TW201507033A - 薄膜電晶體的製造方法 - Google Patents

Abstract

一種薄膜電晶體的製造方法，其包括以下步驟。於基板上形成圖案化鎳薄膜。透過電漿輔助化學氣相沉積製程，於圖案化鎳薄膜與基板之間形成石墨烯層。移除圖案化鎳薄膜，以曝露出石墨烯層。於石墨烯層上形成源極以及汲極，其中源極以及汲極彼此分離且位於石墨烯層的兩對側。於基板上形成絕緣層，以覆蓋石墨烯層、該源極以及汲極。於絕緣層上形成閘極，其中閘極位於石墨烯層的上方。

Description

薄膜電晶體的製造方法

本發明是有關於一種主動元件的製造方法，且特別是有關於一種薄膜電晶體的製造方法。

薄膜電晶體具有廣大的應用範疇，其常被應用在電腦晶片、手機晶片及液晶顯示器等商品中，以控制資料的寫入。一般而言，薄膜電晶體包括閘極、絕緣層、通道層、源極以及汲極。在現有的技術中，通道層的材質又以晶矽半導體、非晶矽半導體、多晶矽半導體、氧化物半導體或有機材料等較為普遍。

然而，隨著新材料的開發與研究，薄型導電材料因具有優越的導電特性及相對薄的厚度而嶄露頭角。近年來，薄型導電材料更被應用在薄膜電晶體中，以取代習知的半導體材料或有機材料作為通道層的材料。並且，在現有的薄型導電材料中，又以石墨烯最具發展潛力。

目前，以石墨烯作為薄膜電晶體之通道層材料的技術主要有兩種。一種技術是利用膠帶從石墨塊材上黏下石墨烯，再利 用加壓的方式將石墨烯轉移到成長薄膜電晶體的基板上，以完成通道層的製作。另一種技術則是利用銅箔作為觸媒金屬，透過將銅箔設置於高溫爐中，以在攝氏1000度下成長石墨烯於銅箔上。接著，需利用蝕刻液去除銅箔，以將石墨烯轉移至成長薄膜電晶體的基板上而完成通道層的製作。由於上述這兩種製作方式皆須轉移石墨烯，因此製作過程相對繁複，且耗費相對長的時間及相對高的製程成本。此外，由於石墨烯在轉移的過程中容易破損，因此除了製程良率易受到影響之外，還使這兩種技術所形成的薄膜電晶體的電性表現受到影響。

本發明提供一種薄膜電晶體的製造方法，其製程相對簡易，且可確保石墨烯的完整性。

本發明的一種薄膜電晶體的製造方法，其包括以下步驟。於基板上形成圖案化鎳薄膜。透過電漿輔助化學氣相沉積製程，於圖案化鎳薄膜與基板之間形成石墨烯層。移除圖案化鎳薄膜，以曝露出石墨烯層。於石墨烯層上形成源極以及汲極，其中源極以及汲極彼此分離且位於石墨烯層的兩對側。於基板上形成絕緣層，以覆蓋石墨烯層、源極以及汲極。於絕緣層上形成閘極，其中閘極位於石墨烯層的上方。

本發明的一種薄膜電晶體的製造方法，其包括以下步驟。於基板上形成閘極。於閘極以及基板上形成絕緣層。於絕緣 層上形成圖案化鎳薄膜，且圖案化鎳薄膜位於閘極的上方。透過電漿輔助化學氣相沉積製程，於圖案化鎳薄膜與絕緣層之間形成石墨烯層。移除圖案化鎳薄膜，以曝露出石墨烯層。於石墨烯層上形成源極以及汲極，其中源極以及汲極彼此分離且位於石墨烯層的兩對側。

基於上述，本發明的薄膜電晶體的製造方法將觸媒金屬(圖案化鎳薄膜)直接形成於成長薄膜電晶體的基板上，且利用電漿輔助化學氣相沉積製程將石墨烯成長於圖案化鎳薄膜與基板之間，再移除圖案化鎳薄膜。由於石墨烯是直接成長在成長薄膜電晶體的基板上，因此可以不用進行石墨烯的轉移，從而具有相對簡易的製程步驟，並且，還有助於改善習知石墨烯在轉移過程中的破損問題。如此一來，除了能夠提升製程良率之外，還有助於提升石墨烯層CH的完整性，從而提升薄膜電晶體的電性表現。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100、200‧‧‧薄膜電晶體

110‧‧‧基板

120‧‧‧圖案化鎳薄膜

10‧‧‧承載座

20‧‧‧加溫器

30‧‧‧射頻功率源

A1、A2、A3‧‧‧氣體源

C‧‧‧腔體

CH‧‧‧石墨烯層

D‧‧‧源極

E‧‧‧蝕刻液

G‧‧‧閘極

H120、HD、HS、HOG、HG‧‧‧厚度

OG‧‧‧絕緣層

S‧‧‧汲極

S1‧‧‧升溫步驟

S2‧‧‧退火步驟

S3‧‧‧步驟

S4‧‧‧降溫步驟

T1、T2‧‧‧溫度

t1、t2、t4‧‧‧時間

t3‧‧‧成長時間

圖1A至圖1G是依照本發明的一實施例的一種薄膜電晶體的製作流程的剖面示意圖。

圖2為圖1B中電漿輔助化學氣相沉積製程中的時間-溫度圖。

圖3A至圖3F是依照本發明的另一實施例的一種薄膜電晶體 的製作流程的剖面示意圖。

圖1A至圖1G是依照本發明的實施例的一種薄膜電晶體的製作流程的剖面示意圖，而圖2為圖1B中電漿輔助化學氣相沉積製程中的時間-溫度圖。請先參照圖1A，於基板110上形成圖案化鎳薄膜120。在本實施例中，例如是透過光微影製程將圖案化鎳薄膜120形成於基板110上。具體地，上述光微影製程例如包括以下步驟：首先，於基板110上全面性地形成光阻層(未繪示)。其次，利用軟烤、曝光、顯影等步驟圖案化光阻層。接著，於光阻層及其所曝露出之基板110上全面地形成一鎳薄膜(未繪示)，其中鎳薄膜例如是以電子束蒸鍍的方式形成。然後，利用有機溶劑，例如丙酮，移除光阻層，並使鎳薄膜位於光阻層上的部分一起自基板110剝離，以形成圖案化鎳薄膜120。

上述基板110即後續用以承載及成長薄膜電晶體的基板。舉例而言，基板110的材質可以是玻璃、石英、聚酯類、聚碳酸酯類或其它適合的材質。另一方面，圖案化鎳薄膜120是作為觸媒金屬，用以定義後續欲形成之石墨烯層(薄膜電晶體的通道層)。換言之，本實施例可透過調變圖案化鎳薄膜120的形狀、大小及位置去定義後續欲形成之石墨烯層的形狀、大小及位置。

請參照圖1B、圖1C及圖2，透過電漿輔助化學氣相沉積製程(參照圖1B)，於圖案化鎳薄膜120與基板110之間形成石墨 烯層CH(參照圖1C)。所述電漿輔助化學氣相沉積製程例如包括以下步驟：首先，將基板110及其上的圖案化鎳薄膜120置入腔體C中。具體地，腔體C中例如具有承載座10，且基板110及其上的圖案化鎳薄膜120例如是置於承載座10上。此外，承載座10例如是設置在加溫器20上，並且，承載座10例如與射頻功率(RF Power)源30電性連接。另外，腔體C例如與多個氣體源A1、A2、A3連接，且這些氣體源A1、A2、A3例如分別提供腔體C不同的氣體。舉例而言，氣體源A1例如可提供氬氣，氣體源A2例如可提供氫氣，而氣體源A3例如可提供碳源氣體。所述碳源氣體例如包括甲烷、乙炔、乙醇、苯、甲醇、碳基的高分子、奈米碳材料或上述的混合物。本實施例以碳源氣體為甲烷接續說明。

其次，連通腔體C與氣體源A2，以於腔體C中通入氫氣，並且使腔體C內的壓力維持在一定壓的狀態。在本實施例中，於腔體C中通入氫氣的氣體流量約為40 sccm(standard cubic centimeter per minute)，而腔體C內的壓力維持在約1.5 torr。接著，如圖2所示，進行一升溫步驟S1，以將腔體C內的溫度T1升溫至溫度T2，其中溫度T1為腔體C內的初始溫度。舉例而言，溫度T1例如是，但不限於，室溫。而溫度T2為成長石墨烯層CH的溫度，其例如在攝氏550度至攝氏650的範圍內。本實施例以溫度T2為攝氏650度接續說明。在本實施例中，將溫度T1升溫至溫度T2所耗費的時間t1約為8分鐘，但本發明不限於此。具體地，升溫所耗費的時間t1會隨機台及製程參數而變。

接著，進行退火步驟S2。在本實施例中，退火步驟S2所耗費的時間t2約為30分鐘，但本發明不限於此。然後，於腔體C中通入碳源氣體，且再次通入氫氣(連通腔體C與氣體源A2、A3)，並固定腔體C中的射頻功率源30的功率，以於成長時間t3內形成石墨烯層CH(步驟S3)。最後，可進行一降溫步驟S4，使腔體C回覆到常溫及常壓的狀態。

在本實施例中，於步驟S3中通入氫氣以及碳源氣體時，可進一步連通腔體C與氣體源A1，以通入氬氣，從而將系統內的壓力維持在7.5 torr。舉例而言，氬氣的氣體流量約為60 sccm至100 sccm，甲烷的氣體流量約為5 sccm至10 sccm，而再次通入氫氣的氣體流量約為10 sccm至30 sccm。在一較佳的實施例中，氬氣、甲烷、氫氣的氣體流量例如分別為80 sccm、5 sccm及10 sccm。此外，射頻功率源30的功率約為200瓦。然而，本發明並不限於上述。實際的氬氣、甲烷、氫氣的氣體流量可隨腔體C中的氣體含量、溫度及射頻功率源之功率的改變而改變。另外，須說明的是，本實施例之石墨烯層CH的成長時間t3不超過30秒，以避免石墨的形成使薄膜電晶體之通道層的特性改變。

在退火步驟S2至步驟S3中，利用圖案化鎳薄膜120在氫氣的環境下退火(溫度T2)時，其表面會呈半熔態(退火步驟S2)，之後通入碳源氣體，且利用電漿環境加速電子的撞擊，使步驟3中通入的碳源氣體產生離子態，而使帶電的碳源分子析入半熔態的圖案化鎳薄膜120，從而在圖案化鎳薄膜120與基板110之間形 成石墨烯層CH。由於本實施例是利用圖案化鎳薄膜120作為觸媒金屬，因此適度地控制圖案化鎳薄膜120的厚度H120(參見圖1A)，將有助於石墨烯層CH的形成。進一步而言，過厚的圖案化鎳薄膜120容易影響步驟S3時帶電的碳原子的沈積速度。反之，過薄的圖案化鎳薄膜120在退火步驟S2時容易離子化，造成在步驟S3時帶電的碳原子缺乏沈積的接面，從而使得石墨烯層CH難以形成。因此，本實施例的圖案化鎳薄膜120的厚度H120例如在85nm以上且110nm以下，且較佳是100nm。

此外，由於鎳在氫氣的環境下退火時，其表面會呈半熔態，因此本實施例可以不用升溫至鎳的熔點，而可在攝氏650度以下的溫度下完成石墨烯層CH的製作，從而降低製作石墨烯層CH所需耗費的時間(圖2中步驟S1升溫所需的時間t1及步驟S4降溫所需的時間t4)。

此外，由於石墨烯層CH是直接成長在成長薄膜電晶體的基板110上，因此本實施例可以不用進行石墨烯層CH的轉移，從而具有相對簡易的製程步驟，並且，還有助於改善習知石墨烯在轉移過程中的破損問題。如此一來，除了能夠提升製程良率之外，還有助於提升石墨烯層CH的完整性，從而提升薄膜電晶體的電性表現。

請參照圖1D，在完成石墨烯層CH的製作之後，接著移除圖案化鎳薄膜120，以曝露出石墨烯層130。在本實施例中，移除圖案化鎳薄膜120的方法例如是以蝕刻液E進行蝕刻。舉例而 言，將基板110、圖案化鎳薄膜120以及石墨烯層CH浸置於蝕刻液E中，以移除圖案化鎳薄膜120，其中蝕刻液E可以是氯化鐵或者其他對鎳的蝕刻率高但對石墨烯的蝕刻率低的蝕刻劑。

此外，在移除圖案化鎳薄膜120之後，可進一步將基板110以及石墨烯層CH浸置於去離子水(未繪示)中，以除去附著在基板110以及石墨烯層CH上的蝕刻液E。並且，還可進一步烘烤基板110以及石墨烯層CH，以去除水氣。

請參照圖1E，於石墨烯層CH上形成源極D以及汲極S，其中源極D以及汲極S彼此分離且位於石墨烯層CH的兩對側。在本實施例中，形成源極D以及汲極S的方法例如是離子束蒸鍍，但本發明不限於此。此外，源極D以及汲極S的材質可以是金(Au)、銅(Cu)、鉬(Mo)、鋁(Al)、鈦(Ti)等金屬材料或其合金，或者，源極D以及汲極S也可以是上述金屬材料的堆疊層。另外，本實施例的源極D的厚度HD以及汲極S的厚度HS例如分別為100nm。

請參照圖1F，於基板110上形成絕緣層OG。在本實施例中，絕緣層OG覆蓋石墨烯層CH、源極S以及汲極D，但本發明不限於此。此外，絕緣層OG的材質可以是無機材料(例如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、矽鋁氧化物或上述至少二種材料的堆疊層)、有機材料或上述材料之組合。另外，本實施例的絕緣層OG的厚度HOG例如為300nm。

請參照圖1F，於絕緣層OG上形成閘極G，其中閘極G 位於石墨烯層CH的上方。在本實施例中，形成閘極G的方法例如是離子束蒸鍍，但本發明不限於此。此外，閘極G的材質可以是金、銅、鉬、鋁、鈦等金屬材料或其合金，或者，閘極G也可以是上述金屬材料的堆疊層。另外，本實施例的閘極G的厚度HG例如為100nm。於此，則初步完成薄膜電晶體100的製作。

須說明的是，上述實施例雖以頂閘極(top gate)型的薄膜電晶體進行說明，但本發明不限於此。圖3A至圖3F是依照本發明的另一實施例的一種薄膜電晶體的製作流程的剖面示意圖。在本實施例中，以底閘極(bottom gate)型的薄膜電晶體200進行說明，其中薄膜電晶體200與圖1G中的薄膜電晶體100大致相同，且相同的膜層以相同的標號表示，於此便不再贅述此些膜層的形成方法及其對應的功效、膜層的材質及厚度等。

薄膜電晶體200與薄膜電晶體100的差異在於上述膜層的形成順序。具體地，形成底閘極型的薄膜電晶體200的方法例如包括以下步驟：首先，如圖3A所示，於基板110上形成閘極G。其次，如圖3B所示，於閘極G以及基板110上形成絕緣層OG。接著，如圖3C所示，於絕緣層OG上形成圖案化鎳薄膜120，且圖案化鎳薄膜120位於閘極G的上方。之後，如圖3D所示，透過電漿輔助化學氣相沉積製程(參見圖1B)，於圖案化鎳薄膜120與絕緣層OG之間形成石墨烯層CH。再如圖3E所示，移除圖案化鎳薄膜120，以曝露出石墨烯層CH。最後，如圖3F所示，於石墨烯層CH上形成源極S以及汲極D，其中源極S以及汲極D 彼此分離且位於石墨烯層CH的兩對側。

綜上所述，本發明的薄膜電晶體的製造方法以圖案化鎳薄膜作為石墨烯層的觸媒金屬。由於鎳在氫氣的環境下退火時，其表面會呈半熔態，因此本發明可以不用升溫至鎳的熔點，而可在攝氏650度以下的溫度下完成石墨烯層的製作，從而降低製作石墨烯層所需耗費的時間。此外，由於石墨烯層是直接成長在成長薄膜電晶體的基板上，因此本發明可以不用進行石墨烯層的轉移，從而具有相對簡易的製程步驟，並且，還有助於改善習知石墨烯在轉移過程中的破損問題。如此一來，除了能夠提升製程良率之外，還有助於提升石墨烯層CH的完整性，從而提升薄膜電晶體的電性表現。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

110‧‧‧基板

120‧‧‧圖案化鎳薄膜

10‧‧‧承載座

20‧‧‧加溫器

30‧‧‧射頻功率源

A1、A2、A3‧‧‧氣體源

C‧‧‧腔體

Claims (10)

1. 一種薄膜電晶體的製造方法，包括：於一基板上形成一圖案化鎳薄膜；透過一電漿輔助化學氣相沉積製程，於該圖案化鎳薄膜與該基板之間形成一石墨烯層；移除該圖案化鎳薄膜，以曝露出該石墨烯層；於該石墨烯層上形成一源極以及一汲極，該源極以及該汲極彼此分離且位於該石墨烯層的兩對側；於該基板上形成一絕緣層，以覆蓋該石墨烯層、該源極以及該汲極；以及於該絕緣層上形成一閘極，且該閘極位於該石墨烯層的上方。
2. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體的製造方法，其中該圖案化鎳薄膜的厚度在85nm以上且110nm以下。
3. 如申請專利範圍第1項所述的薄膜電晶體的製造方法，其中該電漿輔助化學氣相沉積製程包括：將該基板以及該圖案化鎳薄膜置入一腔體中；於該腔體中通入氫氣；在一定壓的環境下將該腔體內的溫度升溫至攝氏550度至攝氏650的範圍內；進行一退火步驟；於該腔體中通入碳源氣體，且再次通入氫氣，並固定該腔體中的一射頻功率(RF Power)源的功率，以於一成長時間內形成該石 墨烯層。
4. 如申請專利範圍第3項所述的薄膜電晶體的製造方法，其中該定壓約為1.5 torr。
5. 如申請專利範圍第3項所述的薄膜電晶體的製造方法，其中在該退火步驟中，溫度維持在攝氏550度至攝氏650的範圍內，且退火的時間約為30分鐘。
6. 如申請專利範圍第3項所述的薄膜電晶體的製造方法，其中碳源氣體為甲烷，甲烷的氣體流量約為5 sccm至10 sccm。
7. 如申請專利範圍第3項所述的薄膜電晶體的製造方法，其中再次通入氫氣的氣體流量約為10 sccm至30 sccm。
8. 如申請專利範圍第3項所述的薄膜電晶體的製造方法，其中於該腔體中再次通入氫氣以及碳源氣體時，更包括通入氬氣，且通入氬氣的氣體流量約為60 sccm至100 sccm。
9. 如申請專利範圍第3項所述的薄膜電晶體的製造方法，其中該成長時間約為30秒。
10. 一種薄膜電晶體的製造方法，包括：於一基板上形成一閘極；於該閘極以及該基板上形成一絕緣層；於該絕緣層上形成一圖案化鎳薄膜，且該圖案化鎳薄膜位於該閘極的上方；透過一電漿輔助化學氣相沉積製程，於該圖案化鎳薄膜與該絕緣層之間形成一石墨烯層； 移除該圖案化鎳薄膜，以曝露出該石墨烯層；於該石墨烯層上形成一源極以及一汲極，該源極以及該汲極彼此分離且位於該石墨烯層的兩對側。