CN2717021Y - 低温多晶硅薄膜晶体管 - Google Patents

Abstract

一种低温多晶硅薄膜晶体管，其包括闸极、闸介电层、图案化硅层、图案化绝缘层、欧姆接触层以及源极/漏极层。闸极与闸介电层依序配置在基板上，图案化硅层与图案化绝缘层则依序配置在闸极上方的闸介电层上。且图案化硅层包括多晶硅通道区以及非晶硅热载子抑制区。欧姆接触层配置在部分的闸介电层与非晶硅热载子抑制区上方的部分图案化绝缘层上，并连接非晶硅热载子抑制区，源极/漏极层则配置在闸介电层以及欧姆接触层上。非晶硅热载子抑制区位于欧姆接触层与多晶硅通道层之间，用以抑制热载子效应，减少漏电流，进而改善晶体管的效能。

Description

低温多晶硅薄膜晶体管

技术领域

本实用新型涉及一种晶体管的结构，特别是涉及一种低温多晶硅薄膜(low temperature poly-silicon，简称为LTPS)晶体管。

背景技术

在一般元件中，都需配置开关以驱动元件的运作。以主动式显示元件为例，其通常是以薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)来作为驱动开关。而薄膜晶体管又可依通道层的材质分为非晶硅(amorphous silicon，简称a-Si)薄膜晶体管以及多晶硅(poly-silicon)薄膜晶体管。此外，薄膜晶体管亦可依照通道层与闸极的相对位置而区分为顶闸极型态(top-gate TFT)以及底闸极型态(bottom-gate TFT)。由于底闸极型态的薄膜晶体管制程上具有较不受污染的界面(绝缘层/非晶硅层)，且可配合成熟的后通道蚀刻(back-channel etch)技术，因此目前各世代的液晶面板厂一般都是以非晶硅的底闸极薄膜晶体管作为液晶显示器的开关元件。然而，由于多晶硅薄膜晶体管相较于非晶硅薄膜晶体管其消耗功率小且电子迁移率大，因此逐渐受到市场的重视。

早期的多晶硅薄膜晶体管的制程温度高达摄氏1000度，因此基板材质的选择受到大幅的限制，不过，近来由于激光技术的发展，制程温度可降至摄氏600度以下，而利用此种制程所形成的多晶硅薄膜晶体管即称为低温多晶硅薄膜晶体管。此制程的主要技术是利用激光退火制程将形成在基板上的非晶硅薄膜熔融(Melting)后再结晶(Re-crystallization)成为多晶硅薄膜，而一般常用的激光退火制程为准分子激光退火(Excimer Laser Annealing，简称为ELA)制程。

然而，虽然多晶硅薄膜晶体管具有高载子迁移率以及高驱动电流(约为10-4微安培)的优异特性，但相对来说，其也具有较高的漏电流(leakagecurrent)(约为10^-9微安培)，而且容易在漏极(drain)诱发热载子效应(hotcarrier effect)，进而导致元件退化。因此，现今多在晶体管中的通道层与源极/漏极之间加入浅掺杂漏极(Light Doped Drain，简称LDD)的设计，以避免产生热载子效应。

图1A至图1E所示为现有底闸极型态的低温多晶硅薄膜晶体管的制造流程的剖面示意图。请参照图1A，首先在基板100上依序形成闸极102、闸介电层104以及非晶硅层106。接着再进行ELA制程，以准分子激光光束118照射非晶硅层106，使其熔融后再结晶而成为多晶硅层。请参照图1B，然后再图案化多晶硅层106a，以定义出薄膜晶体管的主动区域。

请参照图1C，之后在闸极102上方的多晶硅层106a上形成氧化硅层108，并以氧化硅层108为罩幕/掩膜进行掺杂制程植入离子130，以定义出晶体管的欧姆接触层110。而闸极102上方的多晶硅层106a即为晶体管的通道层112。

请参照图1D，接着以另一氧化硅层108a为罩幕，进行浅掺杂漏极的制程，植入浓度较低的离子140，以于通道层112与欧姆接触层110之间形成浅掺杂漏极114。最后在欧姆接触层110以及闸介电层104上形成源极/漏极层116，并覆盖部分的氧化硅层108a，即完成底闸极型态的低温多晶硅薄膜晶体管120，如图1E所示。

由上述制程可知，至少需要5道光罩才能完成现有的低温多晶硅薄膜晶体管120，而且LDD制程较为复杂，因而使低温多晶硅薄膜晶体管具有较高的制造成本。

发明内容

因此，本实用新型的目的是提供一种低温多晶硅薄膜晶体管，以通过其中的非晶硅热载子抑制区来改善晶体管的元件特性。

本实用新型提出一种低温多晶硅薄膜晶体管，其主要由依序配置在基板上的闸极、闸介电层、图案化硅层、图案化绝缘层、欧姆接触层以及源极/漏极层所构成。其中，图案化硅层配置于闸介电层上，并位于闸极正上方。且图案化硅层包括多晶硅通道区以及位于多晶硅通道区两侧的非晶硅热载子抑制区，而此处的非晶硅热载子抑制区可用以降低晶体管在运作过程中产生热载子效应而退化的几率。图案化绝缘层覆盖住图案化硅层，欧姆接触层配置在部分闸介电层以及非晶硅热载子抑制区上方的部分绝缘层上而暴露出多晶硅通道区上方的图案化绝缘层，并连接非晶硅热载子抑制区。源极/漏极层则配置在欧姆接触层上，甚至是部分的基板上。

依照本实用新型的实施例所述，此低温多晶硅薄膜晶体管还包括有一保护层，其配置在源极/漏极层上，且覆盖绝缘层。

依照本实用新型的实施例所述，本实用新型的欧姆接触层可以是n型掺杂欧姆接触层或是p型掺杂欧姆接触层。换言之，本实用新型的低温多晶硅薄膜晶体管可以是n型晶体管或是p型晶体管。而在另一实施例中，绝缘层的材质例如是氮化硅或氧化硅。

由于本实用新型的低温多晶硅薄膜晶体管的制程与现有的低温多晶硅薄膜晶体管的制程相较之下，可少一道LDD制程与光罩，因此可节省制造成本。此外，本实用新型的低温多晶硅薄膜晶体管可兼具多晶硅薄膜晶体管的高驱动电流以及非晶硅薄膜晶体管的低漏电流的特性。

为使本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例并配合附图详细说明如下。

附图说明

图1A至图1E所示为现有底闸极型态的低温多晶硅薄膜晶体管的制造流程剖面示意图。

图2A至图2H所示为本实用新型一较佳实施例的一种低温多晶硅薄膜晶体管的制造流程剖面示意图。

图3A至图3C所示为本实用新型的另一实施例的低温多晶硅薄膜晶体管的制造部分流程剖面示意图。

图4A至图4B所示为本实用新型的再一实施例的低温多晶硅薄膜晶体管的制造部分流程剖面图。

图5A至图5B所示为本实用新型的另一实施例的低温多晶硅薄膜晶体管的制造部分流程剖面示意图。

具体实施方式

本实用新型在低温多晶硅薄膜晶体管的通道区与源极/漏极区之间设计有以非晶硅所构成的区域，以降低高电场下源极/漏极区受到高速电子的冲击，进而避免热载子效应的发生。而且，本实用新型的低温多晶硅薄膜晶体管可以多种不同的制程来完成，下文将举数个实施例加以说明。值得注意的是，以下实施例用以说明本实用新型的低温多晶硅薄膜晶体管及其制造方法，并非用以限定本实用新型。熟习此技术者可依据本实用新型所揭露的技术作适当的修改与变化，其也落于本实用新型的范围内。

第一实施例

图2A至图2H所示为本实用新型一较佳实施例的一种低温多晶硅薄膜晶体管的制造流程剖面示意图。请参照图2A，首先在基板200上依序形成闸极202、闸介电层204、第一非晶硅层206以及图案化绝缘层208。其中，图案化绝缘层208置在第一非晶硅层206上，并位于闸极202上方。在本实施例中，图案化绝缘层208的材质例如是氧化硅或是氮化硅。

请参照图2B，以图案化绝缘层208为罩幕进行掺杂制程，其例如是进行离子植入制程，以将掺质离子230掺入未被图案化绝缘层208覆盖住的部分第一非晶硅层206内，以降低此处的第一非晶硅层206内的阻抗，以便于在后续制程中做为晶体管的欧姆接触层。其中，离子230例如是n型或p型的掺质离子，熟习此技术者可依实际制程所需为n型晶体管或p型晶体管来做选择。

请参照图2C，在第一非晶硅层206上形成第二非晶硅层210覆盖住图案化绝缘层208。其中，第二非晶硅层210例如是具有掺质的非晶硅层。而具有掺质的第二非晶硅层210的形成方法例如是在第二非晶硅层210的沉积制程(例如是电浆增益化学气相沉积制程)中，同时进行掺杂制程，也就是所谓的临场(in-situ)掺杂法。

请参照图2D，然后再图案化第一非晶硅层206以及第二非晶硅层210而形成第一图案化非晶硅层206a以及第二图案化非晶硅层210a，以暴露出部分的闸介电层204，以便于定义出晶体管的主动区域。值得注意的是，第二图案化非晶硅层210a同时暴露出闸极202上方的部分图案化绝缘层208。而图案化第一非晶硅层206以及第二非晶硅层210的方法例如是微影/蚀刻制程。

请参照图2E，接着进行激光退火制程，而本实施例所使用的激光退火制程例如是准分子激光退火制程。其以准分子激光光束222照射图2D中所形成的结构，以使部分的第一图案化非晶硅层206a熔融后再结晶，以形成多晶硅通道区212，如图2F所示。

特别是，第二图案化非晶硅层210a可视为激光退火制程中的吸收罩幕(energy-absorbing mask)。请参照图2D至图2E，由于第二图案化非晶硅层210a可以吸收准分子激光光束222的热能而形成部分或完全具有结晶状态的硅原子的欧姆接触层214，因此准分子激光光束222的能量将于第二图案化非晶硅层210a中逐渐衰减而无法传递至其下方的部分第一图案化非晶硅层206a中。同时，由于图案化绝缘层208不会吸收准分子激光光束222的热能，因此图案化绝缘层208下方的部分第一图案化非晶硅层206a将可吸收准分子激光光束222的热能而形成多晶硅通道区212。再加上图案化绝缘层208下方的部分第一图案化非晶硅层206a并不具有掺质，所以在第二图案化非晶硅层210a与图案化绝缘层208重迭处的下方的部分第一图案化非晶硅层206a中会自然形成未具有掺质的非晶硅热载子抑制区216。由此可知，本实用新型可精确地决定多晶硅与非晶硅的成长区域。且由于非晶硅对电子迁移的阻抗较高，因此非晶硅热载子抑制区216可有效地降低晶体管内的漏电流。换言之，此处的电场会受到非晶硅的抑制而使得载子不易由晶体管的源极/漏极内射出成为漏电流。

而且，此时所进行的准分子激光退火制程除了可以使部分的非晶硅熔融后再结晶为多晶硅以外，还可以同时对在掺杂制程中受损的晶格进行修补，使其重新排列以减少其中的晶格缺陷。由此可知，本实施例可节省一道修补晶格的活化(activation)制程。

请参照图2G，之后在欧姆接触层214以及闸介电层204上形成源极/漏极层218，其材质例如是由金属或其他导电材料所构成。值得注意的是，当本实用新型应用在显示元件的制程中时，由于薄膜晶体管的源极/漏极层218将连接于显示元件中的资料配线(未绘示)，因此可在形成源极/漏极层218的同时一并进行资料配线的制程，以减少制程步骤。

在图2G大致上已完成低温多晶硅薄膜晶体管的制作，但一般来说，通常还会在形成源极/漏极层218之后，再形成保护层220覆盖源极/漏极层218以及图案化绝缘层208，如图2H所示，以保护低温多晶硅薄膜晶体管400的内部元件，避免其在制程中受损。

此外，在本实用新型的另一实施例中，还可以先形成源极/漏极层218，之后再进行激光退火制程。以下将举第二实施例进行说明。

第二实施例

图3A至图3C所示为本实用新型的另一实施例的低温多晶硅薄膜晶体管的制造部分流程剖面示意图。请参照图3A，依照上述图2A至图2D的流程所述的说明完成第一图案化非晶硅层206a与第二图案化非晶硅层210a之后，接着在基板200以及第二图案化非晶硅层210a上形成源极/漏极层218。在此，第二图案化非晶硅层210a即是作为薄膜晶体管的欧姆接触层。

请参照图3B，之后再以例如准分子激光光束222照射图3A所完成的结构，以使位于闸极202上方的部分第一图案化非晶硅层206a熔融后再结晶，以形成多晶硅通道区212，如图3C所示。此时，由于源极/漏极层的导热性佳，因此位于其下的第二图案化非晶硅层210a以及第一图案化非晶硅层206a并无法吸收到准分子激光光束222的热能。因此，多晶硅通道区212两侧未掺杂的第一图案化非晶硅层206a将会自然形成为非晶硅热载子抑制区216。之后可视实际情况所需选择是否欲进行图2H所述的制程而于源极/漏极层218上形成保护层(未示出)。

另外，本实用新型还可以视实际制程所需来调整进行掺杂制程的时机。以下将举实施例加以详细说明，而下述实施例中的图式的元件标号与以上所述的实施例的元件标号相同者，其材质皆与上述实施例所述相同或相似，此处将不再赘述。

第三实施例

图4A至图4B所示为本实用新型再一实施例的低温多晶硅薄膜晶体管的制造部分流程剖面图。请参照图4A，依照图2A所述的流程而在基板200上形成图案化绝缘层208之后，接着先在第一非晶硅层206上形成第二非晶硅层310覆盖图案化绝缘层208。其中，第二非晶硅层310可以是具有掺质或是未具有掺质的非晶硅层。

请参照图4B，接着再依照图2D的说明所述，形成第一图案化非晶硅层206a以及第二图案化非晶硅层310a。然后以图案化绝缘层208为罩幕进行掺杂制程，以将掺质离子230掺入部分的第一图案化非晶硅层206a以及第二图案化非晶硅层310a。而后续制程则如同前述二实施例的说明。

此外，在本实用新型的另一实施例中，还可以在进行第三实施例的图4B所说明的掺杂制程前，先进行激光退火制程，以下将举第四实施例说明。

第四实施例

请参照图5A，在完成图4A所示的结构后，接着例如以准分子激光光束222进行准分子激光退火制程，以使部分第一图案化非晶硅层206a熔融后再结晶，以形成图5B所绘示的多晶硅通道区212。在此，如同第一实施例所述，在激光退火制程中第二图案化非晶硅层310a也会吸收准分子激光光束222的热能而形成图案化多晶硅层311(如图5B所示)。

请参照图5B，之后再进行掺杂制程，以将掺质离子230掺入图案化多晶硅层311以及未被图案化绝缘层208覆盖住的部分第一图案化非晶硅层206a中，而形成欧姆接触层214，并自然形成位于多晶硅通道区212两侧的不具掺质的非晶硅热载子抑制区216，如图2F所示。

值得注意的是，由于本实施例在激光退火制程之后进行掺杂制程，因此在进行掺杂制程之后，必须再进行退火活化(Activation)制程(未示出)以修补欧姆接触层214及其下方的部分第一图案化非晶硅层206a内的晶格缺陷。而完成退火活化制程后，其余后续制程即如前述实施例的说明。

值得特别注意的是，本实用新型的制程中所使用的激光光束的能量以能够形成多晶硅通道区为主。而在此前提下，本实用新型所使用的激光光束例如是不足以穿透第二图案化非晶硅层，甚至例如是仅能使第二图案化非晶硅层中接近表面的硅原子熔融后再结晶为多晶硅。因此，本实用新型的欧姆接触层中可以具有非结晶状态的硅原子，也可以具有结晶状态的硅原子，这可视实际制程参数而定。

本实用新型提供了多种不同的制造流程，均可制造出图2H所示的低温多晶硅薄膜晶体管。因此，熟习此技术者可依实际制程要求由这些制程中择一而行。以下将详细说明图2H所示的低温多晶硅薄膜晶体管400的结构，而各元件的形成方法已于上述实施例中说明，以下不再赘述。

请参照图2H，低温多晶硅薄膜晶体管400主要由基板200以及配置在基板200上的结构所构成。而此结构包括闸极202、闸介电层204、图案化绝缘层208、图案化硅层402、欧姆接触层214、源极/漏极层218以及保护层220。其中，闸极202、与闸介电层204依序配置在基板200上，图案化硅层402配置在闸介电层204上，且特别的是，图案化硅层402包括位于闸极202上方的多晶硅通道区212以及位于多晶硅通道区212两侧的非晶硅热载子抑制区216。而图案化绝缘层208配置在图案化硅层402上，其材质例如是氧化硅或是氮化硅。

欧姆接触层214配置在部分的闸介电层204以及非晶硅热载子抑制区216上方的部分图案化绝缘层208上，而暴露出多晶硅通道区212上方的部分图案化绝缘层208，并与非晶硅热载子抑制区216连接。其中，欧姆接触层214例如是n型多晶硅掺杂欧姆接触层或p型多晶硅掺杂欧姆接触层。换言之，低温多晶硅薄膜晶体管400例如是n型晶体管或p型晶体管。

源极/漏极层218配置在欧姆接触层214与闸介电层204上，而保护层220则配置在源极/漏极层218以及图案化绝缘层208上，用以保护低温多晶硅薄膜晶体管400内部元件，以避免其在后续制程中受损。

综上所述，本实用新型具有下列优点：

1.与现有的低温多晶硅薄膜晶体管的制程相比，可少一道LDD制程与光罩，以节省制造成本。

2.在本实用新型的低温多晶硅薄膜晶体管的制程中，以第二图案化非晶硅层做为激光退火制程中的吸收罩幕，因此可有效地控制多晶硅与非晶硅成长的区域。

3.非晶硅热载子抑制区可使晶粒由多晶硅通道区的两侧往中央成长，进而使多晶硅通道区中的晶粒具有较佳的尺寸均匀性。

4.同时兼具多晶硅薄膜晶体管的高驱动电流(I_ON)以及非晶硅薄膜晶体管的低漏电流(I_OFF)的特性，因而具有较高的I_ON/I_OFF比值，以改善低温多晶硅薄膜晶体管的电特性。

5.旧有非晶硅生产线转为生产底闸极多晶硅的可行性高，可节省成本。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型，任何熟习此技术者在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的变动与润饰，因此本实用新型的保护范围应以后附的权利要求书所界定的内容为准。

附图标记说明

100、200：基板

102、202：闸极

104、204：闸介电层

106：非晶硅层

106、311：图案化多晶硅层

108：氧化硅层

110、214：欧姆接触层

112：通道层

114：浅掺杂漏极

116、218：源极/漏极层

118、222：准分子激光光束

120、400：低温多晶硅薄膜晶体管

130、140、230：离子

206：第一非晶硅层

206a：第一图案化非晶硅层

208：图案化绝缘层

210、310：第二非晶硅层

210a、310a：第二图案化非晶硅层

212：多晶硅通道区

216：非晶硅热载子抑制区

220：保护层

402：图案化硅层

Claims (4)

1.一种低温多晶硅薄膜晶体管，其适于配置在一基板上，其特征在于，该低温多晶硅薄膜晶体管包括：

一闸极，其配置于该基板上；

一闸介电层，其配置于该基板与该闸极上；

一图案化硅层，其配置于该闸介电层上，并位于该闸极上方，其中该图案化硅层包括一多晶硅通道区以及位于该多晶硅通道区两侧之一上的非晶硅热载子抑制区；

一图案化绝缘层，其配置于该硅层上；

一欧姆接触层，其配置于部分的该闸介电层以及该非晶硅热载子抑制区上方的部分图案化绝缘层上而暴露出该多晶硅通道区上方的部分图案化绝缘层，并连接该非晶硅热载子抑制区；以及

一源极/漏极层，其配置于该欧姆接触层上。

2.如权利要求1所述的低温多晶硅薄膜晶体管，其特征在于，还包括一保护层，其配置于该源极/漏极层上，并覆盖该绝缘层。

3.如权利要求1所述的低温多晶硅薄膜晶体管，其特征在于，该欧姆接触层包括一n型掺杂欧姆接触层以及一p型掺杂欧姆接触层中的一个。

4.如权利要求1所述的低温多晶硅薄膜晶体管，其特征在于，该绝缘层的材质包括氧化硅以及氮化硅中的一个。

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