TWI400534B - 薄膜電晶體光感測器以及製作氟矽氧碳氫化合物介電層之方法 - Google Patents

薄膜電晶體光感測器以及製作氟矽氧碳氫化合物介電層之方法 Download PDF

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Description

薄膜電晶體光感測器以及製作氟矽氧碳氫化合物介電層之方法
本發明係關於一種薄膜電晶體光感測器、一種液晶顯示面板以及一種製作氟矽氧碳氫化合物介電層之方法，尤指一種具低電阻電容負載之薄膜電晶體光感測器，一種具低介電係數凸塊結構之液晶顯示面板，以及一種製作氟矽氧碳氫化合物介電層之方法。
液晶顯示裝置為達偵測顯示面板周邊環境光的強弱變化之目的，實務上常將薄膜電晶體光感測器局部設置於顯示面板上，藉此偵測環境光之結果以自動調整顯示器背光源之光強度。然而，習知薄膜電晶體光感測器之介電層材料大多具有較差透光性，且目前用於製作之介電層材料普遍具有較高之介電係數，例如是二氧化矽(SiO2 )或氮化矽(Si3 N4 )等。值得留意的是，薄膜電晶體光感測器一旦結合高介電係數之介電層將會大幅提升感測器本身之電阻電容負載(RC Loading)效應，進一步產生嚴重延遲電訊號傳遞之缺點。也就是說，隨著元件尺寸日漸縮小與金屬導線密度升高之趨勢，如何運用低介電係數介電層以降低訊號傳遞延遲、降低功率耗損，以及避免訊號彼此間干擾之研究便顯得格外重要。有鑑於此，發展同時兼具低介電係數與高透光率特性之介電層，且將其成功運用到未來薄膜電晶體光感測器之製作乃是業界亟力發展之一重要目標。
另一方面，在習知廣視角液晶顯示器設計上，向來以多區域垂直排列技術為主流，不過值得關注的是，過去運用於多區域垂直排列之凸塊結構本身普遍具有過大之介電係數。然而，若將此具有過大介電係數之凸塊電極設置於顯示器內必然干擾顯示面板內之電力線分佈並使其發生不預期之偏折現象，因而習知廣視角液晶顯示器嚴重時會因為顯示面板內鄰近的液晶分子彼此相交而呈現出黑紋影像。有鑑於上述缺點，發展具有低介電係數之凸塊結構，以將其成功運用到多區域垂直排列技術上來解決黑紋影像缺點，乃是業界亟力發展之另一重要目標。
本發明目的之一在於提供一種具低電阻電容負載之薄膜電晶體光感測器、一種具低介電係數凸塊結構之液晶顯示面板以及一種製作氟矽氧碳氫化合物介電層之方法。
為達上述目的，本發明提供一種薄膜電晶體光感測器。上述薄膜電晶體光感測器包括一第一基板、一閘極電極、一閘極介電層、一半導體層、一源極電極與一汲極電極、一氟矽氧碳氫化合物介電層，以及一透明保護層。閘極電極設置於第一基板上。半導體層對應於閘極電極設置於閘極介電層上。源極電極與汲極電極，設置於半導體層與閘極介電層上並分別對應設置於閘極電極之兩側。氟矽氧碳氫化合物介電層設置於半導體層、源極電極與汲極電極上。透明保護層設置於氟矽氧碳氫化合物介電層上。
為達上述目的，本發明提供一種液晶顯示面板。上述液晶顯示面板包括一第一基板、一第二基板、一凸塊結構，以及一液晶層。第二基板，與第一基板相對設置。凸塊結構設置於第一基板上，其中凸塊結構包含氟矽氧碳氫化合物。液晶層設置於第一基板與第二基板之間。
為達上述目的，本發明另提供一種製作氟矽氧碳氫化合物介電層之方法。其中，製作氟矽氧碳氫化合物介電層之方法，包含下列步驟。提供一基材。進行一高密度化學氣相沉積製程，以於基材上形成一氟矽氧碳氫化合物介電層，其中高密度化學氣相沉積製程之通入製程氣體包含三甲基矽甲烷、四氟化碳、氬氣以及氧氣。
本發明之薄膜電晶體光感測器與液晶顯示面板乃藉由分別運用氟矽氧碳氫化合物介電層與包含氟矽氧碳氫化合物之凸塊結構，以形成一種具低電阻電容負載之薄膜電晶體光感測器以及一種具低介電係數凸塊結構之液晶顯示面板。其中，具低電阻電容負載之薄膜電晶體光感測器能克服習知因電阻電容負載過大效應而造成訊號失真及訊號傳遞時間延遲風險。又，具低介電係數凸塊結構之液晶顯示面板能克服習知廣視角液晶顯示面板因凸塊結構之介電係數過大所呈現異常黑紋影像。此外，本發明之製作氟矽氧碳氫化合物介電層之方法乃運用包含三甲基矽甲烷、四氟化碳、氬氣以及氧氣等之製程氣體，以進行薄膜沉積製程來形成具有低介電係數之氟矽氧碳氫化合物介電層。
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，製造商可能會用不同的名詞來稱呼同樣的元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區別元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區別的基準。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」，在此容先敘明。
請參考第1圖。第1圖為本發明薄膜電晶體光感測器之較佳實施例示意圖。如第1圖所示，本發明薄膜電晶體光感測器100包含一第一基板102、一閘極電極104、一閘極介電層106、一半導體層108、一源極電極110與一汲極電極112、一氟矽氧碳氫化合物(F-SiOC:H)介電層114，以及一透明保護層116。其中，閘極電極104設置於第一基板102上；閘極介電層106設置於第一基板102與閘極電極104上；半導體層108對應於閘極電極104設置於閘極介電層106上；源極電極110與汲極電極112，設置於半導體層108與閘極介電層106上並分別對應設置於閘極電極104之兩側；氟矽氧碳氫化合物介電層114，設置於半導體層108、源極電極110與汲極電極112上；以及透明保護層116設置於氟矽氧碳氫化合物介電層114上。又，本實施例之薄膜電晶體光感測器100可另包含一金屬電極118設置於第一基板102上，以及一抗反射層120設置於氟矽氧碳氫化合物介電層114與透明保護層116之間。在本實施例中，氟矽氧碳氫化合物介電層114本身之介電係數大體上介於2.0至2.4之間；另外，氟矽氧碳氫化合物介電層114具有高透光率特性，且其消光係數(extinction coefficient)大體上介於0.12至0.42之間，但不以此為限。在本實施例中，薄膜電晶體光感測器100之操作原理乃將照射於半導體層108上之環境光能量先轉換為光電流形式，藉此使薄膜電晶體光感測器100於操作時源極電極110與汲極電極112間所收集之總體電流因而提升，並以偵測此電流來作為計算並評估相對應之環境光強度。此外，為了提高薄膜電晶體光感測器100對環境光之敏感度，可於氟矽氧碳氫化合物介電層114上增設一抗反射層120，其中，抗反射層120包含氟矽氧碳氫化合物，且其具有大體上近乎零之消光係數。又，值得一提的是，抗反射層120之厚度較佳係小於氟矽氧碳氫化合物介電層114之厚度，但不以此為限，而抗反射層120之氧含量大體上高於氟矽氧碳氫化合物介電層114之氧含量。因此，總覽上述關於氟矽氧碳氫化合物介電層114與抗反射層120之優點，本發明所述之氟矽氧碳氫化合物介電層114與抗反射層120，相較於習知採用氮化矽(Si3 N4 )或是二氧化矽(SiO2 )等高介電係數材料所製作之介電層，可直接大幅降低薄膜電晶體光感測器內部之電容效應。簡言之，本發明薄膜電晶體光感測器100由於讓其整體之電阻電容負載(RC Loading)大幅降低，故進一步得以改善薄膜電晶體光感測器100之訊號電傳遞狀況，解決訊號傳遞的時間延遲問題。
請參考第2圖。第2圖為本發明液晶顯示面板之較佳實施例示意圖。如第2圖所示，本發明液晶顯示面板200包含一第一基板202、一第二基板204、一凸塊結構206，以及一液晶層208。其中，第二基板204與第一基板202相對設置，凸塊結構206設置於第一基板202上，且液晶層208設置於第一基板202與第二基板204之間。在本實施例中，凸塊結構206包含氟矽氧碳氫化合物，且氟矽氧碳氫化合物之介電常數大體上介於2.0至2.4之間。此外，液晶層208包含複數個液晶分子210，且液晶分子210大體上受第一基板202與第二基板204間之電場方向驅動而偏轉。如第2圖所示，第一基板202與第二基板204之間的電場可產生出電力線212，且液晶分子210可被其鄰近之電力線212驅動以進行偏轉。在本實施例中，由於本發明氟矽氧碳氫化合物之介電常數大體上為介於2.0~2.4之間，故不致使原本電力線212分佈發生嚴重偏折現象。在此情況下，分佈於凸塊結構206左右兩側之液晶分子210皆能因鄰近之電力線212而正常驅動，且液晶分子210分別於凸塊結構206左側或右側方向朝同向偏轉。又，為了清楚呈現本發明液晶顯示面板之獨特優點，請再將第3圖所繪示之廣視角液晶顯示面板示意圖作比較。如第3圖所示，廣視角液晶顯示面板300亦包含一第一基板302、一第二基板304、一凸塊結構306，以及一液晶層308，且液晶層308包含複數個液晶分子310。又，廣視角液晶顯示面板300亦另包含電力線312。然而，由於廣視角液晶顯示面板300之凸塊結構306係具有高介電常數，以致使電力線312分佈發生嚴重偏折。在此情況下，分佈於凸塊結構306左右兩側之液晶分子310被偏折之鄰近電力線312所驅動，分別於凸塊結構306之左側或右側方向朝反向偏轉，以致使鄰近液晶分子因反向偏轉而致使彼此相交而呈現黑紋影像。簡言之，本發明液晶顯示面板200由於具有包含氟矽氧碳氫化合物之凸塊結構206，因此本發明液晶顯示面板200不會產生黑紋影像。
請參考第4圖以及第5圖。第4圖為本發明製作氟矽氧碳氫化合物介電層之方法流程圖。第5圖為本發明製作氟矽氧碳氫化合物介電層結構示意圖。為了將本發明製作氟矽氧碳氫化合物介電層之方法流程圖與製作氟矽氧碳氫化合物介電層結構500示意圖作對照說明。請一併對照參考第4圖之步驟流程與第5圖所繪示之結構，本發明製作氟矽氧碳氫化合物介電層之方法流程圖包含下列三步驟：步驟400：提供一基材502，並對基材502進行一清洗步驟；步驟402：進行一高密度化學氣相沉積製程(High Density Plasma Chemical Vapor Deposition,HDPCVD)於基材502上形成一氟矽氧碳氫化合物介電層504，其中高密度化學氣相沉積製程之通入製程氣體包含三甲基矽甲烷(HSi(CH3 )3 )、四氟化碳(CF4 )、氬氣(Ar)以及氧氣(O2 )；以及步驟404：進行一退火加熱步驟。
在上述製作氟矽氧碳氫化合物介電層之方法流程圖中，於步驟400中指出之基材502可以包含玻璃基板、晶圓，以及金屬電極等，但不以此為限，且於後續步驟402所進行高密度化學氣相沉積製程之前，需先對基材進行一清洗步驟，其中清洗步驟包含化學清洗步驟，以除去微粒子、自生氧化層、有機物，以及無機物等污染，藉此使基材502具有較好之附著力。
另外，步驟402所述之氟矽氧碳氫化合物介電層504之介電常數大體上介於2.0至2.4之間，但不以此為限。氟矽氧碳氫化合物介電層504之厚度較佳大體上介於200埃()至14000埃()之間，但不以此為限。又，氟矽氧碳氫化合物介電層504之氟含量大體上介於0.5%到5.0%的範圍，但不以此為限。在製程氣體方面，步驟402所述之高密度化學氣相沉積製程之通入製程氣體流量參數較佳條件如下：三甲基矽甲烷流量約在5至100sccm(Standard cubic centimeter per minute)之間；四氟化碳流量約在5至100sccm之間；氬氣流量約在5至100sccm之間；以及氧氣流量約在5至100sccm之間。上述各氣體流量參數範圍係為製作本發明氟矽氧碳氫化合物介電層504之較佳條件，但皆並不以此為限，而可為其它流量參數之組合，以形成本發明氟矽氧碳氫化合物介電層504。值得說明的是，根據上述較佳條件所製程的氟矽氧碳氫化合物介電層504之成分組成可以表示為SiOX FY CZ HW ，其中X：1-2，Y：1-4，Z：1-2，W：1-2，但不以此為限。在本實施例中，氬氣除了具有幫助點燃電漿外，亦具有控制薄膜均勻性成長的優點。在製程溫度參數方面，本發明利用高密度化學氣相沉積製程之製程溫度大體上介於攝氏300至350度之間，但不以此為限。在製程功率參數方面，本發明利用高密度化學氣相沉積製程之製程功率大體上介於300至350瓦(watt)之間，且較佳係採用電感耦合式電漿(Inductively Coupled Plasma,ICP)源，但不以此為限。在製程壓力參數方面，本發明高密度化學氣相沉積製程之製程壓力約為1托耳(torr)，但不以此為限。
步驟404所述之退火加熱步驟之目的係以修補氟矽氧碳氫化合物介電層504之晶格損傷，使其能恢復成單晶結構並且活化摻雜物原子，以有效提供電子電洞作為傳導電流之主要載體。步驟404包含於退火加熱步驟中通入大體上約10公升之氮氣，但不以此為限。根據習知理論及製程實務上之經驗法則，退火加熱步驟所使用之退火溫度需大於高密度化學氣相沉積製程時所使用之製程溫度，以便得到較佳之退火效果。順帶一提的是，本發明退火加熱步驟之退火溫度較佳為介於攝氏400至450度之間，且加熱時間大體上持續約30分鐘，但不以此為限。簡言之，本發明製作氟矽氧碳氫化合物介電層之方法之特點為僅需結合上述步驟400、步驟402以及步驟404共三道製程，即可製作氟矽氧碳氫化合物介電層504。
綜上所述，本發明之薄膜電晶體光感測器與液晶顯示面板乃藉由分別運用氟矽氧碳氫化合物介電層與包含氟矽氧碳氫化合物之凸塊結構，以形成一種具低電阻電容負載之薄膜電晶體光感測器以及一種具低介電係數凸塊結構之液晶顯示面板。其中，具低電阻電容負載之、薄膜電晶體光感測器能克服習知因電阻電容負載過大效應所造成訊號失真及訊號傳遞的時間延遲風險。又，具低介電係數凸塊結構之液晶顯示面板能克服習知廣視角液晶顯示面板因凸塊結構之介電係數過大所呈現之異常黑紋影像。此外，本發明之製作氟矽氧碳氫化合物介電層之方法乃運用特殊氣體，以進行薄膜沉積來形成具有低介電係數之氟矽氧碳氫化合物介電層，且整個流程僅需三道製程步驟即可完成。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100．．．薄膜電晶體光感測器
102．．．第一基板
104．．．閘極電極
106．．．閘極介電層
108．．．半導體層
110．．．源極電極
112．．．汲極電極
114．．．氟矽氧碳氫化合物介電層
116．．．透明保護層
118．．．金屬電極
120．．．抗反射層
200．．．液晶顯示面板
202．．．第一基板
204．．．第二基板
206．．．凸塊結構
208．．．液晶層
210．．．液晶分子
212．．．電力線
300．．．習知廣視角液晶顯示面板
302．．．第一基板
304．．．第二基板
306．．．凸塊結構
308．．．液晶層
310．．．液晶分子
312．．．電力線
500．．．氟矽氧碳氫化合物介電層結構
502．．．基材
504．．．氟矽氧碳氫化合物介電層
400．．．流程步驟
402．．．流程步驟
404．．．流程步驟
第1圖為本發明薄膜電晶體光感測器之較佳實施例示意圖。
第2圖為本發明液晶顯示面板之較佳實施例示意圖。
第3圖為廣視角液晶顯示面板示意圖。
第4圖為本發明製作氟矽氧碳氫化合物介電層之方法流程圖。
第5圖為本發明製作氟矽氧碳氫化合物介電層結構示意圖。
100．．．薄膜電晶體光感測器
102．．．第一基板
104．．．閘極電極
106．．．閘極介電層
108．．．半導體層
110．．．源極電極
112．．．汲極電極
114．．．氟矽氧碳氫化合物介電層
116．．．透明保護層
118．．．金屬電極
120．．．抗反射層

Claims (20)

  1. 一種薄膜電晶體光感測器，其包含：一第一基板；一閘極電極，設置於該第一基板上；一閘極介電層，設置於該第一基板與該閘極電極上；一半導體層，對應於該閘極電極設置於該閘極介電層上；一源極電極與一汲極電極，設置於該半導體層與該閘極介電層上並分別對應設置於該閘極電極之兩側；一氟矽氧碳氫化合物(F-SiOC：H)介電層，設置於該半導體層、該源極電極與該汲極電極上；以及一透明保護層，設置於該氟矽氧碳氫化合物介電層上。
  2. 如請求項1所述之薄膜電晶體光感測器，其中該氟矽氧碳氫化合物介電層之介電常數介於2.0至2.4之間。
  3. 如請求項1所述之薄膜電晶體光感測器，另包含一抗反射層，設置於該氟矽氧碳氫化合物介電層與該透明保護層之間。
  4. 如請求項3所述之薄膜電晶體光感測器，其中該抗反射層包含氟矽氧碳氫化合物。
  5. 如請求項4所述之薄膜電晶體光感測器，其中該抗反射層之厚度小於該氟矽氧碳氫化合物介電層之厚度。
  6. 如請求項4所述之薄膜電晶體光感測器，其中該抗反射層之氧含量高於該氟矽氧碳氫化合物介電層之氧含量。
  7. 一種製作氟矽氧碳氫化合物介電層之方法，包含下列步驟：提供一基材；以及進行一高密度化學氣相沉積製程，以於該基材上形成一氟矽氧碳氫化合物介電層，其中該高密度化學氣相沉積製程之通入製程氣體包含三甲基矽甲烷(HSi(CH3 )3 )、四氟化碳(CF4 )、氬氣(Ar)以及氧氣(O2 )。
  8. 如請求項7所述之方法，另包含於進行該高密度化學氣相沉積製程之前，先對該基材進行一清洗步驟。
  9. 如請求項7所述之方法，另包含於進行該高密度化學氣相沉積製程之後，再進行一退火加熱步驟以修補晶格損傷。
  10. 如請求項9所述之方法，另包含於該退火加熱步驟中通入氮氣。
  11. 如請求項7所述之方法，其中該氟矽氧碳氫化合物介電層之介電常數介於2.0至2.4之間。
  12. 如請求項7所述之方法，其中該氟矽氧碳氫化合物介電層之氟 含量介於0.5%到5.0%的範圍。
  13. 如請求項7所述之方法，其中三甲基矽甲烷流量約在5至100sccm之間。
  14. 如請求項7所述之方法，其中四氟化碳流量約在5至100sccm之間。
  15. 如請求項7所述之方法，其中氬氣流量約在5至100sccm之間。
  16. 如請求項7所述之方法，其中氧氣流量約在5至100sccm之間。
  17. 如請求項7所述之方法，其中該高密度化學氣相沉積製程之製程溫度介於攝氏300至350度之間。
  18. 如請求項7所述之方法，其中該高密度化學氣相沉積製程之製程功率介於300至350瓦之間。
  19. 如請求項7所述之方法，其中該高密度化學氣相沉積製程之製程壓力約為1托耳。
  20. 如請求項9所述之方法，其中該退火加熱步驟之退火溫度介於攝氏400至450度之間。
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