CN1691353A

CN1691353A - 薄膜晶体管及其制作方法

Info

Publication number: CN1691353A
Application number: CN 200410034710
Authority: CN
Inventors: 张世昌; 蔡耀铭
Original assignee: Toppoly Optoelectronics Corp
Current assignee: TPO Displays Corp
Priority date: 2004-04-26
Filing date: 2004-04-26
Publication date: 2005-11-02
Anticipated expiration: 2024-04-26
Also published as: CN100345310C

Abstract

本发明揭示一种薄膜晶体管及其制作方法。上述薄膜晶体管包括一基底，包含有第一薄膜晶体管区域以及第二薄膜晶体管区域。第一有效层与第二有效层是分别形成于基底的第一薄膜晶体管区域与第二薄膜晶体管区域上。第一栅极绝缘层是形成于第一有效层与第二有效层上。第一栅极层是形成于第一薄膜晶体管区域的第一栅极绝缘层上。第二栅极绝缘层是直接形成于第二薄膜晶体管区域的第一栅极绝缘层上，以及第二栅极层是形成于第二薄膜晶体管区域的该第二栅极绝缘层上。其中，第一薄膜晶体管区域中第一栅极层下方的绝缘层厚度为第一栅极绝缘层的厚度，而第二薄膜晶体管区域中第二栅极层下方的绝缘层厚度为第一栅极绝缘层与第二栅极绝缘层的总和厚度。

Description

薄膜晶体管及其制作方法

技术领域

本发明有关于一种薄膜晶体管(thin film transistor，TFT)技术，特别有关一种可同时提供具有不同栅极绝缘层厚度的薄膜晶体管的技术。

背景技术

主动矩阵液晶显示器(active matrix liquid crystal display，以下简称AMLCD)的周边驱动电路或象素开关元件是运用一薄膜晶体管(thin film transistor，TFT)，一般可区分成非晶硅TFT与多晶硅TFT两种型式。

由于多晶硅薄膜晶体管的载子迁移率较高、驱动电路的积集度较佳、漏电流较小，故多晶硅薄膜晶体管较常应用在高操作速度的电路中，如：静态随机存取存储器(static random access memory，SRAM)。

多晶硅薄膜晶体管在设计为周边驱动电路时，为提高驱动能力，常需减小栅极下方栅极绝缘层的厚度，以求在固定操作电压下可提高电流。

然而，另一方面，薄膜晶体管在作为象素开关元件或应用于横向开关(horizonta1 switch，HSW)、静电放电防护(electrostatic discharge，ESD)等电路设计时，为配合高电流、高电压的操作需求，需相对提高栅极下方栅极绝缘层的厚度，以确保薄膜晶体管的信赖性。因此，若为配合多晶硅薄膜晶体管作为周边驱动电路的设计，而降低栅极绝缘层的厚度，则同时作为象素开关元件或应用于横向开关、静电放电防护等电路设计的薄膜晶体管，其元件可信赖度将大受影响。

此外，在作为液晶显示器必备的电容元件方面，习知的制作方法是在一多晶硅层上方形成一栅极绝缘层，再于此栅极绝缘层上形成一同时用以制作栅极的导电层，则由此导电层与多晶硅层中间夹有栅极绝缘层的三明治结构，形成上述电容元件。在实际制程中，由于一般多晶硅层的表面粗糙度相当大，相对若降低其上栅极绝缘层的厚度，则多晶硅层粗糙表面的突起部分容易与导电层接触，而导致此电容元件的短路。

综上所述，就电路设计的考量，习知薄膜晶体管制程技术无法针对元件的不同需求，提供一合乎所有元件最适合要求的制程，亦即，若针对周边驱动电路设计而降低薄膜晶体管的栅极绝缘层厚度，以提高驱动力与操作速度时，便无法满足薄膜晶体管在作为象素开关元件设计时，对元件信赖度的要求，同时也容易造成电容元件的短路。

发明内容

本发明的目的就在于提出一种新的薄膜晶体管制程以及结构，以同时提供具有不同栅极绝缘层厚度的薄膜晶体管，来符合电路设计中各元件的不同需求，并解决上述无法兼顾的两难。

本发明的另一目的在提供具有不同栅极绝缘层厚度的薄膜晶体管的同时，借由改变电容的基本结构，来提升电容元件的性能。

为达上述目的，本发明将栅极绝缘层分为两阶段制作。亦即，在第一阶段，先分别于一第一薄膜晶体管区域以及一第二薄膜晶体管区域上方形成一层第一栅极绝缘层，之后于其中一薄膜晶体管区域上方，例如第一薄膜晶体管区域上制作第一栅极。之后，再于另一薄膜晶体管区域上方，例如第二薄膜晶体管区域上方，形成一第二栅极绝缘层，接着再于其上制作第二栅极。

借由上述方式，在第一薄膜晶体管区域上的栅极绝缘层厚度为第一栅极绝缘层的厚度，而在第二薄膜晶体管区域上的栅极绝缘层厚度为第一栅极绝缘层与第二栅极绝缘层的总和厚度。由此，可因应不同电路设计的需求，控制第一薄膜晶体管与第二薄膜晶体管中栅极绝缘层的厚度，同时达到元件操作速度与信赖度的要求。

此外，在达到元件操作速度与信赖度要求的同时，本发明所提出的薄膜晶体管制程，可同时借由改变电容的基本结构，来提升电容元件的性能。

在上述两阶段栅极绝缘层的制程中，同时包含两阶段栅极的制程：第一栅极与第二栅极。本发明借由第一栅极与第二栅极间夹有第二栅极绝缘层的结构，取代习知多晶硅-栅极绝缘层-栅极的结构，不仅形成一种新的电容结构，且此结构避免多晶硅表面粗糙度的问题，可有效降低电容短路的机率。

依据本发明所提的薄膜晶体管，包括：一基底，其包含有第一薄膜晶体管区域以及第二薄膜晶体管区域；第一有效层(active layer)与第二有效层，是分别形成于第一薄膜晶体管区域与第二薄膜晶体管区域上；第一栅极绝缘层，是形成于第一有效层与第二有效层上；第一栅极层，是形成于第一薄膜晶体管区域内的第一栅极绝缘层上；第二栅极绝缘层，是形成于第一栅极绝缘层上；以及第二栅极层，是形成于第二薄膜晶体管区域内的第二栅极绝缘层上，其中，第一薄膜晶体管区域中第一栅极层下方的绝缘层厚度为该第一栅极绝缘层的厚度，而第二薄膜晶体管区域中该第二栅极层下方的绝缘层厚度为第一栅极绝缘层与第二栅极绝缘层的总和厚度。

依据本发明所提的薄膜晶体管，其可进一步包括一电容区，电容区包含：第一栅极绝缘层，是形成于电容区；第一栅极层，是形成于电容区的第一栅极绝缘层上；第二栅极绝缘层，是形成于电容区的第一栅极层上；以及第二栅极层，是形成于电容区的第二栅极绝缘层上，其中，第一栅极层、第二栅极绝缘层与该第二栅极层形成电容。

依据本发明所提薄膜晶体管的制作方法，包括下列步骤：提供基底，其包含有第一薄膜晶体管区域以及第二薄膜晶体管区域；分别形成第一有效层与第二有效层于基底的该第一薄膜晶体管区域与第二薄膜晶体管区域上；形成第一栅极绝缘层于第一有效层与第二有效层上；形成第一栅极层于第一薄膜晶体管区域内的第一栅极绝缘层上；形成第二栅极绝缘层于第一栅极绝缘层上；以及形成第二栅极层于第二薄膜晶体管区域内的第二栅极绝缘层上。

依据本发明所提薄膜晶体管的制作方法，其可进一步包括电容区的制作步骤：形成第一栅极绝缘层于电容区；形成第一栅极层于电容区的第一栅极绝缘层上；形成第二栅极绝缘层于电容区的第一栅极层上；以及形成该第二栅极层于电容区的第二栅极绝缘层上，其中，第一栅极层、第二栅极绝缘层与第二栅极层形成电容。

上述薄膜晶体管及其制作方法中，其中第一薄膜晶体管区域例如作为一周边驱动电路区域，第二薄膜晶体管区域例如作为一象素陈列区域。

上述薄膜晶体管及其制作方法中，其中第二栅极绝缘层可同时覆盖于该第一栅极层上。上述基底可为一透明绝缘基底或一玻璃基底。上述第一、第二有效层可为非晶硅层(amorphous silicon)或多晶硅层(poly-silicon)。上述第一与第二栅极绝缘层可为氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层或其组合的堆栈层。

上述薄膜晶体管及其制作方法中，并可进一步包含有缓冲层，是形成于基底与第一有效层之间，且形成于基底与第二有效层之间。

上述薄膜晶体管及其制作方法中，其中第一栅极层的厚度小于第二栅极层的厚度，以利于其上第二栅极绝缘层的顺应成长，并使第二栅极层可适用于后续的内联机制程。

上述薄膜晶体管的制作方法中，第一栅极层的制作例如是先于该基底上形成第一导电层，再利用曝光、显影与蚀刻等制程将该第一导电层定义为第一栅极层；第二栅极层的制作例如是先于该基底上形成一第二导电层，再利用一曝光、显影与蚀刻等制程将第二导电层定义为该第二栅极层。

附图说明

图1是显示本发明实施例的薄膜晶体管元件与电容元件的剖面示意图；

图2A～2F是显示本实施例薄膜晶体管元件的制作方法的剖面示意图。

符号说明

I～第一薄膜晶体管区域

II～第二薄膜晶体管区域

III～电容区域

1～基底

2～缓冲层

10～第一有效层

20～第二有效层

11～第一栅极绝缘层

21～第二栅极绝缘层

12～第一栅极层

22～第二栅极层

具体实施方式

本发明实施例是针对不同操作电压的薄膜晶体管元件制作不同厚度的栅极绝缘层，同时提供由二导电层与一栅极绝缘层所共同组成的电容元件。

本实施例薄膜晶体管元件结构及其制作方法可应用于象素陈列区域以及周边驱动电路区域的薄膜晶体管元件，以下是详细说明具有不同厚度栅极绝缘层的薄膜晶体管与由二导电层与一栅极绝缘层所共同组成的电容元件的制作方法。

请参阅图1，其显示本发明实施例的薄膜晶体管元件与电容元件的剖面示意图。

一基底1包含有第一薄膜晶体管区域I、第二薄膜晶体管区域II，以及电容区域III，且表面上沉积有一缓冲层2。

于第一薄膜晶体管区域I内，缓冲层2上依序制作有第一有效层10、第一栅极绝缘层11以及第一栅极层12。

于第二薄膜晶体管区域II内，缓冲层2上依序制作有第二有效层20、第一栅极绝缘层11、第二栅极绝缘层21以及第二栅极层22。

于电容区域III内，缓冲层2上依序制作有第一栅极绝缘层11、第一栅极层12、第二栅极绝缘层21以及第二栅极层22。

第一薄膜晶体管区域I是为一周边驱动电路区域；第二薄膜晶体管区域II是为一象素陈列区域。

基底1的较佳者为一透明绝缘基底，例如：玻璃基底。缓冲层2的较佳者为一介电材料层，例如：氧化硅层，其目的为帮助第一、第二有效层10、20形成于基底1上。第一、第二有效层10、20的较佳者为一半导体硅层，例如：非晶硅层或多晶硅层。第一、第二栅极绝缘层11、21的较佳者为氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层或其组合的堆栈层。第一、第二栅极层12、22的较佳者为金属层。

以下是说明第一薄膜晶体管区域I的结构特征。第一有效层10上方形成有第一栅极绝缘层11以及第一栅极层12，其有效栅极绝缘层的厚度即为第一栅极绝缘层11的厚度。

以下是说明第二薄膜晶体管区域II的结构特征。第二有效层20上方形成有第一栅极绝缘层11、第二栅极绝缘层21以及第二栅极层22，其有效栅极绝缘层的厚度即为第一栅极绝缘层11与第二栅极绝缘层21的总和厚度。

以下是说明电容区域III的结构特征。于第一栅极层12上方形成有第二栅极绝缘层21以及第二栅极层22，则此等结构共同组成本实施例的电容元件。

请参阅图2A～2F，其显示本实施例薄膜晶体管元件的制作方法的剖面示意图。

首先，如图2A所示，提供一基底1，其包含有一第一薄膜晶体管区域I以作为周边驱动电路、一第二薄膜晶体管区域II以作为象素开关电路，以及一电容区域III。然后，于基底1上沉积一缓冲层2，再分别于第一、第二薄膜晶体管区域I、II的缓冲层2上制作一第一、第二有效层10、20。本发明不限制第一、第二有效层10、20的厚度及其制作方法，举例来说，可采用低温多晶硅(low tmperature polycrystallinesilicon，LTPS)制程，先于玻璃基板上形成一非晶硅层，然后利用热处理或准分子雷射退火(excimer laser annealing，ELA)的方式将非晶硅层转换成多晶硅材质。

然后，如图2B所示，于第一、第二有效层10、20上沉积第一绝缘层11。第一绝缘层11的较佳者为氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层或其组合的堆栈层。

而后，先于第一绝缘层11上方形成第一导电层(未图示)。第一导电层的较佳者为一金属层。

尔后，于第一导电层上形成图案化的第一光阻层，以使其覆盖第一薄膜晶体管区域I与电容区域III的预定区域。后续，利用图案化的第一光阻层作为罩幕以进行一蚀刻制程，将第一薄膜晶体管区域I与电容区域III内的导电层定义成为一第一栅极层12的图案，后续将光阻层移除，如图2C所示。

接着，如图2D所示，于第一薄膜晶体管区域I、第二薄膜晶体管区域II以及电容区域III上方沉积第二绝缘层21。第二绝缘层21的较佳者为氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层或其组合的堆栈层。

之后，先于第二绝缘层21上方形成第二导电层(未图示)。第二导电层的较佳者为金属层。

而后，于第二导电层上形成图案化的第二光阻层，以使其覆盖第二薄膜晶体管区域II与电容区域III的预定区域。后续，利用图案化的第二光阻层作为罩幕以进行一蚀刻制程，将第二薄膜晶体管区域II与电容区域III内的导电层定义成为第二栅极层22的图案，之后将光阻层移除，如图2E所示。

在此同时，上述蚀刻制程可进一步蚀刻至第二绝缘层21，以移除第一栅极层12上方的第二绝缘层21，如图2F所示。

在本实施例中，第一栅极层的厚度小于第二栅极层的厚度，第一栅极层的厚度例如为500埃～1500埃(，angstrom)，第二栅极层的厚度例如为1500～4000。借由此等较佳厚度的设计，除可利于第一栅极层上第二栅极绝缘层的顺应成长，并使第二栅极层厚度足可适用于后续的内联机制程。

后续进行的内联机制程，包含有内联机介电层、接触洞以及内联机的制作，此步骤的实施方式不会实质影响本发明的特征与功效，故不详加撰述。

由上述可知，本发明实施例的薄膜晶体管元件及其制作方法具有以下优点：

第一，可依据电路设计的需求，调整第一、第二栅极绝缘层11、21的厚度，以同时符合对操作速度、信赖度的要求。

第二，特别对于要求高驱动性的薄膜晶体管，如本实施例中作为周边驱动电路的第一薄膜晶体管I，可借由薄化第一栅极层12的厚度，以利于控制蚀刻，并降低关键尺寸(critical dimension)损害。此外同时具有可降低驱动电压，并提高反应速度的优点。

第三，特别对于要求高信赖性的薄膜晶体管，如本实施例中作为象素开关元件的第二薄膜晶体管II，可借由堆栈第一绝缘层11与第二绝缘层21来提高有效栅极绝缘层的厚度，以提高薄膜晶体管的信赖性，利于高电压、高电流下的操作。

第四，特别对于电容元件，如本实施例的电容元件III，可借由第一栅极层12、第二栅极层22以及第二栅极绝缘层21的堆栈结构来取代习知多晶硅-栅极绝缘层-栅极的结构，不仅形成一新的电容结构，且此结构避免多晶硅表面粗糙度的问题，有效降低电容短路的机率。

第五，依据本发明，与习知薄膜晶体管制程相较，只需增加一道光罩(以定义第二栅极层22)，即可制作上述多功能薄膜晶体管基板，并提供上述种种优点。

Claims

1.一种薄膜晶体管，其特征在于所述薄膜晶体管包括：

一基底，其包含有一第一薄膜晶体管区域以及一第二薄膜晶体管区域；

一第一有效层与一第二有效层，是分别形成于该基底的该第一薄膜晶体管区域与该第二薄膜晶体管区域上；

一第一栅极绝缘层，是形成于该第一有效层与第二有效层上；

一第一栅极层，是形成于该第一薄膜晶体管区域内的该第一栅极绝缘层上；

一第二栅极绝缘层，是形成于该第一栅极绝缘层上；以及

一第二栅极层，是形成于该第二薄膜晶体管区域内的该第二栅极绝缘层上；

其中，该第一薄膜晶体管区域中该第一栅极层下方的绝缘层厚度为该第一栅极绝缘层的厚度，而该第二薄膜晶体管区域中该第二栅极层下方的绝缘层厚度为该第一栅极绝缘层与该第二栅极绝缘层的总和厚度。

2.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于：该第一薄膜晶体管区域是作为一周边驱动电路区域，第二薄膜晶体管区域是作为一象素陈列区域。

3.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于：该第二栅极绝缘层是同时覆盖于该第一栅极层上。

4.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于更包括一电容区，该电容区包含：

该第一栅极绝缘层，是形成于该电容区上；

该第一栅极层，是形成于该电容区上的该第一栅极绝缘层上；

该第二栅极绝缘层，是形成于该电容区的该第一栅极层上；以及

该第二栅极层，是形成于该电容区的该第二栅极绝缘层上，其中，该第一栅极层、第二栅极绝缘层与该第二栅极层组成该电容。

5.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于：该第一栅极层的厚度小于该第二栅极层的厚度。

6.一种薄膜晶体管的制作方法，所述制作方法包括下列步骤：

提供一基底，其包含有一第一薄膜晶体管区域以及一第二薄膜晶体管区域；

分别形成一第一有效层与一第二有效层于该基底的该第一薄膜晶体管区域与该第二薄膜晶体管区域上；

形成一第一栅极绝缘层于该第一有效层与第二有效层上；

形成一第一栅极层于该第一薄膜晶体管区域内的该第一栅极绝缘层上；

直接形成一第二栅极绝缘层于该第一栅极绝缘层上；以及

形成一第二栅极层于该第二薄膜晶体管区域内的该第二栅极绝缘层上。

7.根据权利要求6所述的薄膜晶体管的制作方法，其中该第一薄膜晶体管区域是作为一周边驱动电路区域，第二薄膜晶体管区域是作为一象素陈列区域。

8.根据权利要求6所述的薄膜晶体管的制作方法，其中该第二栅极绝缘层是同时覆盖于该第一栅极层上。

9.根据权利要求6所述的薄膜晶体管的制作方法，更包括一电容区的制作步骤：

形成该第一栅极绝缘层于该电容区上；

形成该第一栅极层于该电容区上的该第一栅极绝缘层上；

形成该第二栅极绝缘层于该电容区的该第一栅极层上；以及

形成该第二栅极层于该电容区的该第二栅极绝缘层上，其中，该第一栅极层、第二栅极绝缘层与该第二栅极层组成该电容。

10.根据权利要求6所述的薄膜晶体管的制作方法，其中该第一栅极层的厚度小于该第二栅极层的厚度。