。其他金属的湿蚀刻液可以使用各种酸溶液，例如可为磷酸溶液、醋酸溶液、硝酸溶液、盐酸溶液、草酸溶液、双氧水或上述的任意可用组合。而其他金属可用的蚀刻等离子气体源例如可为BCl3、Cl2、SF6、CF4、CCl4、H2或上述的任意可用混合气体。
接着，形成一层保护层170，覆盖源极160a、漏极160b、金属图案层160c与金属氧化物半导体层140上。上述的保护层170的材料例如可为介电材料，常见的可用介电材料例如有氧化硅、氮化硅、氧化钛、氧化铝或氧化铪。
氧化硅层与氮化硅层的形成方法，例如可为等离子增强式化学气相沉积法(PECVD)、溅镀法、电子束蒸镀法、原子层沉积法(atomic layer deposition;ALD)或热蒸镀法。而氧化钛层、氧化铝层与氧化铪层的形成方法例如可为溅镀法、电子束蒸镀法、原子层沉积法或热蒸镀法。
在图1B中，不论是金属层160蚀刻制程中的蚀刻液或蚀刻等离子，以及保护层170沉积制程中的等离子、热或其他“高能”因素，皆可增加被开口165暴露出来的金属氧化物半导体层145的氧空缺密度，进而增加金属氧化物半导体层145的导电度。
例如以蚀刻等离子或沉积等离子来说，由于等离子中的带电物种具有一定的动能，因此在撞击到暴露出的金属氧化物半导体层140的表面时，有可能会因而将金属氧化物半导体层140内的氧原子撞击出来，而增加金属氧化物半导体层140内的氧空缺，形成氧空缺密度较大的金属氧化物半导体层145。
又例如以保护层170的沉积来说，当保护层170的材料为氧化硅或氮化硅时，可以选择含氢量较多的气体，做为化学气相沉积法的反应气体，也有利于增加金属氧化物半导体层140内的氧空缺。
因此，在本实施例中，可透过图案化金属层160的步骤执行一蚀刻制程，以使被所述开口165暴露的部分金属氧化物半导体层145的氧空缺密度大于未被所述开口165暴露的其余该金属氧化物半导体层140的氧空缺密度。而在其他实施例中，亦可透过形成保护层170的步骤执行一等离子轰击制程，以使被所述开口165暴露的部分金属氧化物半导体层145的氧空缺密度大于未被所述开口165暴露的其余金属氧化物半导体层140的氧空缺密度。
所以，金属氧化物半导体层145可以视为源极160a与漏极160b的向内延伸，缩短了源极160a与漏极160b之间的通道长度，让通道长度仍然维持与绝缘层150的宽度约略相同的长度。而金属材料的金属图案层160c位于做为通道用的金属氧化物半导体层140a的上方，可以利用金属材料的致密特性来隔绝外界水与氧对金属氧化物半导体层140a的影响。而且，由于金属材料具有大量的自由电子，因此可直接反射光(光属于电磁波)而有效地阻止光穿透金属氧化物半导体层140a。此外，在金属图案层160c与导体化的金属氧化物半导体层145之间，由于间隔了绝缘层150，因此两者间并没有导通，仍是处于彼此绝缘的状态而不会有漏电的问题。
此外，金属氧化物半导体层140常会需要进行热退火制程，以调整金属氧化物半导体层140内氧空缺的密度与分布，增加金属氧化物半导体层140的稳定性。因此，若要执行热退火制程，需要在保护层170的沉积步骤之前执行。例如，可以在图案化金属层160的步骤前执行热退火制程，或是在图案化金属层160的蚀刻步骤与形成保护层170的沉积步骤之间执行热退火制程。
由于所得薄膜晶体管100的栅极120与金属图案层150的材料皆为导体，且分别位于做为源极160a与漏极160b间通道的金属氧化物半导体层140a的上下两侧，因此在应用上也可以让金属图案层150做为第二栅极。举例来说，可以让栅极120与金属图案层150皆与薄膜晶体管阵列的扫描线相接，以再进一步降低薄膜晶体管100在关闭时的漏电流。另外一种应用可以让金属图案层150与起始电压(threshold voltage)的调节(modulation)电路连接，则可以即时改变或控制薄膜晶体管100起始电压的大小。
上述薄膜晶体管100，亦可应用在制造显示装置的阵列基板上。请参考图2，图2为一显示装置的剖面结构示意图。在图2中，显示装置200具有一阵列基板210、一对向基板220与位于前述两者之间的显示层230。上述的阵列基板210具有由前述薄膜晶体管所组成的薄膜晶体管阵列，而对向基板220则相对于阵列基板210而设置。上述的显示层230例如可为电子墨水层、液晶层或其他可用的显示材料。
由上述本发明实施方式可知，由于利用金属材料来做为薄膜晶体管金属氧化物半导体层的金属图案层，因此可以有效地隔绝外界中水、氧及光对金属氧化物半导体层的影响，并维持薄膜晶体管特性的稳定。此外，由于做为通道的金属氧化物半导体层上方多了一层金属图案层，因此金属图案层可以做为第二个栅极，应用来抑制薄膜晶体管关闭时的漏电流，或是用来即时调整薄膜晶体管的起始电压。
虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (12)
1.一种薄膜晶体管，其特征在于，包括：
一栅极，位于一基底上；
一栅绝缘层，位于该栅极与该基底上；
一金属氧化物半导体层，位于该栅绝缘层上；
一绝缘层，位于该金属氧化物半导体层上；
一源极与一漏极分别位于该金属氧化物半导体层的两侧且连接于该金属氧化物半导体层；以及
一金属图案层，位于该绝缘层上，其中该金属图案层与该源极及该漏极之间分别具有一开口，以暴露一部分该金属氧化物半导体层。
2.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，被所述开口暴露的该部分金属氧化物半导体层的氧空缺密度大于未被所述开口暴露的其余该金属氧化物半导体层的氧空缺密度。
3.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，该金属图案层的材料为铝、铜、钛、钼或铬化钼。
4.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，还包括一保护层，覆盖该源极、该漏极、该金属图案层与该金属氧化物半导体层。
5.一种薄膜晶体管的制造方法，其特征在于，包括：
形成一栅极于一基底上；
形成一栅绝缘层于该栅极与该基底上；
形成一金属氧化物半导体层于该栅绝缘层上；
形成一绝缘层于该金属氧化物半导体层上；
形成一金属层覆盖于该金属氧化物半导体层与该栅绝缘层上；以及
图案化该金属层，以分别形成一源极与一漏极于该金属氧化物半导体层的两侧，并形成一金属图案层于该绝缘层上，其中该金属图案层与该源极及该漏极之间分别具有一开口，以暴露一部分该金属氧化物半导体层。
6.根据权利要求5所述的薄膜晶体管的制造方法，其特征在于，还包括形成一保护层覆盖该源极、该漏极、该金属图案层与该金属氧化物半导体层。
7.根据权利要求6所述的薄膜晶体管的制造方法，其特征在于，还包括执行一热退火制程于图案化该金属层的步骤与形成该保护层的步骤之间。
8.根据权利要求6所述的薄膜晶体管的制造方法，其特征在于，形成该保护层的步骤包括执行一等离子轰击制程，以使被所述开口暴露的该部分金属氧化物半导体层的氧空缺密度大于未被所述开口暴露的其余该金属氧化物半导体层的氧空缺密度。
9.根据权利要求5所述的薄膜晶体管的制造方法，其特征在于，还包括执行一热退火制程于图案化该金属层的步骤前。
10.根据权利要求5所述的薄膜晶体管的制造方法，其特征在于，图案化该金属层的步骤包括执行一蚀刻制程，以使被所述开口暴露的该部分金属氧化物半导体层的氧空缺密度大于未被所述开口暴露的其余该金属氧化物半导体层的氧空缺密度。
11.一种阵列基板，其特征在于，包括：
一基底；以及
一薄膜晶体管，设置于该基底上，该薄膜晶体管包括：一栅极，位于一基底上；一栅绝缘层，位于该栅极与该基底上；一金属氧化物半导体层，位于该栅绝缘层上；一绝缘层，位于该金属氧化物半导体层上；一源极与一漏极分别位于该金属氧化物半导体层的两侧且连接于该金属氧化物半导体层；以及一金属图案层，位于该绝缘层上，其中该金属图案层与该源极及该漏极之间分别具有一开口，以暴露一部分该金属氧化物半导体层。
12.一种显示装置，其特征在于，包括：
一阵列基板，其包括一基底以及一薄膜晶体管，该薄膜晶体管设置于该基底上，该薄膜晶体管包括：一栅极，位于一基底上；一栅绝缘层，位于该栅极与该基底上；一金属氧化物半导体层，位于该栅绝缘层上；一绝缘层，位于该金属氧化物半导体层上；一源极与一漏极分别位于该金属氧化物半导体层的两侧且连接于该金属氧化物半导体层；以及一金属图案层，位于该绝缘层上，其中该金属图案层与该源极及该漏极之间分别具有一开口，以暴露一部分该金属氧化物半导体层；
一对向基板，相对该阵列基板设置；以及
一显示层，位于该阵列基板与该对向电极基板之间。
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