TW201508837A - 薄膜電晶體製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明一般有關於薄膜電晶體(TFT)及薄膜電晶體之製造方法。當複數層係使用於TFT的半導體材料時，可能導致負臨界電壓(Vth)偏移。藉由將半導體層暴露至含氧(oxygen containing)電漿及/或形成一蝕刻終止層(etch stop layer)在其上，可抵消(negate)負Vth偏移。
Description
本發明是有關於一種薄膜電晶體(thin film transistor,TFT)及TFT製造方法。
金氧半導體(例如氧化鋅(zinc oxide,ZnO)和氧化銦鎵鋅(indium gallium zinc oxide,IGZO))對於裝置製造是有吸引力的，其原因在於他們的高載體移動率、低製造溫度、及光學穿透性。由金氧半導體(metal oxide semiconductors,MO-TFTs)製成的TFTs對用於光學顯示器的主動矩陣定址機制特別有用。金氧半導體的低製程溫度允許顯示器的背面板(backplane)形成於不昂貴的塑膠基板如聚對苯二甲酸乙酯(polyethylene terephthalate,PET)和聚萘二甲酸(polyethylene naphthalate,PEN)上。氧化物半導體TFT的穿透性產生改善的畫素開口及較明亮的顯示器。
雖金氧半導體理論上具有高移動率，半導體層實際的移動率可能是個問題。更詳細地，高移動率對半導體層而言是
理論上可能的，但實際上，移動率往往最多10cm2/V-sec，這相當於低溫多晶矽。
因此，此技藝中有一種具有高移動率的金氧TFTs的需求。
本發明係有關於TFTs及TFTs之製造方法。當複數層係用於TFT的半導體材料時，可能導致負臨界電壓(Vth)偏移。藉由將半導體層暴露至含氧(oxygen containing)電漿及/或形成一蝕刻終止層(etch stop layer)在半導體層上，可抵消(negate)負Vth偏移。
在一實施例中，提出一種TFT製造方法，包含沉積一半導體層在一基板上，該基板具有一閘極及閘介電層設置在其上；將該半導體層暴露至一含氧電漿；沉積一蝕刻終止層在該半導體層上；以及形成源極及汲極在該蝕刻終止層上。
在另一實施例中，提出一種薄膜電晶體製造方法，包含沉積一半導體層在一基板上，該基板具有一閘極及閘介電層設置在其上；藉由一PECVD製程沉積一蝕刻終止層在該半導體層上，其中該PECVD製程包含維持該基板在小於約攝氏250度的溫度、於含氧氣體與含矽氣體的比例大於30：1之下傳送含氧氣體及含矽氣體、維持一腔室壓力大於約1.25托、及傳送小於3.34kW/m2的RF能量密度；以及形成源極及汲極在該蝕刻終止層上。
在另一實施例中，一種背通道(back channel)蝕刻薄膜電晶體的製造方法，包含沉積一半導體層在一基板上，該基板具有一閘極及閘介電層設置在其上；將該半導體層暴露至一含氧電漿，其中暴露包含從一含氧氣體形成一電漿，該含氧氣體係選自由O2、N2O、O3及其組合所組成的群組、其中暴露發生在小於3托的壓力、其中電漿係以大於約0.83kW/m2的RF能量密度而被點燃；形成源極及汲極在該半導體層上；以及沉積一鈍化(passivation)層在該半導體層及該源極及汲極上。
100‧‧‧腔室
102‧‧‧側壁
104‧‧‧底部
106‧‧‧噴頭
108‧‧‧狹閥開口
110‧‧‧真空幫浦
112‧‧‧背板
114‧‧‧壁架
116‧‧‧致動器
118‧‧‧基板支撐
120‧‧‧基板
122‧‧‧頂針
124‧‧‧加熱及/或冷卻元件
126‧‧‧RF返回帶
128‧‧‧RF來源
130‧‧‧遠端電漿來源
132‧‧‧氣體來源
134‧‧‧噴頭懸吊
136‧‧‧唇緣
140‧‧‧固定機制
150‧‧‧匹配網路
200、250‧‧‧TFT
202‧‧‧基板
204‧‧‧閘極
206‧‧‧閘介電層
208‧‧‧第一半導體層
210‧‧‧第二半導體層
212‧‧‧蝕刻終止
214‧‧‧源極
216‧‧‧汲極
218‧‧‧鈍化層
因此，為了對本發明之上述特徵態樣有更詳細的瞭解，本發明較具體說明除上述摘要說明外，特舉實施例供參詳，其中一些實施例並配合所附圖式作說明。然而，可注意的是，所附圖式僅述明本發明之典型的實施例，而非被認為用來限定其範圍，因本發明可允許其他均等有效之實施例。
第1圖繪示依照一實施例之製程腔室之剖面示意圖。
第2A-2C圖繪示依照一實施例之TFT 200在製造的各種階段時的示意圖。
第2D圖繪示依照另一實施例之TFT 250的示意圖。
為幫助了解，相同的參考數字係被使用(若可能的話)，以代表圖式中共同之相同元件。可了解的是，雖未特別述明，然在一
實施例中所揭露的元件也可被有利地使用在其他實施例中。
本發明係有關於TFTs及TFTs之製造方法。當複數層係用於TFT的半導體材料時，可能導致負臨界電壓(Vth)偏移。藉由將半導體層暴露至含氧(oxygen containing)電漿及/或形成一蝕刻終止層(etch stop layer)在半導體層上，可抵消(negate)負Vth偏移。
本發明係範示性地說明如後，使用於處理系統中，例如取自位於加州聖塔克拉拉(Santa Clara)AKT美國公司(應用材料公司的子公司)的電漿增強化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)系統。然而，可了解的是，本發明也可使用在包含其他公司所販售的其他系統架構。
第1圖繪示可用於執行此處所述之操作之製程腔室之剖面示意圖。此設備包含一腔室100，其中一個或多個膜可被沉積在一基板120上。腔室100一般包含側壁102、底部104、及噴頭(showerhead)106，其等定義處理空間(process volume)。基板支撐118係設置在處理空間之中。處理空間係經由一狹縫閥門(slit valve)開口108，可以進出此一處理空間，以使基板120可被傳送進出腔室100。基板支撐118可被耦接至致動器116，以升起與降下基板支撐118。頂針122係可移動地設置穿過基板支撐118，以將基板120移至及移開(to and from)基板接收表面。基板
支撐118也可包含加熱及/或冷卻元件124，以維持基板支撐118在所需的溫度。基板支撐118也可包含RF返回帶(return strap)126，以在基板支撐118的周邊提供RF返回路徑。
噴頭106係藉由一固定機制140耦接至背板112。噴頭106可藉由一個或多個固定機制140耦接至背板112，以幫助避免下垂(sag)及/或控制噴頭106的筆直/彎曲(straightness/curvature)。
氣體來源132可耦接至背板112，以提供製程氣體經過噴頭106中的氣體通道而到達噴頭106與基板120之間的製程區域。氣體來源132可包括含矽氣體供應來源、含氧氣體供應來源、含碳氣體供應來源、及其他類似物。一個或多個實施例可用的典型製程氣體包含矽烷(silane,SiH4)、乙矽烷(disilane)、氧化亞氮(N2O)、氨(NH3)、氫氣(H2)、氮(N2)、或其組合。
真空幫浦110係耦接至腔室100，以控制處理空間在所需的壓力。RF來源128可經由匹配網路150耦接至背板112及/或至噴頭106，以提供RF電流至噴頭106。RF電流產生電場於噴頭106與基板支撐118之間，以使電漿可從噴頭106與基板支撐118之間的氣體被產生。
遠端電漿來源130，例如是電感性(inductively)耦接之遠端電漿來源130，也可被耦接在氣體來源132與背板112之間。在處理基板與處理基板之間，清潔氣體可被提供至遠端電漿來源130，以使遠端電漿可被產生。來自遠端電漿的自由基(radical)
可被提供至腔室100，以清潔腔室100元件。清潔氣體可藉由提供至噴頭106的RF來源128而進一步被激發。
噴頭106可額外地藉由噴頭懸吊(suspension)134耦接至背板112。在一實施例中，噴頭懸吊134係一可撓式金屬襯套(skirt)。噴頭懸吊134可具有唇緣(lip)136，噴頭106可停放在其上。背板112可停放在與腔室側壁102耦接之壁架(ledge)114的上表面，以密封腔室100。
第2A-2C圖繪示依照一實施例之TFT 200在製造的各種階段時的剖面示意圖。TFT 200包含基板202、閘極204、及閘介電層206。第一半導體層208及第二半導體層210也被繪示。可以了解的是，當兩個半導體層被繪示時，額外的半導體層可被沉積。
可被用於基板202之合適的材料包含(但不限於)矽、鍺、矽-鍺、鈉鈣(soda lime)玻璃、玻璃、半導體、塑料、鋼或不銹鋼基板。用於閘極204之合適的材料包含鉻、銅、鋁、鉭、鈦、鉬、及其組合、或上述之透明導電氧化物(TCO)。閘極204可藉由合適的沉積技術而被形成，沉積技術例如是先執行PVD後，藉由蝕刻圖案化。可被用於閘介電層206之合適的材料包含二氧化矽、氮氧化矽、氮化矽、氧化鋁、或其組合。閘介電層206可藉由合適的沉積技術而被沉積，此沉積技術包含電漿輔助化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)。
半導體層208、210可包含金屬氧化物或金屬氮氧化
物(oxynitride)。可被使用的金屬氧化物或金屬氮氧化物包含氧化銦鎵鋅(indium gallium zinc oxide,IGZO)、銦鈦氧化物(indium-titanium oxide,ITO)、氧化銦鋅(indium-zinc oxide,IZO)、氧化銦(indium oxide)、氧化錫(tin oxide)、氧化鋅(zinc oxide)、和氧氮化鋅(zinc oxynitride)。
作為金氧半導體的具有IGZO的TFTs已呈現其極限，例如~10cm2/V-sec的低移動率與不良的臨界電壓(Vth)的控制性(controllability)。作為高移動率層之與閘介電層之間有薄IZO或ITO介面的雙層(double)(即雙重(dual))主動層TFT、並以大(bulk)IGZO層作為Vth控制層，顯示出高達100cm2/V-sec的高移動率與~0.5V的Vth。移動率與Vth對高移動率介面層(IZO或ITO)的厚度有很強的依賴性。當高移動率介面層的厚度增加時，移動率係增加而Vth具有負偏移，這表示薄的高移動率介面層厚度影響TFT的效能。在一實施例中，薄的高移動率介面層的厚度可以是約50埃(Angstrom)。無法控制高移動率介面層之厚度將導致不均勻的移動率與負Vth偏移。大面積基板可能是特別有挑戰性的。
為了同時取得高移動率與避免負Vth偏移，申請人已發展一種方法來維持合適的Von(亦即，於1E-10安培之汲電流時的閘極電壓，Vth之類似技術用語)於約0V，其藉由使用含氧電漿處理(treatment)及藉由PECVD的介電沉積(亦即，蝕刻終止層或鈍化(passivation layer)層)，以用於具有不同厚度之薄介面高移動率層(亦即，IZO或ITO)的雙層(亦即，雙重)主動層TFT。
金氧半導體TFT，例如是那些包含IGZO者，在TFT性能方面對於背通道(back channel)是非常敏感的。相對於未經含氧電漿處理的金氧半導體的原始Von，在金氧半導體背通道表面上的含氧電漿可使Von為正極性。相對於低壓沉積，蝕刻終止層的高壓沉積可使Von為正極性。
此處所述之範例，半導體層208包含高移動率金屬氧化物，高移動率金屬氧化物包含ITO、IZO、氧化銦、或氧化錫。可以了解的是，其他金屬氧化物或氮氧化物也是可以被使用的。另外，第二半導體層210包含IGZO，然可以了解的是，其他金屬氧化物或氮氧化物也是可以被思及(contemplate)。在一實施例中，第一半導體層208的厚度係介於約20埃至約200埃之間。
兩半導體層208、210的沉積之後，最上層的半導體層210可被暴露至含氧電漿。氧氣的暴露可發生在PECVD製程腔室中，特別地是如後討論之用於蝕刻終止層的相同腔室。當相同的PECVD腔室被用於含氧電漿之暴露及蝕刻終止層時，基板在製程與製程之間可保留於腔室之中。
含氧電漿處理可藉由從含氧氣體引入或產生電漿而發生，含氧氣體例如是N2O、O2、O3或其組合。暴露發生在小於3托(Torr)的壓力，而對電極或噴頭施加約大於0.83kW/m2的RF能量密度。
如第2B圖所述之實施例中，蝕刻終止212係形成
在氧氣處理後之半導體層210。蝕刻終止層被形成的方式可藉由PECVD沉積蝕刻終止層，然後將一部分的蝕刻終止層蝕刻掉，以保留蝕刻終止212。在一實施例中，蝕刻終止212可以是藉由PECVD沉積的圖案。蝕刻終止層被沉積的方式可藉由維持基板在小於約攝氏250度的溫度，及引入含矽氣體及含氧氣體，以形成矽氧化物。在一實施例中，含矽氣體包含矽烷，而含氧氣體包含N2O。含氧氣體與含矽氣體的比例大於約30。腔室壓力可被維持在大於約1.25托，而在腔室中小於3.34kW/m2的RF能量密度係施加在電極或噴頭。
應被了解的是，雖然此處之說明係參照至同時具有半導體層210的含氧電漿處理及蝕刻終止212的沉積，可以思及的是含氧電漿處理也可被單獨使用。相仿地，可以思及的是也可單獨使用蝕刻終止，而不需含氧電漿處理的存在。
在蝕刻終止212被形成後，源極及汲極214、216被形成。用於源極及汲極214、216之合適的材料包含鉻、銅、鋁、鉭、鈦、鉬、及其組合、或上述之TCOs。源極及汲極214、216可藉由合適的沉積技術而被形成，例如是先執行PVD之後，藉由蝕刻圖案化。
在背通道蝕刻TFT的例子中，此方法可在背通道蝕刻製程之後被使用於鈍化層。第2D圖繪示之TFT 250不具有蝕刻終止，而是具有形成在暴露之半導體層210(亦即，主動通道)與源極及汲極214、216上的鈍化層218。在背通道蝕刻TFT的例
子中，此處所述之含氧電漿處理係被使用，且鈍化層係被沉積，並維持基板在小於約攝氏250度的溫度及引入含矽氣體及含氧氣體，以形成矽氧化物。在一實施例中，含矽氣體包含矽烷而含氧氣體包含N2O。含氧氣體與含矽氣體的比例可大於約30。沉積期間腔室壓力可被維持在大於約1.25托，而在腔室中小於3.34kW/m2的RF能量密度係施加在電極或噴頭。
基於使用含氧電漿處理及/或蝕刻終止，複數層金氧半導體TFT的Von可被維持在適當的Von如-1V~2V，且第一高移動率層的厚度為20~200埃。第一高移動率層(亦即，半導體層208)的厚度可增加至大於50埃。半導體層208所增加的厚度可以較佳的膜厚控制性/均勻性而被沉積。如此，複數層金氧半導體TFTs可被製造成具有均勻性及可重複的TFT效能以及高移動率。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
202‧‧‧基板
204‧‧‧閘極
206‧‧‧閘介電層
208‧‧‧第一半導體層
210‧‧‧第二半導體層
214‧‧‧源極
216‧‧‧汲極
218‧‧‧鈍化層
250‧‧‧TFT
Claims (20)
- 一種薄膜電晶體製造方法，包含：沉積一半導體層在一基板上，該基板具有一閘極及閘介電層設置在其上；將該半導體層暴露至一含氧(oxygen containing)電漿；沉積一蝕刻終止層(etch stop layer)在該半導體層上；以及形成源極及汲極在該蝕刻終止層上。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該半導體層包含一金屬氧化物(metal oxide)。
- 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該金屬氧化物係選自由銦鎵鋅氧化物(indium gallium zinc oxide)、氧化鋅(zinc oxide)、氮氧化鋅(zinc oxynitride)、氧化銦鋅(indium zinc oxide)、銦鈦氧化物(indium titanium oxide)、氧化錫(tin oxide)、以及其組合所組成之群組。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該半導體層包含多個層。
- 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該多個層包含一第一金屬氧化物層及一第二金屬氧化物層，且其中該第一金屬氧化物層及該第二金屬氧化物層具有至少一選自組成(composition)或特性(property)的不同特徵，且其中該第一金屬氧化物層具有介於約20及約200埃(Angstrom)之間的厚度，該第一金屬氧化物層的厚度小於該第二金屬氧化物層的厚度。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中將該半導體層暴露至一含氧電漿包含從一含氧氣體形成一電漿，該含氧氣體選自由O2、N2O、O3及其組合所組成的群組。
- 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中暴露發生在小於3托(Torr)的壓力下。
- 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中電漿係以大於約0.83kW/m2的RF能量密度而被點燃。
- 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該蝕刻終止層係藉由PECVD製程而被形成。
- 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該PECVD製程包含維持該基板在小於約攝氏250度的溫度、於含氧氣體與含矽氣體的比例大於30：1之下傳送含氧氣體及含矽氣體、維持一腔室壓力大於約1.25托、及傳送小於3.34kW/m2的RF能量密度。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該蝕刻終止層係藉由PECVD製程而被形成。
- 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該PECVD製程包含維持該基板在小於約攝氏250度的溫度、於含氧氣體與含矽氣體的比例大於30：1之下傳送含氧氣體及含矽氣體、維持一腔室壓力大於約1.25托、及傳送小於3.34kW/m2的RF能量密度。
- 一種薄膜電晶體製造方法，包含：沉積一半導體層在一基板上，該基板具有一閘極及閘介電層設置在其上； 藉由一PECVD製程沉積一蝕刻終止層在該半導體層上，其中該PECVD製程包含維持該基板在小於約攝氏250度的溫度、於含氧氣體與含矽氣體的比例大於30：1之下傳送含氧氣體及含矽氣體、維持一腔室壓力大於約1.25托、及傳送小於3.34kW/m2的RF能量密度；以及形成源極及汲極在該蝕刻終止層上。
- 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中該金屬氧化物係選自由銦鎵鋅氧化物、氧化鋅、氮氧化鋅、氧化銦鋅、銦鈦氧化物、氧化錫、以及其組合所組成之群組。
- 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中該半導體層包含多個層。
- 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該多個層包含一第一金屬氧化物層及一第二金屬氧化物層，且其中該第一金屬氧化物層及該第二金屬氧化物層具有至少一選自組成或特性的不同特徵。
- 一種背通道(back channel)蝕刻薄膜電晶體的製造方法，包含：沉積一半導體層在一基板上，該基板具有一閘極及閘介電層設置在其上；將該半導體層暴露至一含氧電漿，其中暴露包含從含氧氣體形成一電漿，該含氧氣體係選自由O2、N2O、O3及其組合所組成的群組、其中暴露發生在小於3托(Torr)的壓力、其中電漿係以大 於約0.83kW/m2的RF能量密度而被點燃；形成源極及汲極於該半導體層上；以及沉積一鈍化(passivation)層在該半導體層及該源極及汲極上。
- 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中該金屬氧化物係選自由銦鎵鋅氧化物、氧化鋅、氮氧化鋅、氧化銦鋅、銦鈦氧化物、氧化錫、及其組合所組成之群組。
- 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中該半導體層包含多個層。
- 如申請專利範圍第19項所述之方法，其中該多個層包含一第一金屬氧化物層及一第二金屬氧化物層，且其中該第一金屬氧化物層及該第二金屬氧化物層具有至少一選自組成或特性的不同特徵。
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