TWI290371B - Method for manufacturing thin film transistors - Google Patents

Description

1290371 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於4膜電晶體（出出Hlm transist〇r， TFT)，尤其是關於一種製作薄膜電晶體的方法。 【先前技術】 平面(flat panel)電子顯示器在許多電子媒介已愈來愈 普及，因為此種顯示器有彈性（flexibility)、輕巧 (lightweight)、和堅固(mechanically robust)的特色。平面電 子顯示器的這些潛能和塑膠基板上的其他裝置已經大幅 投注在有關新材質與改善製作薄膜電晶體之製程上的研 究。 隨著薄膜電晶體之主動元件應用的多元化要求，具 備低溫成膜、對基板低選擇性、與直接圖案化是薄膜電 曰曰體在應用上具競梦性製程的基本條件。除此之外，此 φ 主動元件需提供簡單且同時適用於玻璃基板及塑膠基板 的應用，來達到可大面積且低成本製作的優勢。 近年來，以液相成膜方法去製作薄膜電晶體，來精 確控制材料成分並滿足低洚製程、高薄膜品質且成本低 廉的要求’已開始逐漸成為主流。 通常’薄膜電晶體可分為兩類的結構，逆交錯型 (inverted staggered)和交錯型(co-pianar)。如第一圖所示， 6 交錯型的薄膜電晶體結構在主動通道層（active channel layer) 101的頂部具有一閘極電極(gate electrode)。相反 的，反交錯型的薄膜電晶體結構在閘極電極的頂部具有 一主動通道層20ί，如第二圖所示。 這些傳統薄膜電晶體通常是由一層薄的非晶系的矽 (amorphous Si，a-Si)或是多晶矽(polycrystalline Si，poly-Si) 形成的。一般是以濺鑛（sputtering)或化學蒸鑛(chemical vaporization deposition，CVD)來製作非晶系薄膜，而以低 壓化學蒸鍍(low-pressure CVD，LPCVD)來製作多晶矽薄 膜。化學蒸鍍或是低壓化學蒸鍍的蒸鍍溫度皆相當高。 利用化學蒸鍍的蒸鍍溫度大約在350°C。利用低壓化學蒸 鍍的蒸鍍溫度則在500-650°C的範圍内。此不僅在能源耗 費上很南’並且在面板基板(p^elsubstrate)的選擇和面板 大小(panelsize)的應用上，都有相當的限制性。 為了付合低溫製程的需求，利用化學溶液(chemical solution)製作薄膜電晶體的方法因應而生。在1997年， Dimidrakopoulos等人在美國專利5 946,551號的文獻 裡’揭露了使用有機半導體材料來製作薄膜電晶體的主 動層。此有機薄膜電晶體的缺點是它的性能，例如開啟 電"丨l I?n和關閉電流i〇ff時的負載遷移率(carrier m〇biiity) 和比率(ratio)，比無機薄膜電晶體差。 1290371 在1999年，Gan等人在美國專利6,225，M9號的文獻 裡，揭露了使用特性較好的CdS或CdSe之無機半導體材 料作為薄膜電晶體的主動層。此技術首先以一化學浸浴 沉積(chemical bath deposition，CBD)法將薄膜電晶體的主 動層沉積。然後，利用黃光和蝕刻製程，將主動半導體 層(active semiconductor layer)圖案化(patterned)。此種薄膜 電晶體的製造方法需要一道在400°C的退火步驟 (annealing step)。並且，其製程中由於參與了毒性的材料 (toxic material)，在應用上限制較多。 為了符合可撓式基板(flexible substrate)之低溫製 程，以及維持與非晶系的矽有同等效能的需求，Carcia 等人在 2003 年之 “Appl· Phys· Lett·，VoL 82, No· 7，117，，的 文獻裡，提出了 ZnO以傳統真空鍍覆(rf magnetron sputtering)於系晶片製成薄膜電晶體元件的方法。雖然低 溫溶液沉積ZnO之相關研究已逐漸受重視，目前仍處於 半導體特性研究階段，該方法實際應用於製作薄膜電晶 體元件則未見著墨。 根據低溫需求與環保的考量，未來製作薄膜電晶體 元件的材料相信會著眼於多元金屬氧化物(metal oxides) 和 τ% 電韦數材料(high dielectric constant material)上。薄 膜元件製作的材料將扮演一個重要的角色，並且將會導 技術發展的方向。 8 •1290371 【.發明内容】 本發日歧服Jl述傳統以基礎之_I晶體的缺 點。其主要目的為提供一種製作薄膜電晶體的方法。此 薄膜電晶體的製作方法包含在_基板上，形成_閘極電 極、一閘極絕緣層（insulator)、一主動通道㈣ channel)、一汲極電極(drain dectr〇de)和一源極電極 - (source electrode)。此製作方法可應用在逆交錯型和交錯 型的薄膜電晶體結構。逆交錯型和交錯型之薄膜電晶體 鲁 結構的製作方法分別載述於兩個較佳實施例裡。 本發明強調使用金屬氧化物或π_νι化合物半導體 (compound semiconductor)和低溫化學浸浴沉積，來形成 主動層。在化學浸浴沉積的過程裡，經由控制溶液溫度 與酸鹼值(PH值），主動通道層選擇性地被沉積在浸浴於 溶液裡的基板上。被沉積之薄膜的性質可以藉由變化此 薄膜元件的組合適當地被調整。經由此化學浸浴沉積法 • 選擇性地沉積，得以完成此主動通道層的圖案化。 本發明沉積之溶液溫度範圍為2(rc_9(rc。低溫的沉 積溫度容許使用可撓式基板，例如塑膠基板。並且具有 無基板大小的適用限制、低製造成本和環境安全等優 點。甚且，如果同時處理多個面板，則可大幅降低製造 成本。 9 .1290371 茲配合下列圖示、實施例之詳細說明及申請專利範 圍，將上述及本發明之其他目的與優點詳述於後。 【實施方式】 本發明之第一實施例裡，說明逆交錯型薄膜電晶體 的製作。此逆交錯型薄膜電晶體的製作方法包括在基板 上形成一閘極電極、一閘極絕緣體、一主動通道層、一 及極電極和-源極電極。第三A圖_第三D圖說明根據本 發明之交錯型薄膜電晶體的製作流程。第三A圖為逆交 錯型薄膜電晶體結構的一個剖面示意圖，此薄膜電晶體 之基板上備有一閘極電極、一絕緣體、一主動通道、一 汲極電極和一源極電極。 第三A圖中包含下列的製作步驟。(al)沉積一第一導 體層和圖案化此第一導體層，以形成一閘極電極3〇2於 一基板301上。（a2)在閘極電極302和一部分的基板3〇1 上，沉積和圖案化一高介電常數(high-dielectrioconstam) 絕緣層303。（a3)沉積一第二導體層和圖案化此第二導體 層，以形成一源極電極304、一汲極電極305、連接電路 (未示於圖式），和介於源極電極304與汲極電極305之間 的一開通道(〇penchannel)310。換句話說，一主動通道區 域被定義在閘極電極302之上，和介於源極電極304與 汲極電極305之間。 10 弟二B圖為弟三A圖之薄膜電晶體經表面處理後的一 個剖面示意圖。第三B圖中包含下列的製作步驟。沉積 和圖案化一光阻層306，以形成一開區域320於開通道的 頂部，並且作一表面處理，以增加至開區域320上表面 之接、續層的附著性。此表面處理可以是電聚姓刻(plasma etching)或是利用化學反應(chemical reaction)方法，植入 觸媒奈米粒（nanostructure catalyst)於此開表面（open channel) 〇 第三C圖為第三B圖之薄膜電晶體經成長一化學浸 浴沉積膜後的一個剖面示意圖。第三B圖中包含下列的 製作步驟。利用一低溫溶液方法，選擇性地形成一主動 通道層307於光阻層306之開區域的上方，其中此主動 通道層307覆蓋該源極電極3〇4與該汲極電極3〇5。最 後，本發明剝除(strip)光阻層306並清洗(clean)主動通道 層307，如第三D圖所示。 本發明之第二實施例裡，說明交錯型薄膜電晶體的 製作。第四A圖-細D圖說明此交錯型薄膜電晶體的製 作流程。此交錯膜電晶體的製作方法包括光阻層圖 案化、表面處理、化學浸浴沉積薄膜成長、光阻層剝除、 沉積與圖案化-絕緣層，以及祕電極、源極電極與問 極電極的形成。 1290371 printing)、微接觸(micro contact)印刷、旋轉塗佈（spin coating)等技術。這些導體層的材料可從銀(Ag)、銅(Cu)、 金(Au)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、鋁(A1)、鎢(W)' 鎳(Ni)、始(pt) 材料或電阻值小於1〇-6Ω^ιη之導電性高分子薄膜，或上 述混合物中選出。 絕緣層（閘極絕緣層）的製作方法有多種，包括利用陽 極處理(anodisation process)、電漿強化化學蒸鍍(plasma enhanced CVD)、真空鍍覆、電子搶沉積（e_gun deposition)、噴墨印刷、微接觸印刷、旋轉塗佈等技術。 絕緣層可以是無機或有機類材料或其多層結構；其中無 機類涵蓋Si〇2、SiNx、Al2〇3、Ta2〇5。有機類材料涵蓋 Pl(polyimide)、壓克力系(Poly acryiate)材料。由於本發明 採用低溫處理過程，基板材料可以是矽晶片（silic〇n wafer)、玻璃基板或可撓式基板。 本發明的製作方法強調使用金屬氧化物或ΙΙΛα化合 物半導體和低溫化學浸浴沉積，來形成主動層。金屬氧 化物包括，但不限於，ZnO、Sn〇2和Ti02。由週期表 (periodic table)裡第II行和第VI行形成的ΐΐ-νι化合物半 導體或其他特定元素也有相同的功效。第Η行和第VIr 形成的II-VI化合物半導體或其他特定元素包括，但不限 於，硫(S)、硼(B)、鎂(Mg)、錫(Sn)、鋁(A1)等。被沉積 之薄膜的性質可以藉由變化此薄膜元件的組合適當地被 14 .1290371 調整。 本發明之實施例已經製造和測試出優良品質的薄膜 電晶體。第六圖說明一個具有以化學浸浴沉積而成之Zn〇 主動通道層的典型薄膜電晶體的實驗結果，所示為五個 閘極電壓之汲極電流對汲極電壓的曲線圖。從第六圖明 顯看出’電晶體的飽和行為(saturati〇n behavior)和合理的 驅動能力(driving capability)。 綜上所述，本發明提供一種製作薄膜電晶體的方 法。此薄膜電晶體可以是逆交錯型或是交錯型。不論是 逆交錯型或是交錯型之薄膜電晶體裡的主動通道層是利 用-種低溫的化學浸浴沉積絲形成。製造薄膜電晶體 的過程包括主動通親域的定義、主動通道層的成長和 清洗。

惟，以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當 不能以此限定本發明實施之制^即大凡依本發明申= 專利範_作之鱗變化與修飾，韻補本發明專利 涵盖之範圍内。 15 1290371 '【圖式簡單說明】 第-圖為傳統之逆交錯型之薄膜電晶體結構的一個示意 圖。 第二圖為傳統之交錯型薄膜電晶體結構的—個示意圖。 ‘ 第三A _逆交錯型軸電晶體結構的-個剖面示意 ®，此薄膜電晶體之基板上備有一閘極電極、一絕緣體、 一主動通道、一汲極電極和一源極電極。 • 帛三B圖為第三AS1之驗電晶體經表面處理後的，個 剖面示意圖。 第三C圖為第三B圖之_電晶體經成長_化學浸浴沉 積膜後的一個剖面示意圖。 帛三D ®為本發明之第_實關之逆交錯㈣膜電晶體 的一個剖面示意圖。 第四A ®為交錯型細電晶體經光阻瞧化和表面處理 $ 後的一個剖面示意圖。 第四B圖為第四A圖之交錯型薄膜電晶體形成一主動通 道層後的一個剖面示意圖。 » .第四C圖為第四B圖之交錯型薄膜電晶體經成長一絕緣 層後的一個剖面示意圖。 第四D圖為本發明之第二實施例之交錯型薄膜電晶體的 一個剖面示意圖。 第五圖為化學浸浴沉積過程中的一個裝置。 16 1290371 第六圖根據本發明之ZnO薄膜電晶體中，汲極電流對汲 極電壓的曲線圖。 •【主要元件符號說明】 101主動通道層 201主動通道層 202邊緣電場方式 301基板 302閘極電極 303絕緣層 304源極電極 305汲極電極 306光阻層 307主動通道層 401基板 402光阻 403主動通道層 404絕緣層 405源極電極 406及極電極 407閘極電極 17

Claims (1)

1. .1290371 十、申請專利範圍： 乂年&月日修便)正替換頁 -種製作薄膜電晶體的方法，包含下列步驟： 沉積-第-導體層且嶋化該第—導體層，以形成一閘 極電極於一基板上； 沉積和圖案化一高介電常數絕緣層於該閘極電極和一 部分的該基板上； 沉積-第二導縣且_化此第二導_，以形成一源

   極電極、一沒極電極、連接電路，和介於該源極電極與 該没極電極之間的一開通道； 沉積和圖案化-光阻層，以形成—開區域於該開通道的 頂部，並且作一表面處理，以增加至該開區域上表面之 接續層的附著性； 利用一低溫溶液方法，選擇性地形成一主動通道層於該 光阻層之該開區域的上方，其中該主動通道層覆蓋該源 極電極與該沒極電極；以及

   剝除該光阻層並清洗該主動通道層。 2·如申請專纖丨項所述之製作雜電晶體的方法， 其中該低溫溶液法是一種化學浸浴沉積過程，且該化學 浸浴沉積的過程係由溶液溫度與酸鹼值來控制。 3. 如申請專利範圍第2項所述之製作薄膜電晶體的方法， 其中該溶液溫度的範圍為耽―9〇〇c，該酸驗值的範圍 為 6-12。 4. 如申請專利範圍第i項所述之製作薄媒電晶體的方法， 其中該主動通道層係選自金屬氧化物和化合物半導體 18 1290371 的群裡。

   5·如申請專利範圍第4項所述之製作薄膜電晶體的方法， 其中該金屬氧化物係選自ZnO、Sn02和Ti02。 6·如申請專利範圍第4項所述之製作薄膜電晶體的方法， 其中該化合物半導體係II-VI化合物半導體。

   7·如申請專利範圍第4項所述之製作薄膜電晶體的方法， 其中該化合物半導體係選自硫、硼、鎂、錫、鋁的群裡。 8·如申請專利範圍第1項所述之製作薄膜電晶體的方法， 其中該基板係一矽晶片、或一玻璃基板或一可撓式基 板0 9·如申請專利範圍第1項所述之製作薄膜電晶體的方法， 其中該第-導體層和該第二導體層的材料係選自銀、 銅、金、翻、鉻、紹、嫣、鎳和翻的群裡。 10·如申請專利範圍第i項所述之製作薄膜電晶體的方法， 其中該第一導體層和該第二導體層有_小於10七咖之 電阻值。

   11·如申請專利範圍第丨項所述之製作薄膜電晶體的方法， 其中該第4體層和該第二導體層的製作方法係選自電 著、無電鍍、喷墨印刷、微接觸印刷和旋轉塗佈的_。 12.如申請專利顧第丨項所述之製作_電晶體的方法， 其中該絕緣層的形成係選自陽極處理、電黎強化化風蒸 鍵、真空«、電子搶沉積、喷墨印刷、微接觸‘二 轉塗佈之其中一種方法。 19 1290371 /Γ干‘〒卿正替换頁 13.如申請專利範圍第1項所述之製作薄膜電晶體的、 其中該絕緣層的材料係選自Si〇2、siNx、Ai2〇3 n polyimide和壓克力系材料的群裡。 25 14.如申請專利範圍第1項所述之製作薄膜電晶體的方法， 其中該表面處理是以電漿钱刻或是利用化學反應方法之 其中之一。 15· —種製作薄膜電晶體的方法，包含下列步驟·· 沉積與圖案化-光阻，以在一基板上露出一主動通 道，並作一表面處理，以增加至該露出的主動通道上 之接續的主動通道層的附著性； 利用一低溫溶液方法，選擇性地形成一主動通道層於 該光阻之該露出主動通道的上方； 剝除該光阻並清洗該主動通道層； 沉積與圖案化一高介電常數絕緣層，以覆蓋該主動通 道層；以及 利用一黃光製程的技術，沉積和圖案化一導體層，以形 成一源極電極、一没極電極、一閘極電極和連接電路， 其中該源極電極與該汲極電極覆蓋該主動通道層。 16. 如申請專利範圍第15項所述之製作薄膜電晶體的方 法’其中該低溫溶液法是一種化學浸浴沉積過程，且該 化學浸浴沉積的過程係由溶液溫度與酸鹼值來控制。 17. 如申請專利範圍第16項所述之製作薄膜電晶體的方 法，其中該溶液溫度的範圍為20°C-90°C，該酸鹼值的 範圍為6-12。 20 1290371 乂年6刃>7曰修狭)j L)正替换頁丨 淋执.《一—一 18·如申請專利範圍第15項所述之製作薄膜電晶體的方 法’其中該主動通道層係選自金屬氧化物和化合物半導 體的群裡。 19.如申請專利範圍第18項所述之製作薄膜電晶體的方 法，其中該金屬氧化物係選自ZnO、Sn02和Ti02。 20·如申請專利範圍第18項所述之製作薄膜電晶體的方 法’其中該化合物半導體係II-VI化合物半導體。 21·如申請專利範圍第18項所述之製作薄膜電晶體的方 法，其中該化合物半導體係選自硫、硼、鎂、錫、鋁的 群裡。 22·如申請專利範圍第15項所述之製作薄膜電晶體的方 法，其中該基板係一矽晶片、或一玻璃基板或一可撓式 基板。 23.如申請專利範圍第15項所述之製作薄膜電晶體的方 法，其中該絕緣層的形成係選自陽極處理、電漿強化化學 蒸鍍、真空鍍覆、電子搶沉積、噴墨印刷、微接觸印刷、 旋轉塗佈之其中一種方法。 24·如申請專利範圍第15項所述之製作薄膜電晶體的方 法’其中該絕緣層的材料係選自si〇2、SiNx、a12〇3、 、p〇lyimide和壓克力系材料的群裡。 25·如申睛專利範圍第I5項所述之製作薄膜電晶體的方 法’其中該表面處理是以電襞餘刻或是利用化學反應方 法之其中之一。 21