TWI460864B - 薄膜電晶體及其製造方法 - Google Patents

Description

薄膜電晶體及其製造方法

本發明是有關於一種薄膜電晶體及其製造方法，且特別是有關於一種具有蝕刻終止層的薄膜電晶體及其製造方法。

近來環保意識抬頭，具有低消耗功率、空間利用效率佳、無輻射、高畫質等優越特性的平面顯示面板(flat display panels)已成為市場主流。常見的平面顯示器包括液晶顯示器(liquid crystal displays)、電漿顯示器(plasma displays)、有機發光二極體(OLED)顯示器等。在習知的顯示器中，多採用非晶矽(a -Si)薄膜電晶體或低溫多晶矽薄膜電晶體作為各個子畫素的切換元件。近年來，已有研究指出金屬氧化物半導體薄膜電晶體相較於非晶矽薄膜電晶體具有較高的載子移動率(mobility)，而金屬氧化物半導體薄膜電晶體相較於低溫多晶矽薄膜電晶體則具有較佳的臨界電壓(threat hold voltage，V_th )均勻性。因此，金屬氧化物半導體薄膜電晶體有潛力成為下一代平面顯示器之關鍵元件。

一般來說，在金屬氧化物半導體薄膜電晶體中，會於通道層上配置蝕刻終止層，以保護通道層不會受到後續源極與汲極製程的破壞。然而，此舉使得薄膜電晶體製程必須多增加一道黃光製程，包括額外進行塗佈光阻、曝光、顯影以及顯影後檢查等步驟，導致薄膜電晶體製程的成本與時間隨之增加。

本發明提供一種薄膜電晶體的製造方法，使薄膜電晶體具有較佳的元件特性。

本發明另提供一種薄膜電晶體，其具有較佳的元件特性。

本發明提出一種薄膜電晶體的製造方法。於一基板上形成一閘極。於基板上形成一閘絕緣層，以覆蓋閘極。於閘絕緣層上形成一半導體材料層。形成一蝕刻終止材料層於閘極上方的半導體材料層上，其中蝕刻終止材料層具有一第一區塊與位於第一區塊兩側的一第二區塊，第一區塊的厚度大於第二區塊的厚度，且蝕刻終止材料層包括一有機無機混合材料。以蝕刻終止材料層為罩幕，移除部份半導體材料層，以形成一通道層。移除蝕刻終止材料層的第二區塊，以形成一蝕刻終止層，蝕刻終止層覆蓋部分通道層。於覆蓋有蝕刻終止層的通道層上形成一源極與一汲極。

本發明另提出一種薄膜電晶體。薄膜電晶體包括一基板、一閘極、一閘絕緣層、一通道層、一蝕刻終止層以及一源極與一汲極。閘極配置於基板上。閘絕緣層覆蓋閘極。通道層配置於閘絕緣層上且位於閘極上方。蝕刻終止層覆蓋部分通道層，其中蝕刻終止層的材料包括一有機無機混合材料。源極與汲極配置於覆蓋有蝕刻終止層的通道層上。

基於上述，在本發明之薄膜電晶體的製造方法中，以有機無機混合材料形成包括第一區塊與第二區塊的蝕刻終止材料層，其中第二區塊位於第一區塊兩側且具有較大的厚度。第一區塊與第二區塊作為用以定義通道層的罩幕，在移除第二區塊之後，剩餘的第一區塊作為保護通道層的蝕刻終止層。換言之，本發明以蝕刻終止材料層來定義通道層並保護通道層，以降低製作成本與時間以及提升元件特性。

為讓本發明之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。

圖1A至圖1F是依照本發明一實施例之薄膜電晶體的製造方法流程剖面示意圖。

請參照圖1A，首先，於基板100上形成閘極102。基板100例如是玻璃基板、石英基板或是其他基板。閘極102例如是單層或多層堆疊之導電材料，導電材料可以選自由銅(Cu)、鉬(Mo)、鈦(Ti)、鋁(Al)、鎢(W)、銀(Ag)、金(Au)及其合金所組成之族群中的至少一者。閘極102的形成方法可透過微影及蝕刻製程來圖案化導電材料而製作。

然後，於基板100上形成閘絕緣層104，以覆蓋閘極102。閘絕緣層104的材質例如是二氧化矽、氮化矽或是氮氧化矽等介電材料，其形成方法例如是化學氣相沈積法。

請參照圖1B，接著，於閘絕緣層104上形成半導體材料層106。半導體材料層106例如是金屬氧化物半導體材料層，包括IIB-VIA族化合物或其他金屬氧化物。IIB-VIA族化合物可以是氧化鋅(ZnO)或氧化銅(CuO)，其形成方法例如是物理氣相沈積製程或化學氣相沈積製程。在一實施例中，半導體材料層106也可以摻雜有其他元素，所摻雜的元素可選自由鹼土金屬、IIIA族、VA族、VIA族或過渡金屬所組成之族群。舉例而言，半導體材料層106的材料可以是銦鋅氧化物(InZnO)、氧化錫(SnO)、銦錫鋅氧化物(ITZO)、氧化銦(InOx)或氧化銦鎵鋅(GaInZnO)或其他一般常用於通道層的半導體材料。

請參照圖1C，然後，形成蝕刻終止材料層110於閘極102上方的半導體材料層106上，其中蝕刻終止材料層110具有第一區塊112與位於第一區塊112兩側的第二區塊114，第一區塊112的厚度t1大於第二區塊114的厚度t2，且蝕刻終止材料層110包括有機無機混合材料。詳言之，此步驟例如是先以塗佈等方式於半導體材料層106上形成一整層的蝕刻終止材料層(未繪示)，接著經由半調式光罩製程、灰調式光罩製程或經由不同曝光能量之兩張光罩製程，以形成具有第一區塊112與第二區塊114的蝕刻終止材料層110。所述的光罩製程包括對蝕刻終止材料層進行曝光與顯影等步驟。在本實施例中，第一區塊112例如是位於閘極102的正上方，以及第二區塊114例如是位於閘極102的兩側上方。第一區塊112的厚度t1例如是介於0.5微米至1.2微米，第二區塊114的厚度t2例如是介於0.5微米至0.1微米。

蝕刻終止材料層110包括有機無機混合材料，以兼具有機材料與無機材料的優點。在本實施例中，有機無機混合材料例如是包括矽氧烷化合物，其可具有下式1所示的結構，

其中R1與R2分別獨立地表示氫原子(hydrogen atom)、一至八個碳原子數的直鏈或支鏈的烷基(alkyl group)、一至八個碳原子數的直鏈或支鏈的醚基(ether group)、一至八個碳原子數的直鏈或支鏈的酯基(ester group)、一至八個碳原子數的直鏈或支鏈的烷氧基(alkoxy group)、一至八個碳原子數的直鏈或支鏈的羧基(carboxy group)或至少一個奈酚偶氮磺酸基(naphthoquinonediazide sulfoxy group)，以及n為正整數。在一實施例中，R1與R2例如是與顯影特性有關的親水基，諸如氫原子、烷基、烷氧基或酯基，主體結構是具有立體阻絕的構造且與蝕刻終止材料層110的膜特性相關，諸如氧化矽、烷基或氧。有機無機混合材料的分子量例如是小於1萬。以有機無機混合材料包括矽氧烷化合物為例，其具多變的官能性(functionality)、可撓曲、製程簡單、材料設計廣泛等有機特性，以及耐熱、耐化、透明、剛硬度佳等無機特性，使得蝕刻終止材料層110適於作為罩幕層與保護層。矽氧烷化合物的分子量小於1萬。

請參照圖1D，而後，以蝕刻終止材料層110為罩幕，移除部份半導體材料層106，以形成通道層116。在本實施例中，移除部份半導體材料層106的方法例如是濕式蝕刻製程或乾式蝕刻製程。

請參照圖1E，繼之，移除蝕刻終止材料層110的第二區塊114，以形成蝕刻終止層118，蝕刻終止層118覆蓋部分通道層116。在本實施例中，移除第二區塊114的方法例如是電漿蝕刻製程，諸如氧電漿蝕刻製程。詳言之，包括氧氣、氫氣、氮氣、氨氣或其他氣體的反應氣體會被電漿解離成具有反應性的離子，以對蝕刻終止材料層110進行非等向性蝕刻。其中，厚度t2較薄的第二區塊114會完全被移除，而裸露出閘極102兩側上方的通道層116；厚度t1較厚的第一區塊112被移除一部分後，仍覆蓋閘極102上方的通道層116，以作為蝕刻終止層118。

請參照圖1F，接著，於覆蓋有蝕刻終止層118的通道層116上形成源極120與汲極122。源極120與汲極122的材料例如是鈦、鋁、鉬或其他金屬材料，其形成方法包括薄膜沈積製程、微影製程以及蝕刻製程等製程。其中，薄膜沈積製程可以是物理氣相沉積製程或化學氣相沉積製程。值得注意的是，由於通道層116上覆蓋有蝕刻終止層118，故通道層116不會暴露於蝕刻液或去光阻液等物質中，以避免受到上述物質的損害。換言之，蝕刻終止層118在後續製程中作為保護通道層116的保護層，使通道層116具有穩定的薄膜特性，進而提升薄膜電晶體130的元件特性。

而後，在本實施例中，更包括於基板100上形成保護層124，以覆蓋源極120與汲極122並大致完成薄膜電晶體130的製作。其中，保護層124的材料例如是氮化矽，其形成方法例如是化學氣相沈積法。在其他實施例中，後續製程更包括於保護層124形成接觸插塞以分別與源極120與汲極122電性連接等步驟，由於該些步驟為所屬領域周知，故於此不贅述。

在本實施例中，是以有機無機混合材料形成包括第一區塊112與第二區塊114的蝕刻終止材料層110，其中第二區塊114位於第一區塊112兩側且具有較大的厚度。蝕刻終止材料層110作為定義通道層116的罩幕。也就是說，相較於習知需以兩道黃光製程分別定義蝕刻終止層與通道層，本實施例是以具有第一區塊112與第二區塊114的蝕刻終止材料層110作為定義通道層116的罩幕，無需額外提供用於定義通道層的光罩、進行塗佈光阻、曝光、顯影以及顯影後檢查等複雜步驟，因此省去一道黃光製程並簡化薄膜電晶體的製程步驟。此外，在移除第二區塊114之後，剩餘的第一區塊112作為保護通道層116的蝕刻終止層118，使得通道層116免於受到諸如源極與汲極等後續製程的破壞，以保持通道層116的性質不被改變。特別是，由於有機無機混合材料兼具有機材料與無機材料的特性，相較一般聚醯亞胺(PI)與丙烯酸(acrylic)系列有機光阻，其具有高抗水氧，耐熱阻及高穿透率之優點，因此蝕刻終止材料層適於作為前述的罩幕層以及保護層。因此，以本實施例之製造方法所製作的薄膜電晶體具有較低的製作成本與製作時間以及較佳的元件特性。

綜上所述，在本發明之薄膜電晶體的製造方法中，以有機無機混合材料形成的蝕刻終止材料層具有厚度不同的第一區塊與第二區塊，第一區塊與第二區塊一起作為定義通道層的罩幕，且在移除第二區塊後，剩餘的第一區塊仍保留於通道層上作為蝕刻終止層。因此，本發明之薄膜電晶體的製造方法可省去用以定義通道層的黃光製程，因而可減少薄膜電晶體製造過程中所需的光罩數目並省略光阻塗佈等製程，以降低製作成本且提升製程效率。此外，由於第一區塊作為保護通道層的蝕刻終止層，能避免通道層的特性受到後續製程(諸如源極與汲極製程)中所用的溶劑或氣體等影響，進而提升薄膜電晶體的元件特性與良率。如此一來，採用本發明之薄膜電晶體的製造方法製作的薄膜電晶體，諸如金屬氧化物薄膜電晶體，具有較低的製作成本、較高的產率與良率以及較佳的元件特性，且採用此薄膜電晶體作為驅動元件的顯示器，諸如主動矩陣有機發光二極體(active matrix organic light-emitting diode,AM-OLED)顯示器，具有顯示品質佳、電性穩定以及生產成本較低等優點。

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，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故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。

100．．．基板

102．．．閘極

104．．．閘絕緣層

106．．．半導體材料層

110．．．蝕刻終止材料層

112．．．第一區塊

114．．．第二區塊

116．．．通道層

118．．．蝕刻終止層

120．．．源極

122．．．汲極

124．．．保護層

130．．．薄膜電晶體

t1、t2．．．厚度

圖1A至圖1F是依照本發明一實施例之薄膜電晶體的製造方法流程剖面示意圖。

100．．．基板

102．．．閘極

104．．．閘絕緣層

110．．．蝕刻終止材料層

112．．．第一區塊

114．．．第二區塊

116．．．通道層

t1、t2．．．厚度

Claims (11)

1. 一種薄膜電晶體的製造方法，包括：於一基板上形成一閘極；於該基板上形成一閘絕緣層，覆蓋該閘極；於該閘絕緣層上形成一半導體材料層；形成一蝕刻終止材料層於該閘極上方的該半導體材料層上，其中該蝕刻終止材料層具有一第一區塊以及連接於該第一區塊兩側邊的一第二區塊，該第二區塊對應於該閘極的兩側上方，該第一區塊的厚度大於該第二區塊的厚度，且該蝕刻終止材料層包括一有機無機混合材料；以該蝕刻終止材料層為罩幕，移除部份該半導體材料層，以形成一通道層；移除該蝕刻終止材料層的該第二區塊，以形成一蝕刻終止層，該蝕刻終止層覆蓋部分該通道層；以及於覆蓋有該蝕刻終止層的該通道層上形成一源極與一汲極。
2. 如申請專利範圍第1項所述之薄膜電晶體的製造方法，其中該有機無機混合材料包括矽氧烷化合物。
3. 如申請專利範圍第2項所述之薄膜電晶體的製造方法，其中該矽氧烷化合物具有下式1所示的結構， 其中R₁ 與R₂ 分別獨立地表示氫原子、一至八個碳原子數的 直鏈或支鏈的烷基、一至八個碳原子數的直鏈或支鏈的醚基、一至八個碳原子數的直鏈或支鏈的酯基、一至八個碳原子數的直鏈或支鏈的烷氧基、一至八個碳原子數的直鏈或支鏈的羧基或至少一個奈酚偶氮磺酸基，以及n為正整數。
4. 如申請專利範圍第3項所述之薄膜電晶體的製造方法，其中該矽氧烷化合物的分子量小於1萬。
5. 如申請專利範圍第1項所述之薄膜電晶體的製造方法，其中該有機無機混合材料的分子量小於1萬。
6. 如申請專利範圍第1項所述之薄膜電晶體的製造方法，其中形成該蝕刻終止材料層之步驟係經由一半調式光罩製程、一灰調式光罩製程或經由不同曝光能量之兩張光罩製程。
7. 如申請專利範圍第1項所述之薄膜電晶體的製造方法，其中移除該蝕刻終止材料層之該第二區塊的方法包括一電漿蝕刻製程。
8. 如申請專利範圍第1項所述之薄膜電晶體的製造方法，其中移除該蝕刻終止材料層之該第二區塊的方法包括一氧電漿蝕刻製程。
9. 一種薄膜電晶體，包括：一基板；一閘極，配置於該基板上；一閘絕緣層，覆蓋該閘極；一通道層，配置於該閘絕緣層上且位於該閘極上方；一蝕刻終止層，覆蓋部分該通道層，其中該蝕刻終止 層的材料包括一有機無機混合材料，該有機無機混合材料包括矽氧烷化合物，其中該矽氧烷化合物具有下式1所示的結構， 其中R₁ 與R₂ 分別獨立地表示氫原子、一至八個碳原子數的直鏈或支鏈的烷基、一至八個碳原子數的直鏈或支鏈的醚基、一至八個碳原子數的直鏈或支鏈的酯基、一至八個碳原子數的直鏈或支鏈的烷氧基、一至八個碳原子數的直鏈或支鏈的羧基或至少一個奈酚偶氮磺酸基，以及n為正整數；以及一源極與一汲極，配置於覆蓋有該蝕刻終止層的該通道層上。
10. 如申請專利範圍第9項所述之薄膜電晶體，其中該矽氧烷化合物的分子量小於1萬。
11. 如申請專利範圍第9項所述之薄膜電晶體，其中該有機無機混合材料的分子量小於1萬。