CN101060137A - 薄膜晶体管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种薄膜晶体管，其包括基板、底部层、铜栅极、栅绝缘层、沟道层与源极/漏极。底部层设置在基板上。铜栅极设置在底部层上。栅绝缘层覆盖铜栅极与底部层。沟道层设置在栅绝缘层上，并位于铜栅极上方。源极/漏极设置在铜栅极上方的沟道层的两侧。本发明的薄膜晶体管通过底部层的设置，而解决铜栅极与基板之间附着力不佳的问题。

Description

薄膜晶体管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种有源元件(active device)及其制造方法，特别是涉及一种薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)及其制造方法。

背景技术

近年来，由于光电技术与半导体制造技术的成熟，带动了平面显示器的蓬勃发展，其中薄膜晶体管液晶显示器基于其低电压操作、操作速度快、重量轻以及体积小等优点，而逐渐成为显示器产品的主流。

薄膜晶体管液晶显示器主要由薄膜晶体管阵列基板、彩色滤光基板与位于两基板之间的液晶层所构成，其中薄膜晶体管阵列基板具有多个薄膜晶体管，并且薄膜晶体管是以矩阵的方式排列，且每个薄膜晶体管都有像素电极与其电连接。此薄膜晶体管是用来作为液晶显示单元的开关元件。其中，每一个薄膜晶体管都是在绝缘基板上依次制造栅极、沟道层、源极/漏极。

图1为一种公知薄膜晶体管的剖面示意图。请参照图1，首先，薄膜晶体管100在基板110上形成栅极120。接着，形成栅绝缘层130并覆盖住栅极120。然后，依次形成半导体材料层(图中未表示)和欧姆接触材料层(图中未表示)，再经光刻蚀刻而定义出半导体层142与欧姆接触层144。继之，再形成源极150a/漏极150b。之后，再蚀刻源极150a/漏极150b之间的欧姆接触层144，而暴露出半导体层142。

但是，当上述的薄膜晶体管100应用在大尺寸的液晶显示器时，将产生严重的时间延迟现象(RC delay)。因为在薄膜晶体管100中，其栅极120、源极150a/漏极150b所使用的金属大多是铬、铝、钼等，而且铬、铝、钼等金属具有较大的电阻系数，如铝的电阻系数即高达3.5μΩ-cm。由于电路信号传递的快慢是决定于电阻(R)与电容(C)的乘积，所以，RC值越大，电路信号的传递速度就越慢。因此，当液晶显示器的尺寸越做越大，并且金属导线的材质又具有较大的电阻系数时，其所导致的RC时间延迟(time delay)现象，将严重地限制住大尺寸液晶显示器的发展。

为解决上述RC时间延迟现象，另一公知技术中利用了具有低电阻系数的铜金属(铜的电阻系数仅有1.7μΩ-cm)来取代上述高电阻系数的铬、铝、钼等金属。但是，铜对于绝缘基板的附着力(adhesion force)较差，因此具有容易剥落的问题。所以，以铜制造金属栅极的应用就受到限制。承上所述，有人提出利用另一金属层，作为铜与绝缘基板之间的粘着层。

图2为另一种公知以双层金属层制造栅极薄膜晶体管的剖面示意图。请参照图2，薄膜晶体管200与图1的薄膜晶体管100的结构大致相同，薄膜晶体管200也具有基板210、栅极220、栅绝缘层230、半导体层242、欧姆接触层244与源极250a/漏极250b。值得注意的是，如图2所示的栅极220是由铜金属层222与另一金属层224所构成，此金属层224可以是钼或钛，通过金属层224可以使铜金属层222粘着于基板210上。

但是，如图2所示的栅极220至少需蚀刻两种金属，因此，在蚀刻液的选择上十分不容易。另外，在进行蚀刻工艺时，也可能会造成栅极220的倾斜截面(taper)的角度不佳，或是金属层224未能蚀刻完全而产生残留的现象。此外，如图2所示的金属层224也可以利用铟锡氧化物(Indium tin oxide，ITO)层来代替。但是，在蚀刻工艺完成后，铟锡氧化物层将会发生底切(undercut)的现象，而使得薄膜晶体管的制造合格率下降。

发明内容

有鉴于此，本发明之目的是提供一种薄膜晶体管，其适于解决栅极与基板之间附着力不佳的问题，并能避免利用双层金属层制造栅极而导致的各种问题。

本发明之另一目的是提供一种薄膜晶体管的制造方法，其适于解决栅极与基板之间附着力不佳的问题，并能提高薄膜晶体管的制造合格率。

为达上述或是其他目的，本发明提出一种薄膜晶体管，其包括基板、底部层(bottom layer)、铜栅极、栅绝缘层、沟道层与源极/漏极。底部层设置于基板上。铜栅极设置于底部层上。栅绝缘层覆盖铜栅极与底部层。沟道层设置栅绝缘层上，并位于铜栅极上方。源极/漏极设置在铜栅极上方沟道层的两侧。

在本发明之一实施例中，上述底部层的材质是选自于氮化硅(SiN_x)、氮氧化硅(SiON)、二氧化硅(SiO₂)、二氧化钛(TiO₂)、三氧化二铝(Al₂O₃)、二氧化锆(ZrO₂)、五氧化二铌(Nb₂O₅)、氧化钽(Ta₂O₅)、钛酸钡(BaTiO₃)、钛酸锆铅(PbZrTiO₇)及其组合中的一种。

在本发明之一实施例中，上述底部层的厚度介于50～300nm之间。

在本发明之一实施例中，上述栅绝缘层材质与底部层之材质相同。

在本发明之一实施例中，上述栅绝缘层材质与底部层材质不相同。

在本发明之一实施例中，上述沟道层包括半导体层与欧姆接触层，而欧姆接触层位于半导体层上。

为达上述或是其他目的，本发明又提出一种薄膜晶体管的制造方法，其包括下列步骤。首先，提供基板。接着，在基板上形成底部层。再来，在底部层上形成铜栅极。接着，在基板上形成栅绝缘层，且栅绝缘层覆盖铜栅极与底部层。继之，在铜栅极上方的栅绝缘层上形成沟道层。之后，在铜栅极上方沟道层的两侧形成源极/漏极。

在本发明之一实施例中，上述在基板上形成底部层的方法包括化学气相沉积法。

在本发明之一实施例中，上述在底部层上形成铜栅极的方法包括下列步骤。首先，在底部层上形成铜金属材料层。之后，图案化此铜材料金属层。而形成此铜金属材料层的方法包括蒸镀法或溅镀法。

在本发明之一实施例中，上述在铜栅极上方栅绝缘层上形成沟道层的方法包括下列步骤。首先，在栅绝缘层上依次形成半导体材料层与欧姆接触材料层。之后，图案化半导体材料层与欧姆接触材料层。

在本发明之一实施例中，上述在铜栅极上方沟道层的两侧形成源极/漏极的方法包括下列步骤。首先，在沟道层上形成源极/漏极材料层。之后，图案化源极/漏极材料层。

在本发明之一实施例中，上述在铜栅极上方沟道层的两侧形成源极/漏极之后，还包括进行一次蚀刻工艺，以移除铜栅极上方的欧姆接触层与部分半导体层。

本发明使铜栅极通过底部层而设置在基板上，进而可以避免铜栅极自基板上脱落的现象。并且，本发明只需蚀刻一种金属而形成铜栅极，因此，可以容易地选择蚀刻液，并且所形成的铜栅极的倾斜截面也将具有良好的角度。另外，底部层也可作为阻障层，进而解决铜栅极中的铜原子扩散入基板的问题。

为让本发明之上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为一种公知薄膜晶体管的剖面示意图。

图2为另一种公知以双层金属层制造栅极的薄膜晶体管的剖面示意图。

图3为本发明较佳实施例中一种薄膜晶体管的剖面示意图。

图4A～4I为本发明较佳实施例之一种薄膜晶体管制造方法的步骤流程剖面示意图。

主要元件标记说明

100、200：薄膜晶体管

110、210：基板

120、220：栅极

130、230：栅绝缘层

142、242：半导体层

144、244：欧姆接触层

150a、250a：源极

150b、250b：漏极

222：铜金属层

224：金属层

300：薄膜晶体管

310、410：基板

320、420：底部层

330、430a：铜栅极

340、440：栅绝缘层

350：沟道层

352、452a：半导体层

354、454a：欧姆接触层

360a、460a：源极

360b、460b：漏极

430：铜金属材料层

452：半导体材料层

454：欧姆接触材料层

460：源极/漏极材料层

d：厚度

具体实施方式

图3为本发明较佳实施例中一种薄膜晶体管的剖面示意图。请参照图3，此薄膜晶体管300包括基板310、底部层320、铜栅极330、栅绝缘层340、沟道层350与源极360a/漏极360b。底部层320设置在基板310上。铜栅极330设置在底部层320上。栅绝缘层340覆盖铜栅极330与底部层320。沟道层350设置在栅绝缘层340上，并位于铜栅极330上方。源极360a/漏极360b设置在铜栅极330上方沟道层350的两侧。

请参照图3，基板310例如是玻璃基板或石英基板。并且，在基板310上设置了底部层320。在一实施例中，底部层320的材质例如是选自于氮化硅(SiN_x)、氮氧化硅(SiON)、二氧化硅(SiO₂)、二氧化钛(TiO₂)、三氧化二铝(Al₂O₃)、二氧化锆(ZrO₂)、五氧化二铌(Nb₂O₅)、氧化钽(Ta₂O₅)、钛酸钡(BaTiO₃)、钛酸锆铅(PbZrTiO₇)及其组合中的一种。较佳的是，底部层320的材质可选用氮化硅，由于氮化硅具有良好的透明性质，所以底部层320的设置将不会影响到液晶显示面板(图中未表示)的透光率。

铜栅极330是设置在底部层320上。由于铜与玻璃之间的附着力较差，所以，如果将铜栅极330利用溅镀法直接制造于基板310上，将会使得铜栅极330容易从基板310上剥落。因此，通过上述底部层320的设置，可以解决铜栅极330自基板310上剥落的问题。更详细而言，利用溅镀法将铜栅极330形成于底部层320上时，可利用高温及高直流电压的条件而提高铜栅极330与底部层320之间的粘着力(adhesion force)，所以可使得铜栅极330通过底部层320而良好地设置在基板310上。另外，在本发明之一实施例中，底部层320的厚度介于50～300nm之间。由于底部层320具有厚度，所以底部层320也具有阻障层(barrier layer)的作用，而可以防止来自于铜栅极330中的铜原子扩散到基板310内。

栅绝缘层340覆盖铜栅极330与底部层320。在本发明之一实施例中，栅绝缘层340的材质与底部层320的材质可以是相同，也可以不相同。特别是，由于栅绝缘层340与底部层320共同包覆住铜栅极330，所以此结构可有效地防止铜原子的扩散。

另外，如图3所示，在本发明之一实施例中，沟道层350包括半导体层352与欧姆接触层354，而欧姆接触层354位于半导体层352上。此半导体层352例如是非晶硅层或多晶硅层，而欧姆接触层354是经过掺杂的N⁺非晶硅层或N⁺多晶硅层。而源极360a/漏极360b是设置在沟道层350的两侧，并且，源极360a/漏极360b的材质例如是金属。

综上所述，本发明之薄膜晶体管300使铜栅极330通过底部层320而设置在基板310上，由于底部层320具有粘着层的作用，所以可以避免铜栅极330自基板310上脱落。另外，底部层320也可具有阻障层的作用，而可以解决铜栅极330中的铜原子扩散入基板310的问题。再者，栅绝缘层340与底部层320一同包覆住铜栅极330，所以可有效地防止铜栅极330中的铜原子的扩散，并避免铜原子影响沟道层350的电性。

图4A～4I为本发明较佳实施例之一种薄膜晶体管制造方法的步骤流程剖面示意图。请参照图4A～4I。

首先，提供基板410，如图4A所示。此基板410可以是玻璃基板或是石英基板。

接着，在基板410上形成底部层420，如图4B所示。在本发明之一实施例中，在基板410上形成底部层420的方法例如是化学气相沉积法。较佳地是，利用等离子增强型化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)形成此底部层420，而所形成的底部层420的厚度d例如是介于50～300nm之间。

特别是，底部层420的材质例如是氮化硅(SiN_x)、氮氧化硅(SiON)、二氧化硅(SiO₂)、二氧化钛(TiO₂)、三氧化二铝(Al₂O₃)、二氧化锆(ZrO₂)、五氧化二铌(Nb₂O₅)、氧化钽(Ta₂O₅)、钛酸钡(BaTiO₃)、钛酸锆铅(PbZrTiO₇)等其中的一种或是其组合。较佳的是，底部层420的材质可以选择氮化硅。

当以氮化硅为底部层420的材质，并利用等离子增强型化学气相沉积法进行底部层420的制造时，氮化硅的成膜条件例如是如下所述。其中，等离子气体例如是使用氩气，其流量介于250～5,000sccm之间，等离子体的RF功率例如是设定在50～2,000W之间。反应室的压力例如是介于1～5torr之间，而反应温度例如是介于260～310℃之间。反应气体例如是使用硅烷(SiH₄)、氨气(NH₃)及氮气(N₂)等气体，而硅烷的流量例如是介于100～2,000sccm之间，氨气的流量例如是介于300～1,500sccm之间，且氮气的流量例如是介于750～7,500sccm之间。

再来，在底部层420上形成铜栅极430a，如图4D所示。在本发明之一实施例中，在底部层420上形成铜栅极430a的方法包括如图4C～4D的步骤。

首先，请参照图4C，在底部层420上形成铜金属材料层430。形成铜金属材料层430的方法可以是蒸镀法(evaporation)或溅镀法(sputtering)。值得注意的是，当底部层420的材质是氮化硅时，铜与氮化硅之间的附着力并不佳。所以，在本发明之一实施例中，当利用溅镀法形成铜金属材料层430时，其是利用高温及高直流功率的条件，而使得铜金属材料层430能够良好地附着于底部层420上。其中，溅镀的温度例如是介于100～300℃之间，而直流功率(DCpower)例如是介于10～40kW之间。

接着，图案化此铜金属材料层430，而形成如图4D所示的铜栅极430a。图案化此铜金属材料层430的方法例如是一般公知的光刻蚀刻工艺，其先在铜金属材料层430上形成图案化光刻胶层(图中未表示)，再以图案化光刻胶层为蚀刻掩膜，蚀刻铜金属材料层430而形成铜栅极430a。值得注意的是，本发明在形成铜栅极430a时，只需要对铜金属材料层430进行蚀刻，所以，与公知技术中图2所示的薄膜晶体管200相比而言，本发明不需蚀刻多种金属，因此，在蚀刻液的选择上较为简单。并且，铜栅极430a的倾斜截面可在60度左右，并且在蚀刻的过程中，也不会发生底切(undercut)的现象。

接着，在基板410上形成栅绝缘层440，且栅绝缘层440覆盖铜栅极430a与底部层420，如图4E所示。在本发明之一实施例中，形成栅绝缘层440的方法例如是化学气相沉积法。另外，栅绝缘层440的材质与底部层420的材质例如是相同或是不相同。值得注意的是，通过栅绝缘层440与底部层420共同包覆铜栅极430a，可防止铜栅极430a中的铜原子扩散，进而能够避免扩散的铜原子影响后续形成的沟道层450的电性。

继之，在铜栅极430a上方的栅绝缘层440上形成沟道层450，如图4G所示。在本发明之一实施例中，在铜栅极430a上方栅绝缘层440上形成沟道层450的方法包括如图4F～4G所示的步骤。

首先，请参照图4F，在栅绝缘层440上依次形成半导体材料层452与欧姆接触材料层454。在一实施例中，形成半导体材料层452与欧姆接触材料层454的方法例如是化学气相沉积法。而半导体材料层452的材质例如是非晶硅层或多晶硅层，且欧姆接触材料层454的材质例如是经过掺杂的N⁺非晶硅层或N⁺多晶硅层。

接着，图案化半导体材料层452与欧姆接触材料层454，而形成如图4G所示的沟道层450，此沟道层450具有半导体层452a与欧姆接触层454a。上述图案化半导体材料层452与欧姆接触材料层454的方法可以是一般公知的光刻蚀刻工艺，在此不予以赘述。

之后，在铜栅极430a上方沟道层450的两侧形成源极460a/漏极460b，如图4I所示。在本发明之一实施例中，在铜栅极430a上方沟道层450的两侧形成源极460a/漏极460b的方法包括如图4H～4I所示的步骤。

首先，如图4H所示，在沟道层450上形成源极/漏极材料层460。形成源极/漏极材料层460的方法例如是溅镀法，且此源极/漏极材料层460的材质例如是金属。

之后，图案化源极/漏极材料层460，而形成如图4I所示的源极460a/漏极460b。此图案化工艺可为一般公知的光刻蚀刻工艺，在此不予以赘述。值得注意的是，在本发明之一实施例中，在铜栅极430a上方沟道层450的两侧形成源极460a/漏极460b之后，更包括进行一次蚀刻工艺(图中未表示)，以移除铜栅极430a上方的欧姆接触层454a与部分半导体层452a，而形成如图3所表示的薄膜晶体管300。

综上所述，本发明薄膜晶体管及其制造方法具有下列优点：

(1)本发明之薄膜晶体管通过底部层的设置，可以解决铜栅极与基板之间附着力不佳的问题，进而可以避免铜栅极自基板剥落。并且，底部层具有阻障层的作用，可以避免铜栅极中的金属原子扩散入基板内。

(2)通过底部层的设置，在进行蚀刻工艺而形成铜栅极时，可只蚀刻一种金属，而使得在蚀刻液的选择上较为简单。

(3)本发明之薄膜晶体管的制造方法，其在进行蚀刻工艺而形成铜栅极时，铜栅极的倾斜截面将具有良好的角度，并且底部层也不会发生底切的现象。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与改进，因此本发明之保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (13)

1.一种薄膜晶体管，其特征是包括：

基板；

底部层，设置在该基板上；

铜栅极，设置在该底部层上；

栅绝缘层，覆盖该铜栅极与该底部层；

沟道层，设置在该栅绝缘层上，并位于该铜栅极上方；以及

源极/漏极，设置在该铜栅极上方的该沟道层的两侧。

2.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征是该底部层的材质选自于氮化硅、氮氧化硅、二氧化硅、二氧化钛、三氧化二铝、二氧化锆、五氧化二铌、氧化钽、钛酸钡、钛酸锆铅及其组合中的一种。

3.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征是该底部层的厚度介于50～300nm之间。

4.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征是该栅绝缘层材质与该底部层材质相同。

5.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征是该栅绝缘层材质与该底部层材质不相同。

6.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征是该沟道层包括半导体层与欧姆接触层，而该欧姆接触层位于该半导体层上。

7.一种薄膜晶体管的制造方法，其特征是包括：

提供基板；

在该基板上形成底部层；

在该底部层上形成铜栅极；

在该基板上形成栅绝缘层，且该栅绝缘层覆盖该铜栅极与该底部层；

在该铜栅极上方的该栅绝缘层上形成沟道层；以及

在该铜栅极上方的该沟道层的两侧形成源极/漏极。

8.根据权利要求7所述的薄膜晶体管的制造方法，其特征是在该基板上形成该底部层的方法包括化学气相沉积法。

9.根据权利要求7所述的薄膜晶体管的制造方法，其特征是于该底部层上形成该铜栅极的方法包括：

在该底部层上形成铜金属材料层；以及

图案化该铜金属材料层。

10.根据权利要求9所述的薄膜晶体管的制造方法，其特征是形成该铜金属材料层的方法包括蒸镀法或溅镀法。

11.根据权利要求7所述的薄膜晶体管的制造方法，其特征是于该铜栅极上方的该栅绝缘层上形成该沟道层的方法包括：

在该栅绝缘层上依次形成半导体材料层与欧姆接触材料层；以及

图案化该半导体材料层与该欧姆接触材料层。

12.根据权利要求7所述的薄膜晶体管的制造方法，其特征是于该铜栅极上方的该沟道层的两侧形成该源极/漏极的方法包括：

于该沟道层上形成源极/漏极材料层；

图案化该源极/漏极材料层。

13.根据权利要求7所述的薄膜晶体管的制造方法，其特征是在该铜栅极上方的该沟道层的两侧形成该源极/漏极之后，还包括进行一次蚀刻工艺，以移除该铜栅极上方的该欧姆接触层与部分的该半导体层。

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