TWI474487B - 氧化物半導體薄膜電晶體結構與其製作方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種氧化物半導體薄膜電晶體結構與其製作方法，尤指一種具有一圖案化半導體層之氧化物半導體薄膜電晶體結構與其製作方法。
近年來，使用氧化物半導體作為通道之薄膜電晶體提供了使用傳統矽通道的薄膜電晶體的另一選擇。由於氧化物半導體薄膜電晶體具有低溫多晶矽半導體薄膜電晶體的高載子移動率的電氣特性及非晶矽半導體薄膜電晶體的高電性均勻性，故應用氧化物半導體薄膜電晶體之液晶顯示器已漸漸成為市場上的主流產品。
請參考第1圖，第1圖繪示習知氧化物半導體薄膜電晶體結構的剖面示意圖。如第1圖所示，習知氧化物半導體薄膜電晶體結構10包含一基板11、一閘極12設置於基板11上、一半導體絕緣層13設置於基板11與閘極12上、一氧化物半導體層14設置於半導體絕緣層13上、一源極151與一汲極152分別設置於氧化物半導體層14上，且源極151與汲極152係經由蝕刻一金屬層所構成。然而，習知氧化物半導體薄膜電晶體10在進行源極151與汲極152的蝕刻製程時，位於源極151與汲極152下方之氧化物半導體層14常會因受到金屬蝕刻液之侵蝕而造成斷線或電性次臨界擺幅S.S(subthreshold swing)不佳之情形。因此，習知氧化物半導體薄膜電晶體結構10之氧化物半導體層14易受到金屬蝕刻液的侵蝕的問題需進一步改善。
本發明之目的之一在於提供一種具有一圖案化半導體層之氧化物薄膜電晶體結構，藉此保護氧化物半導體層免於受到蝕刻液的破壞，同時可獲得較低的電阻抗以形成歐姆接觸，以得到較佳的電性。
本發明之一較佳實施例提供一種氧化物薄膜電晶體結構包含一基板、一閘極設置於基板上、一半導體絕緣層設置於基板與閘極上、一氧化物半導體層設置於半導體絕緣層上、一圖案化半導體層設置於氧化物半導體層上、一源極與一汲極分別設置於圖案化半導體層上，且源極與汲極係為一金屬層所構成。
根據本發明之較佳實施例，另提供一種製作氧化物薄膜電晶體結構的方法。首先提供一基板，提供一基板，並於基板上形成一閘極。接著，於閘極上形成一半導體絕緣層。隨後，形成一氧化物半導體層於半導體絕緣層上。接著，於氧化物半導體層上形成一半導體層。再接著，於半導體層上形成一金屬層，利用濕式蝕刻的方式去除部份金屬層以形成一源極與一汲極，並暴露出部分半導體層。隨後，去除源極與汲極所暴露出之半導體層以形成一圖案化半導體層。
本發明所提供之氧化物半導體薄膜電晶體結構與其製作方法，係於氧化物半導體層與金屬層之間添加一圖案化半導體層，藉此保護氧化物半導體層免於受到蝕刻液的破壞，同時可獲得較低的電阻抗以形成歐姆接觸，以得到較佳的電性。此外，更可減少製程所需的光罩數目，同時搭配一濕式與一乾式蝕刻製程以達到降低生產成本的效果。
為了使 貴審查委員能更進一步了解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖。然而所附圖示僅供參考與輔助說明用，並非用來對本發明加以限制者。
為使熟習本發明所屬技術領域之一般技藝者能更近一步了解本發明，下文特列舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖示，詳細說明本發明的構成內容及所欲達成之功效。
請參考第2圖，第2圖繪示本發明之一較佳實施例的剖面示意圖。如第2圖所示，本實施例之氧化物薄膜電晶體結構20包含一基板21、一閘極22設置於基板21上、一半導體絕緣層23設置於基板21與閘極22上、一氧化物半導體層24設置於半導體絕緣層23上、一圖案化半導體層25設置於氧化物半導體層24上、一源極261與一汲極262分別設置於圖案化半導體層25上，且源極261與汲極262係為一金屬層26所構成。在本實施例中，氧化物半導體層24係為例如一氧化銦鎵鋅層，但不以此為限。舉例而言，氧化物半導體層24亦可為其他包含銦、鋅、錫、鎵、鉛、鍺、鎘或上述元素組合之氧化物，例如氧化銦鋅、氧化鋅錫，但不以此為限。
在本實施例中，圖案化半導體層25之作用係為在例如一濕式蝕刻製程中對下方之氧化物半導體層24發揮保護的作用，同時，在形成圖案化半導體層25的時候，利用調整製程中所使用氣體例如氬氣(Ar)、三氫化磷(PH3
)與四氫化矽(SiH4
)的體積流量比，使設置於圖案化半導體層25下方之氧化物半導體層24獲得更為良好的半導體特性。在本實施例中，圖案化半導體層25可為例如一摻雜非晶矽半導體層、一未摻雜非晶矽半導體層、一摻雜微晶矽半導體層或是一未摻雜微晶矽半導體層，但不以此為限。值得說明的是，圖案化半導體層25的選擇與設置於圖案化半導體層25上方之構成源極261與汲極262之金屬層26之材料存在有一配對組合關係。在圖案化半導體層25為摻雜半導體層例如摻雜非晶矽層的情形下，構成源極261與汲極262之金屬層26可為一單一金屬層，例如鋁、鉬、鈦、鉻、上述金屬之合金或其化合物，或一複合金屬層，例如包含鋁、鉬、鈦、鉻、上述金屬之合金或其化合物中至少兩者之複合金屬。另一方面，在圖案化半導體層25為未摻雜半導體層例如未摻雜非晶矽層的情形下，構成源極261與汲極262之金屬層26可為一單一金屬層，例如銅或是銅合金，或是一複合金屬層，例如包含銅或銅合金之複合金屬。換句話說，若在鋁、鉬、鈦、鉻、上述金屬之合金及其化合物中選擇至少一者做為構成氧化物薄膜電晶體結構20之源極261與汲極262之金屬層26，則圖案化半導體層25係為摻雜半導體層。另一方面，若選擇銅或銅合金中至少一者做為構成氧化物薄膜電晶體結構20之源極261與汲極262之金屬層26之底層，且與圖案化半導體層25相接觸時，則圖案化半導體層25則為未摻雜半導體層，例如未摻雜非晶矽層。此外，圖案化半導體層25之厚度大體上位於10奈米(nanometer)至30奈米(nanometer)之間，其中較佳係為20奈米(nanometer)，但不以此為限。
請參考第3圖至第10圖，第3圖至第10圖繪示本發明之一較佳實施例之氧化物半導體薄膜電晶體結構之製作方法示意圖。如第3圖所示，首先，提供一基板21。隨後，如第4圖所示，在本實施例中，於基板21上形成一金屬層，再利用例如一微顯影蝕刻製程，但不以此為限，對該金屬層進行蝕刻而構成一閘極22。接著，如第5圖所示，形成一半導體絕緣層23於閘極22與基板21上。然後，如第6圖所示，形成一氧化物半導體層24於半導體絕緣層23上。其中，在本實施例之製作方法中，氧化物半導體層24係利用真空濺鍍製程於半導體絕緣層23上沉積一氧化銦鎵鋅層，但不以此為限。舉例而言，氧化物半導體層24亦可為其他包含銦、鋅、錫、鎵、鉛、鍺、鎘或上述元素組合之氧化物，例如氧化銦鋅、氧化鋅錫，但不以此為限。此外，在本實施例中，氧化物半導體層24係利用一真空鍍膜製程而沉積於半導體絕緣層23上，但不以此為限，例如亦可使用一溶液成膜製程成膜於半導體絕緣層23上，或是利用其它製程加以形成。
接著，如第7圖所示，在本實施例中，利用一真空鍍膜製程形成一半導體層25於氧化物半導體層24上。其中，在本實施例中，形成半導體層25的步驟包含通入一由一惰性氣體例如氬氣(Ar)與三氫化磷(PH3
)及四氫化矽(SiH4
)所組成之混合氣體。其中，所通入之氬氣之體積流量與所通入之三氫化磷(PH3
)及四氫化矽(SiH4
)之體積流量總合之比值較佳係大於或等於5，例如通入之氬氣(Ar)之體積流量可為750標準狀態毫升/分(sccm)，通入之三氫化磷(PH3
)之體積流量可為80標準狀態毫升/分(sccm)，且通入之四氫化矽(SiH4
)之體積流量可為50標準狀態毫升/分(sccm)，但不以上述數值為限。其中，值得說明的是，在本實施例中，通入大量的惰性氣體例如氬氣(Ar)的目的係在於稀釋成膜時氫原子的濃度，以減少半導體層25在成膜時摻雜的氫原子的數量，同時使氫原子與氧化物半導體層24內的氧原子形成氫氧鍵結(O-H Bond)，而減少氧化物半導體層24內部的氧缺陷區域(oxygen deficient area)，使氧化物半導體層24可獲得較佳的半導體特性，例如高載子移動率與高電性均勻性。同時，在本實施例中，利用調整三氫化磷(PH3
)的體積流量可以使半導體層25可為一摻雜半導體層或為一未摻雜半導體層，也就是說，當不通入三氫化磷(PH3
)時，可以形成一未摻雜半導體層，其中，所通入之氬氣之體積流量與所通入之四氫化矽(SiH4
)之體積流量之比值較佳係大於或等於5，且半導體層25之材料選擇與後續形成之源極及汲極的材料搭配如上文所述。
隨後，如第8圖所示，形成一金屬層26於半導體層25上。其中，在本實施例中，構成閘極22之金屬層與金屬層26可分別為一單一金屬層，例如鋁、鉬、鈦、鉻、銅、上述金屬之合金或其化合物，或一複合金屬層，例如包含鋁、鉬、鈦、鉻、銅、上述金屬之合金或其化合物中至少兩者之複合金屬。接著，如第9圖所示，利用一濕式蝕刻去除部份之金屬層26，以形成一源極261與一汲極262，並暴露出部分半導體層25。隨後，如第10圖所示，在本實施例中，利用一乾式蝕刻方式去除半導體層25暴露出的部分，以形成一圖案化半導體層25，即完成本實施例之氧化物半導體薄膜電晶體結構20。如第10圖所示，在本實施例中，氧化物半導體層24與圖案化半導體層25之間未設置蝕刻停止層。
請另參考第11圖，第11圖係為本發明之氧化物半導體薄膜電晶體結構在不同汲極電壓(Vd)下所表現的汲極電流(Id)對閘極電壓(Vg)特性曲線圖。在第11圖中，曲線C1、曲線C2及曲線C3係在汲極電壓分別為1伏特(Voltage)、5伏特以及9伏特下所量測得之汲極電流對閘極電壓特性曲線圖。如曲線C1所示，在汲極電壓為1伏特的條件下，當本發明之氧化物半導體薄膜電晶體結構開啟時，可獲得一大體上為1×10-5
安培(A)之汲極電流，並無限流之現象。此外，隨著所提供之汲極電壓的增加，所得到之汲極電流亦隨之增加。例如，如曲線C2所示，在汲極電壓為5伏特的條件下，汲極電流具有顯著的增加；如曲線C3所示，在汲極電壓為9伏特的條件下，汲極電流大體上可到達1×10-4
安培。因此可證明依照本發明之氧化
物半導體薄膜電晶體結構之製作方法所製作之氧化物半導體薄膜電晶體結構可有效使圖案化半導體層與氧化物半導體層之間形成歐姆接觸，進而提升汲極電流，使電子遷移率(mobility)可達10.25(cm2/Vs)。
綜上所述，本發明所提供之氧化物半導體薄膜電晶體係於構成源極與汲極的金屬層與氧化物半導體層之間，增加一圖案化半導體層。利用調整圖案化半導體層成膜時所通入的氣體體積流量比率，使圖案化半導體層與氧化物半導體層之間可形成歐姆接觸以獲得較佳的半導體特性，同時可藉此保護氧化物半導體免於受到蝕刻液的破壞。圖案化半導體層亦具有提升乾蝕刻的均勻性，以提升氧化物半導體薄膜電晶體的電性特性。
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。
10、20‧‧‧氧化物半導體薄膜電晶體結構
11、21‧‧‧基板
12、22‧‧‧閘極
13、23‧‧‧半導體絕緣層
14、24‧‧‧氧化物半導體層
25‧‧‧圖案化半導體層
15、26‧‧‧金屬層
151、261‧‧‧源極
152、262‧‧‧汲極
C1、C2、C3‧‧‧曲線
第1圖繪示習知氧化物半導體薄膜電晶體結構的剖面示意圖。
第2圖繪示本發明之一較佳實施例之氧化物半導體薄膜電晶體結構的剖面示意圖。
第3圖至第10圖繪示本發明之一較佳實施例之氧化物半導體薄膜電晶體結構之製作方法示意圖。
第11圖係為本實施例之氧化物半導體薄膜電晶體結構在不同汲
極電壓(Vd)下所表現的汲極電流(Id)對閘極電壓(Vg)特性曲線圖。
20．．．氧化物半導體薄膜電晶體結構
21．．．基板
22．．．閘極
23．．．半導體絕緣層
24．．．氧化物半導體層
25．．．圖案化半導體層
261．．．源極
262．．．汲極
Claims (16)
- 一種氧化物半導體薄膜電晶體結構，包含：一基板；一閘極，設置於該基板上；一半導體絕緣層，設置於該閘極與該基板上；一氧化物半導體層，設置於該半導體絕緣層上；一圖案化半導體層，設置於該氧化物半導體層上，其中該氧化物半導體層與該圖案化半導體層之間未設置蝕刻停止層；以及一源極與一汲極，設置於該圖案化半導體層上，其中該源極與該汲極係為一金屬層所構成。
- 如申請專利範圍第1項所述之氧化物半導體薄膜電晶體結構，其中該氧化物半導體層之材料包含氧化銦鋅、氧化銦鎵鋅或氧化鋅錫。
- 如申請專利範圍第1項所述之氧化物半導體薄膜電晶體結構，其中該圖案化半導體層包含一摻雜半導體層。
- 如申請專利範圍第3項所述之氧化物半導體薄膜電晶體結構，其中該摻雜半導體層包含一摻雜非晶矽層或一摻雜微晶矽層。
- 如申請專利範圍第3項所述之氧化物半導體薄膜電晶體結構，其中構成該源極與該汲極之該金屬層包含一單一金屬層或一複合 金屬層。
- 如申請專利範圍第5項所述之氧化物半導體薄膜電晶體結構，其中該單一金屬層之材料包括鋁、鉬、鈦、鉻、其合金或其化合物，且該複合金屬層之材料包括鉬、鋁、鈦、鉻、其合金或其化合物中之至少兩者。
- 如申請專利範圍第1項所述之氧化物半導體薄膜電晶體結構，其中該圖案化半導體層包含一未摻雜半導體層。
- 如申請專利範圍第7項所述之氧化物半導體薄膜電晶體結構，其中該未摻雜半導體層包含一未摻雜非晶矽層或一未摻雜微晶矽層。
- 如申請專利範圍第7項所述之氧化物半導體薄膜電晶體結構，其中構成該源極與該汲極之該金屬層包含一單一金屬層或一複合金屬層。
- 如申請專利範圍第9項所述之氧化物半導體薄膜電晶體結構，其中該單一金屬層之材料包括銅或其合金，且該複合金屬層之一最底層之材料包括銅或合金。
- 一種製作氧化物半導體電晶體結構的方法，包含： 提供一基板；形成一閘極於該基板上；形成一半導體絕緣層於該閘極上；形成一氧化物半導體層於該半導體絕緣層上；形成一半導體層於該氧化物半導體層上；形成一金屬層於該半導體層上；以濕式蝕刻方式去除部分之該金屬層以形成一源極與一汲極，並暴露出部分該半導體層；以及去除該源極與該汲極所暴露出之該半導體層以形成一圖案化半導體層，其中該氧化物半導體層與該圖案化半導體層之間未設置蝕刻停止層。
- 如申請範圍第11項所述之製作氧化物半導體電晶體結構的方法，其中該圖案化半導體層包含一摻雜非晶矽半導體層或一摻雜微晶矽半導體層。
- 如申請範圍第12項所述之製作氧化物半導體電晶體結構的方法，其中形成該半導體層之步驟包含通入一混合氣體，該混合氣體包含氬氣、三氫化磷以及四氫化矽，且通入氬氣之一體積流量及通入三氫化磷與四氫化矽之一總體積流量之一比值大於或等於5。
- 如申請範圍第11項所述之製作氧化物半導體電晶體結構的方 法，其中該圖案化半導體層包含一未摻雜非晶矽半導體層或一未摻雜微晶矽半導體層。
- 如申請範圍第14項所述之製作氧化物半導體電晶體結構的方法，其中形成該半導體層之步驟包含通入一混合氣體，該混合氣體包含氬氣以及四氫化矽，且通入氬氣之一體積流量與四氫化矽之一體積流量之一比值大於或等於5。
- 如申請範圍第11項所述之製作氧化物半導體電晶體結構的方法，其中去除該源極與該汲極所暴露出之該半導體層以形成該圖案化半導體層係以乾式蝕刻方式進行。
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