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TWI393191B - 低溫薄膜電晶體製程、裝置特性、和裝置穩定性改進 - Google Patents

低溫薄膜電晶體製程、裝置特性、和裝置穩定性改進 Download PDF

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TWI393191B
TWI393191B TW098112847A TW98112847A TWI393191B TW I393191 B TWI393191 B TW I393191B TW 098112847 A TW098112847 A TW 098112847A TW 98112847 A TW98112847 A TW 98112847A TW I393191 B TWI393191 B TW I393191B
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Soo Young Choi
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Description

低溫薄膜電晶體製程、裝置特性、和裝置穩定性改進
本發明之實施例一般涉及具有穩定的電氣性能之薄膜電晶體及這種電晶體的製造方法。
薄膜電晶體(TFT’s)廣泛用於製造許多大小和類型的平板顯示器。一般來說，薄膜電晶體成層形成於基板上。一導電底部閘極層被一介電材料覆蓋，以在該導電底部閘極層和其後形成的頂部閘極層之間，支持維持一個電場。一半導體層通常形成在介電層之上。半導體層作為電子的供應者，供應電子到電晶體通道，電晶體通道是一個形成在主動層上之被摻質半導體材料。頂部閘極觸點係形成在通道層上。
在運作中，經由源極和汲極接面，一閘極電壓被施加於閘極，及一偏壓被施加於通道。閘極電壓藉由介電層通過電晶體產生一電場。電場促使電子從主動層進入通道層。當有足夠的電子遷移，一電流流經通道層。
為了確保操作TFT的可靠度，在主動層的電子移動是非常重要的。電子必須是自由的，以隨時回應一施加的閘極電壓，從主動層遷移到通道層。如果在主動層的電子移動性下降，則在通道產生電流所需的閘極電壓增加，可能導致電晶體失效。此外，特性的穩定度，例如，熱和電應力下之閾值電壓對於操作的可靠度是非常關鍵的。
因此，持續需要性能穩定且具有高電子遷移率之薄膜電晶體。
本發明之實施例一般提供一薄膜電晶體，其藉由在一基板上沉積一介電層、主動層、摻質主動層、和導電層來形成。在一實施例中，該介電是雙層的，包含：一富矽氮化矽層，其作為第一介電層；和一氮化矽層，其作為第二介電層。在另一項實施例中，該主動層是雙層的，包含：一第一非晶矽層，其以一低沉積速率沉積；及一第二非晶矽層，其以一高沉積速率沉積。在一些實施例中，該薄膜電晶體具有：一至少約1.90之折射率、一至少約0.83：1之矽氮比率、及矽氫鍵的含量約介於18原子百分比和約21原子百分比之間。
本發明之實施例亦提供一種方法，用以形成一薄膜電晶體，包含在一基板上依序形成一介電層、一主動層、一摻質主動層、和一導電層。在一些實施例中，介電層是由兩層組成，即一第一介電層和一第二介電層。在一些實施例中，該第一介電層是一富矽氮化矽層。在其他實施例中，以一低於第二介電層之沉積速率形成第一介電層。在另一項實施例中，該主動層是雙層的，包含：一第一非晶矽層，其以一低沉積速率沉積；及一第二非晶矽層，其以一高沉積速率沉積。
本發明之實施例提供一薄膜電晶體(TFT)及這種電晶體的製造方法。
圖1是一截面圖，其繪示依據本發明之一實施例的一PECVD設備。該設備包括一腔室100，其用以沉積一或多薄膜至一基板120。一合適的化學氣相沉積設備可獲取自位於美國加州聖大克勞拉市的應用材料公司。雖然下面的說明將以PECVD設備進行說明，應理解本發明也同樣適用於其他腔室，包括那些由其他製造商生產的。
腔室100一般包括腔壁102、一底部104、一蓮蓬頭106、及基座118，其界定一製程容積。製程容積可經由一個狹縫閥門開口108進入，以使基板120能被轉移進出腔室100。基座118可耦接至一致動器116，以升高和降低基座118。藉由基座118移動放置舉升銷122，以在放置到基座118之前和從基座118移除之後，支撐一基板120。基座118還可以包括加熱和/或冷卻元件124，以保持基座118在理想的溫度。基座118可能還包括接地線126，其在基座118周圍提供射頻接地。
蓮蓬頭106藉由一固定機構連接至一背板112。蓮蓬頭106可由一或多耦合支架150耦接至背板112，以幫助防止凹陷和/或控制蓮蓬頭106的直線/曲線。在一個實施例中，十二個耦合支架150可用於耦接蓮蓬頭106至背板112。耦合支架150可包括一固定機構，如，螺母，螺栓組件。在一實施例中，螺母和螺栓組件可由介電材料製成。在另一實施例中，螺栓可由金屬製成和由介電材料包圍。在另一實施例中，蓮蓬頭106可車上螺紋以接收螺栓。在又一實施例中，螺母可由一介電材料形成。介電材料有助於防止耦合支架150電性耦合可能存在於腔室100的任何電漿。此外和/或替代性地，可有一中心耦合機構將背板112耦接至蓮蓬頭106。中心耦合機構可圍繞一背板支撐環(未顯示)，並懸掛在一橋接組件(未顯示)上。蓮蓬頭106可藉由托架134另外耦接背板112。托架134可能有壁架136，用以設置蓮蓬頭106。背板112可設置在壁架114上，壁架114耦接腔壁102，以密封腔室100。
一氣源132耦合至背板112，以藉由蓮蓬頭106的氣道提供製程氣體和清潔氣體給基板120。製程氣體流動穿過一遠端電漿源/射頻扼流圈單元130。一真空泵110被耦接到腔室100的低於基座118的位置，以將製程容積保持在一預定的壓力下。一射頻電源128被耦合到背板112和/或蓮蓬頭106，以提供一射頻電流給蓮蓬頭106。射頻電流在蓮蓬頭106和基座118之間產生一電場，以從蓮蓬頭106和基座118之間的氣體產生電漿。可以使用不同頻率，例如，介於約0.3兆赫和200兆赫間的一頻率。在一個實施例中，以13.56兆赫之頻率提供射頻電流。
在製程基板之間，可提供清潔氣體給遠端電漿源/射頻扼流圈單元130，以使遠端電漿生成，並被提供來清潔腔室100的元件。來自耦合到遠端電漿源/射頻扼流圈130的微波源138之一微波電流可引發電漿。清潔氣體可進一步由提供給蓮蓬頭106的射頻電源128激發。合適的清潔氣體包括但不限於NF3 、F2 和SF6 。在基板120的頂面和蓮蓬頭106之間的間隔介於約400密爾(mil)至大約1200密爾。在一實施例中，間隔可能介於400密爾到約800密爾之間。
PECVD可用來沉積TFT的各層。圖2是一示意圖，其繪示依據本發明之一實施例的一TFT結構200。TFT結構200包括一基板202，其可以是任何其上形成有含矽介電層的任何基板。基板202可以是導電的或非導電的，而且可以是剛性的或彈性的。在一些實施例中，基板202可以是一玻璃基板。在一些實施例中，基板202可以是一經摻質或其他處理的玻璃基板。TFT結構200進一步包括一第一介電層204、一底部閘極層206、一第二介電層208、一第一主動層210、一第二主動層212、一摻質半導體層214、一金屬層216、和一鈍化層218。
TFT結構200的第一介電層204一般沉積在基板202上，以一第一沉積速率沉積達一第一厚度。在許多實施例中，TFT結構200的第一介電層204是一氮化矽層。在一些實施例中，第一介電層204可能是一個富矽氮化矽層，例如，具有一矽氮比大於約0.80：1.0之富矽氮化矽層。在另一實施例中，富矽氮化矽層可能有大於約0.83：1.0之矽氮比。在另一實施例中，富矽氮化矽層可能有大於約0.85：1.0之矽氮比。相反於人們普遍的認知：一富矽氮化矽層是「不好的氮化物」層，目前已發現，在低溫下由於增加結構中矽氫鍵的比例所造成的高缺陷密度，富矽氮化矽層可減少TFT沉積中負面的閾值電壓漂移。這些缺陷可作為電子阱，其中高密度者被認為可用來減少入侵到介電層的電子。從而減少會降低閾值電壓之負面的閾值電壓漂移。
第一介電層204可沉積達一第一厚度，其介於約1000埃()和約4000之間，如，2000和約3000之間，例如，約2800。在實施例中，第一介電層是一富矽氮化矽層，第一介電層204具有高於標準氮化矽薄膜之一折射率。標準氮化矽薄膜具有約1.8至1.9的折射率。相反的，富矽氮化矽薄膜具有約1.9或更高的折射率。在一些實施例中，折射率可介於約1.92和約1.96之間。在一些實施例中，富矽氮化矽層(例如，上文所述的一第一介電層204)可具有較氮氫鍵含量高的矽氫鍵。在其他實施例，矽氫鍵的含量可能低於氮氫鍵。例如，在一些實施例中，矽氫鍵的含量可介於約18原子百分比和約30原子百分比之間，如，約21原子百分比和約27原子百分比之間。在其他實施例中，氮氫鍵的含量可能少於約20原子百分比，如，低於約18原子百分比。
TFT結構的底部閘極層206一般沉積在第一介電層204之上或之中。底部閘極層206一般包括一金屬(如，鉻、或例如鋁釹合金之金屬合金)，並沉積介約500和約3500之厚度。底部閘極層可以是一雙層，其包含可能相同或不同的兩種金屬或合金。例如，底部閘極層可以是一雙層，其包含鉻和鋁釹合金。
第二介電層層208可包括一含有矽、氧、氮、碳或其組合之一層。例如，第二介電層208可以是氮化矽、氧化矽、或碳化矽。此外，在一些實施例中，第二介電層可以是氧氮化矽、氧碳化矽、或碳氮化矽。在實施例中，其中第二介電層208是一氮化矽層，它可能是一種計量氮化矽層，或一種富矽氮化矽層。在一些實施例中，第二介電層208的組成可能實質上類似於第一介電層。在一些實施例中，第二介電層208可能有大於第一介電層204的矽氮比。在一些實施例中，第二介電層208可能有小於第一介電層204的矽氮比。第二介電層208通常沉積達一第二厚度，其介於約200和約4000，如，介於約400和約600之間，例如，約500。第二厚度一般小於第一厚度。
第一次和第二次介電層共同構成一閘極介電層，其具有低介電常數和良好的阻障性能。此外，閘極介電層藉由TFT支援良好的電子遷移率，以及促進穩定的電氣性能。因此，形成的第二介電層最好有一較低的濕蝕刻速率，其介於約700埃/分和約3000埃/分之間，例如，介於約1000埃/分和約1500埃/分之間。
第一主動層210可以是一非晶矽層、一多晶矽層、或一氫化非晶矽層。第一主動層210一般沉積達一第三厚度，其介於約100埃和約500埃之間，例如，介於約200埃和約400埃之間，例如，約300埃。當電壓被施加於閘極時，第一主動層210一般將電子供應至摻質半導體層214。第一主動層210可以是一半導體材料(如矽或鍺、或其結合)，一摻質半導體材料(如n型摻質或p型摻質矽材料，或透明導電氧化物材料，如鋅氧化氮)。
第二主動層212也可能是一種非晶矽層，沉積達一第四厚度，其介於約1200和約2000，例如，約1400至約1800，例如，約1600。第四厚度通常大於第三厚度。第二主動層212可能具有實質上類似於第一次主動層210的構成。第二主動層212也可能是一半導體材料、一摻質半導體材料、或一透明導電氧化物，如上所述。
摻質半導體層214一般形成TFT 200的一源極區域。摻質半導體層214一般將是一n型摻質或p型摻質矽區域。例如，層214可以是一非晶矽摻質區域，其以一或多硼、磷、或砷摻質。金屬層216可被濺射到層214，並在其上形成鈍化層218。鈍化層218可能是氮化矽層。
本發明之實施例還提供一種形成類似上文所述與圖2相關之一薄膜電晶體之方法。圖3是一流程圖，其描述根據本發明實施例之一種方法300。在步驟302中，在一基板上沉積可能是一富矽氮化矽層之一第一介電層。在示例性實施例中，其中第一介電層是一個富矽氮化矽層，藉由提供一基板至如相關於圖1之內容所述的一製程腔室，以沉積第一介電層。提供一第一氣體混合至製程腔室和產生一電漿以在基板上沉積第一介電層。氣體混合一般包含：一矽源，如矽烷(SiH4 )；和一氮源，例如，氮氣(N2 )、氨(NH3 )、或其混合。此外，氫源(例如，氫氣(H2 )，以及一載氣，如氬氣(Ar))可補充第一氣體混合。在一些實施例中氨亦可作為氫源。
一般情況下，氣體混合物流進製程腔室的流率將取決於處理中基板的大小。在一些實施例中，例如，在一示例性實施例中，被處理之一基板具有68公分乘以88公分之大小，可提供流速介於約4,000 sccm至約19,000 sccm之間的第一氣體混合，例如，介於約7000 sccm至11,000 sccm之間，例如，約9000 sccm。在這樣的實施例中，SiH4 氣體之氣流介於約300到900 sccm，例如，約400 sccm至約700 sccm，例如，約550 sccm。NH3 氣體之氣流介於約600到2,400 sccm，例如，約800 sccm至約2,000 sccm，例如，約1,200 sccm。N2 氣體之氣流介於約1,000到7,000 sccm，例如，約1,000 sccm至約4,000 sccm，例如，約1,000 sccm。H2 氣體之氣流介於約3,000到9,000 sccm，例如，約5,000 sccm至約7,000 sccm，例如，約6,000 sccm。
在一些實施例中，第一氣體混合的氣流可被調配，輸送到基板的區域。例如，在一示例性實施例中，第一氣體混合可以特定的流量來提供，其介於約0.8 sccm/cm2 至約3.1 sccm/cm2 之間，例如，約1.0 sccm/cm2 至約2.0 sccm/cm2 之間，例如，約1.4 sccm/cm2 。在這樣的實施例中，SiH4 氣體之氣流介於約0.05到0.15 sccm/cm2 ，例如，約0.07至約0.11 sccm/cm2 ，例如，約0.09 sccm/cm2 。NH3 氣體之氣流介於約0.10到0.40 sccm/cm2 ，例如，約0.16至約0.24 sccm/cm2 ，例如，約0.20 sccm/cm2 。N2 氣體之氣流介於約0.17到1.1 sccm/cm2 ，例如，約0.17至約0.5 sccm/cm2 ，例如，約0.17 sccm/cm2 。H2 氣體之氣流介於約0.5到1.5 sccm/cm2 ，例如，約0.7至約1.3 sccm/cm2 ，例如，約1.0 sccm/cm2 。
此外，在一些實施例中，第一氣體混合有一特徵為：在NH3 和SiH4 (NH3 ：SiH4)間之氣體流量的比例約為0.7：1到7.4：1，例如，約1.5：1到約3.0：1，例如，約2.2：1。在N2 和SiH4 (N2 ：SiH4)間之氣體流量的比例約為1：1到21：1，例如，約1.5：1到約10：1，例如，約2：1。在N2 和NH3 (N2 ：NH3 )間之氣體流量的比例約為0.4：1到11：1，例如，約0.6：1到約4：1，例如，約0.8：1。
第一介電層一般將沉積在一第一溫度，其介於約150℃和250℃之間，例如，約200℃。較低的沉積溫度允許在各種基板上形成TFT。通常形成電漿以增強沉積，並且通常施加射頻功率至反應區以激發電漿，其中射頻功率是13.56 MHz的頻率和介於約2000瓦(W)和3800 W之間的功率水平，例如，介於約2400瓦和約3,200 W之間，例如，約2700 W。在一些實施例中，由RF所施加的特定功率可介於約0.30 W/cm2 至約0.70 W/cm2 之間，例如，約0.35W /cm2 至約0.55 W/cm2 之間，例如，約0.45 W/cm2 。施加至第一氣體混合的氣流之功率比例一般將是介於約0.2W/sccm和約0.4 W/sccm之間，例如，約0.33W/sccm。腔室內的壓力一般維持在低於約4 Torr之下，例如，介於約1.0 Torr至約3.0 Torr之間，例如，約2.1 Torr。在一些實施例中，電極和基板間的空間一般約介於450 mils和1000 mils之間，例如，約900 mils。這些條件導致第一介電層沉積的第一速率相對較高，例如，介於約700/min和約2,000/min之間，例如約1,500/min。第一介電層204可沉積達一第一厚度，其介於約1,000和約4,000之間，例如，2,000和約3,000之間，例如，約2,800。
第二介電層形成於步驟304。第二介電層可形成於相同製程腔室，以作為第一介電層，或根據個別實施例的特殊需要形成在不同的製程腔室。第二介電層可以是氮化矽、氧化矽、或碳化矽。此外，在一些實施例中，第二介電層可以是氧氮化矽、氧碳化矽、或碳氮化矽。在示例性實施例中，其中第二介電層是氮化矽層，第二介電層可以用大致相同的前驅物和製程條件，藉由類似於第一介電層的製程來形成。在一些實施例中，可改變前驅物水平，以形成一層不同的成分。例如，如相關於圖2之內容所述，如果第一介電層是一富矽氮化矽層，而第二介電層是一氮化矽層，則矽源的流速可能會降低，或氮源的流量會增加，以達成理想的薄膜組成。
在一些實施例中，可藉由提供第二次氣體混合給一製程腔室，以及產生一電漿來沉積第二介電層，以形成第二介電層。第二氣體混合一般包含：一矽源，如矽烷(SiH4 )；和一氮源，例如，氮氣(N2 )、氨(NH3 )、或其混合。此外，一氫源(例如，氫氣(H2 )，以及一載氣，如氬氣(Ar))可補充第二氣體混合。在一些實施例中氨亦可作為氫源。
一般情況下，氣體混合物流進製程腔室的流率將取決於處理中基板的大小。在一些實施例中，例如，在一示例性實施例中，被處理之一基板具有68公分乘以88公分之大小，可提供流速高於第一氣體混合之第二氣體混合，例如，介於約8,000 sccm至20,000 sccm之間，例如，介於約10,000 sccm至約18,000 sccm，例如，約14,000 sccm。在一些實施例中，第二氣體混合的流速高於第一氣體混合的流速20%至100%，例如，高於第一氣體混合的流速約60%至70%之間，例如，高於第一氣體混合的流速約65%。在其他實施例中，可以小於第一氣體混合的流速來提供第二氣體混合。在上述具有特徵基板大小之實施例中，SiH4 氣體之氣流介於約140到約360 sccm，例如，介於約200 sccm至約420 sccm之間，例如，約250 sccm。NH3 氣體的氣流介於約600至1700 sccm之間，例如，介於約800 sccm和約1300 sccm之間，例如，約1050 sccm。N2 氣體的氣流介於約4,000至10,000 sccm之間，例如，介於約6,000 sccm和約8,000 sccm之間，例如，約7,000 sccm。在這個實施例中，H2 氣體之氣流介於約3,500到約8,500 sccm之間，例如，約4,500 sccm至約7,500 sccm，例如，約6,000 sccm。
在一些實施例中，第二氣體混合之特定流速介於約1.4到3.3 sccm/cm2 ，例如，約2.0至約2.8 sccm/cm2 ，例如，約2.4 sccm/cm2 。SiH4 氣體之特定流速介於約0.02到約0.07 sccm/cm2 ，例如，介於約0.03至約0.05 sccm/cm2 ，例如，約0.04 sccm/cm2 。NH3 氣體之特定流速介於約0.10到約0.30 sccm/cm2 之間，例如，介於約0.14至約0.22 sccm/cm2 之間，例如，約0.18 sccm/cm2 。N2 氣體之特定流速介於約0.7到約1.7 sccm/cm2 之間，例如，介於約0.9至約1.5 sccm/cm2 之間，例如，約1.2 sccm/cm2 。H2 氣體之特定流速介於約0.5到約1.4 sccm/cm2 之間，例如，介於約0.8至約1.2 sccm/cm2 之間，例如，約1.0 sccm/cm2 。
此外，在一些實施例中，第二氣體混合具有之特徵為：NH3 和SiH4 (NH3 ：SiH4 )之氣體流量比例介於約1：1約12：1之間，例如，介於約2：1和約6：1之間，例如約4：1。在N2 和SiH4 (N2 ：SiH4 )間之氣體流量的比例介於約10：1到約70：1，例如，介於約25：1到約35：1，例如，約30：1。在N2 和NH3 (N2 ：NH3 )間之氣體流量的比例介於約2：1到16：1之間，例如，介於約4：1到約11：1之間，例如，約6.5：1。第二介電層通常以小於第一介電層之速率沉積。
第二介電層一般將在與第一溫度實質上相同的第二溫度下沉積，其介於約150℃和250℃之間，例如，大約200℃。通常用一電漿來加強沉積，且通常藉由施加射頻功率至反應區，其中採用13.56 MHz的頻率，和介於約900瓦(W)和2100 W的功率水平，例如，介於約1,200 W和1800 W之間，例如，約1500 W。在第二介電層的一些實施例中，由RF所施加的特定功率可介於約0.15 W/cm2 至約0.35 W/cm2 之間，例如，約0.20 W/cm2 至約0.30 W/cm2 之間，例如，約0.25 W/cm2 。施加至第二氣體混合的氣流之功率比例一般將是介於約0.09 W/sccm和約0.11 W/sccm之間，例如，約0.10W/sccm。腔室內的壓力一般維持在低於約4 Torr之下，例如，介於約0.6 Torr至約2.0 Torr之間，例如，約1.0 Torr。在一些實施例中，電極和基板間的空間一般約介於450 mils和1000 mils之間，例如，約600 mils。這些條件通常導致第二介電層的沉積速度低於第一介電層。在一些實施例中，第二介電層可以第一介電層沉積速度之約40%至60%之速度沉積。在如上所述之示例性實施例中，第二介電層的沉積速度將介於約400/min和約1000/min，例如，介於約500/min至約900/min之間，例如，約650/min。
在實施例中，其中第二介電層是一氮化矽層，它可能是一種計量氮化矽層，或一種富矽氮化矽層。在一些實施例中，第二介電層的組成可能實質上類似於第一介電層。在一些實施例中，第二介電層可能具有大於第一介電層的矽氮比。在其他實施例中，第二介電層可能具有小於第一介電層的矽氮比。第二介電層通常沉積達一第二厚度，其介於約200至約4000之間，例如，介於約400和約600之間，例如，約500。第二厚度一般小於第一厚度。
一第一介電層形成於步驟306。第一主動層可能是一非晶矽層、一多晶矽層、一氫化非晶矽層、或一透明導電氧化層，例如，氧化鋅，如上文中參照圖2所述者。第一主動層可能是一半導體材料，例如，矽或鍺；或一摻質半導體材料，例如，一n型或P型摻矽材料。在一示例性實施例中，其中第一主動層是一非晶矽層，一第三氣體混合被提供至一製程腔室，其可以是用來形成先前介電層的相同製程腔室。第三氣體混合包括一矽源，如矽烷、一烷基矽烷、一矽氧烷、一矽氮烷、一個矽醇、或其他直線或環狀矽源。第三氣體混合也可能包括與矽源不同的氫源，例如，氫氣。
在一示例性實施例中，其中矽源是矽烷(SiH4 )，而氫源是氫氣(H2 )，以及基板的尺寸相同於上述實施例，第三氣體混合的流速可以是介於約5000 sccm至約35,000 sccm之間，例如，介於約7000 sccm至約20,000 sccm之間，例如，約11,000 sccm。SiH4 氣體的氣流介於約400至約1,400 sccm之間，例如，介於約600 sccm和約1,000 sccm之間，例如，約800 sccm。H2 氣體之氣流介於約4,000至30,000 sccm之間，例如，介於約7,000 sccm至約13,000 sccm，例如，約10,000 sccm。
在一些實施例中，第三氣體混合之特定流速介於約0.8到6.0 sccm/cm2 之間，例如，介於約1.5至約2.5 sccm/cm2 ，例如，約1.8 sccm/cm2 。SiH4 氣體之特定流速介於約0.08到約0.22 sccm/cm2 之間，例如，介於約0.12至約0.16 sccm/cm2 ，例如，約0.14 sccm/cm2 。H2 氣體之特定流速介於約0.8到約5.0 sccm/cm2 之間，例如，介於約1.2至約2.5 sccm/cm2 之間，例如，約1.7 sccm/cm2 。此外，在H2 和SiH4 (H2 ：SiH4 )之間的氣流比例係介於約4：1至約60：1之間，例如，約12：1。
在一些實施例中，第一主動層將沉積於一般類似於上述層之溫度，其介於約150℃至250℃之間，例如，大約200℃。電漿之使用一般被施加以13.56MHz的射頻功率，其功率水平介於約100 W至700W之間，例如，介於約300 W至500W之間，例如，約350 W。在一些實施例中，特定功率可介於約0.017 W/cm2 至約0.12 W/cm2 之間，例如，介於約0.030 W/cm2 至約0.070 W/cm2 之間，例如，約0.057 W/cm2 。施加至第三氣體混合的氣流之功率比例一般將是介於約0.01 W/sccm至約0.04 W/sccm之間，例如，約0.03 W/sccm。處理壓力一般維持在低於約5 Torr之下，例如，介於約1.0 Torr至約5.0 Torr之間，例如，約2.5 Torr。在一些實施例中，電極和基板間的空間一般介於約400 mils和900 mils之間，例如，約550 mils。這些條件通常導致第一主動層之較低的沉積速度。整體而言，一較低的沉積速度是有吸引力的，因為可以保有主動層的電子遷移率。在如上所述的示例性實施例中，第一主動層的沉積速度將是介於約80/min至約500/min之間，例如，約200/min。在一些實施例中，第一主動層一般沉積達一第三厚度，其介於約100埃和約500埃之間，例如，介於約200埃和約400埃之間，例如，約300埃。
第二主動層形成於步驟308。第二主動層可能是一非晶矽層、一多晶矽層、一氫化非晶矽層、或一透明導電氧化層，例如，氧化鋅，如上文中參照圖2所述者。第二主動層可能是一半導體材料，例如，矽或鍺；或一摻質半導體材料，例如，一n型或P型摻矽材料。在一示例性實施例中，其中第二主動層是一非晶矽層，一第四氣體混合被提供至一製程腔室，其可以是用來形成先前介電層和主動層的相同製程腔室，或不同製程腔室。第四氣體混合包括一矽源，例如，一矽烷、一烷基矽烷、一矽氧烷、一矽氮烷、一個矽醇、或其他直線或環狀矽源。第四氣體混合也可能包括與矽源不同的氫源，例如，氫氣。
在一示例性實施例中，其中矽源是矽烷(SiH4 )，而氫源是氫氣(H2 )，以及基板的尺寸相同於上述實施例，第四氣體混合的流速可以是介於約3,000 sccm至約12,000 sccm之間，例如，介於約6000 sccm至約8,000 sccm之間，例如，約7,000 sccm。SiH4 氣體的氣流介於約500至約2,200 sccm之間，例如，介於約700 sccm和約1,100 sccm之間，例如，約900 sccm。H2 氣體之氣流介於約3,000到10,000 sccm，例如，約5,000 sccm至約7,000 sccm，例如，約6,000 sccm。
在一些實施例中，第四氣體混合之特定流速介於約0.5到2.0 sccm/cm2 之間，例如，介於約0.9至約1.3 sccm/cm2 ，例如，約1.1 sccm/cm2 。SiH4 氣體之特定流速介於約0.08到約0.40 sccm/cm2 之間，例如，介於約0.13至約0.20 sccm/cm2 ，例如，約0.15 sccm/cm2 。H2 氣體之特定流速介於約0.4到約1.6 sccm/cm2 之間，例如，介於約0.8至約1.2 sccm/cm2 之間，例如，約1.0 sccm/cm2 。此外，在H2 和SiH4 (H2 ：SiH4 )之間的氣流比例係介於約1：1至約18：1之間，例如，約7：1。
在一些實施例中，第二主動層將沉積於一般類似於上述層之溫度，其介於約150℃至250℃之間，例如，大約200℃。電漿之使用一般被施加以13.56 MHz的射頻功率，其功率水平介於約400 W至2,000W之間，例如，介於約500 W至900W之間，例如，約750 W。在一些實施例中，特定功率可介於約0.07 W/cm2 至約0.40 W/cm2 之間，例如，介於約0.09 W/cm2 至約0.20 W/cm2 之間，例如，約0.12 W/cm2 。施加至第四氣體混合的氣流之功率比例一般將是介於約0.05 W/sccm至約0.15 W/sccm之間，例如，約0.11W/sccm。處理壓力一般維持在低於約5 Torr之下，例如，介於約1.0 Torr至約5.0 Torr之間，例如，約2.1 Torr。在一些實施例中，電極和基板間的空間一般介於約400 mils和900 mils之間，例如，約500 mils。這些條件通常導致第二主動層之相對高的沉積速度。第二主動層的沉積速度一般將高於第一主動層，並可能會高於或低於第一或第二介電層的沉積速度。在如上所述的示例性實施例中，第二主動層的沉積速度將介於約500至1800/min之間，例如，約700/min。在一些實施例中，第二主動層一般沉積達一第四厚度，其介於約1,200埃至約2,000埃之間，例如，介於約1,500埃至約1,700埃之間，例如，約1,600埃。
在步驟310中，一含摻質矽層係沉積於第二主動層。含摻質矽層可以是n型摻質或P型摻質之非晶矽層。在其他實施例中，含摻質矽層可能是一混合矽鍺層，其以n型和p型摻質物來摻質。摻質矽層可作為一電晶體的通道層，例如，上文中參照圖2說明之薄膜電晶體。使用的摻質可選自包含下列之群組：硼、磷、砷、以及它們的組合。在一示例性實施例中，其中含摻質矽層是一摻質非晶矽層，一第五氣體混合被提供至一製程腔室，其可以是用來形成先前介電層和主動層的相同製程腔室，或不同製程腔室。第五氣體混合包括一矽源，例如，一矽烷、一烷基矽烷、一矽氧烷、一矽氮烷、一矽醇、或其他具有n型摻質的矽源。在一示例性實施例中，n型摻質可以是一含磷前驅物，例如，磷化氫(PH3 )或低聚物磷化氫。第五氣體混合也可能包括與矽源不同的氫源，例如，氫氣。
在一示例性實施例中，其中矽源是矽烷(SiH4 )，而氫源是氫氣(H2 )，以及摻質前驅物是磷化氫(PH3 )，而基板的尺寸相同於上述實施例，第五氣體混合的流速可以是介於約3,000 sccm至約20,000 sccm之間，例如，介於約6000 sccm至約17,000 sccm之間，例如，約11,500 sccm。SiH4 氣體的氣流介於約500至約1,400 sccm之間，例如，介於約700 sccm和約1,100 sccm之間，例如，約900 sccm。H2 氣體之氣流介於約3,000到15,000 sccm，例如，約5,000 sccm至約13,000 sccm，例如，約9,500 sccm。PH3 氣體之氣流介於約100到約3,000 sccm之間，例如，介於約300 sccm至約2,000 sccm之間，例如，約1,000 sccm。
在一些實施例中，第五氣體混合之特定流速介於約0.6到2.0 sccm/cm2 之間，例如，介於約0.9至約1.9 sccm/cm2 之間，例如，約1.9 sccm/cm2 。SiH4 氣體之特定流速介於約0.08到約0.24 sccm/cm2 之間，例如，介於約0.11至約0.17 sccm/cm2 ，例如，約0.14 sccm/cm2 。H2 氣體之特定流速介於約0.5到約2.5 sccm/cm2 之間，例如，介於約1.0至約2.0 sccm/cm2 之間，例如，約1.5 sccm/cm2 。PH3 氣體之特定流速介於約0.03到約0.5 sccm/cm2 之間，例如，介於約0.04至約0.30 sccm/cm2 之間，例如，約0.17 sccm/cm2 。此外，H2 和SiH4 (H2 ：SiH4 )之間的氣體流量比例約介於2：1至約36：1之間，例如約13：1，及H2 和PH3 間之氣體流量比例一般約10：1(即，PH3 佔有約H2 體積的0.5%)。
在一些實施例中，含摻質矽層將沉積於一般類似於上述層之溫度，其介於約150℃至約250℃之間，例如，大約200℃。電漿之使用一般被施加以13.56MHz的射頻功率，其功率水平介於約100 W至600W之間，例如，介於約200 W至500W之間，例如，約350 W。在一些實施例中，特定功率可介於約0.01 W/cm2 至約0.10 W/cm2 之間，例如，介於約0.03 W/cm2 至約0.08 W/cm2 之間，例如，約0.06 W/cm2 。施加至第五氣體混合的氣流之功率比例一般將是介於約0.02 W/sccm至約0.04 W/sccm之間，例如，約0.03 W/sccm。處理壓力一般維持在低於約5 Torr之下，例如，介於約1.5 Torr至約5 Torr之間，例如，約2.5 Torr。在一些實施例中，電極和基板間的空間一般介於約400 mils和900 mils之間，例如，約550 mils。這些條件導致含摻質矽層的沉積速率高於第一主動層但低於第二主動層。在如上所述的示例性實施例中，含摻質矽層的沉積速度將介於100/min至約500/min之間，例如，約200/min。在一些實施例中，含摻質矽層將被沉積達一第五厚度，其介於約200埃至約600埃之間，例如，介於約300埃至約500埃之間，例如，約400埃。
在步驟312中，一導電層可形成在含摻質矽層上。該導電層可以是一種金屬或金屬合金，以及可依據習知技藝藉由濺射沉積。一鈍化層也可形成在導電層之上。在一些實施例中，鈍化層可能是一含矽和氮層，例如，氮化矽，且亦可由習知技藝來形成。
根據特定實施例，方法300的步驟可執行在相同的製程腔室或不同的製程腔室。在一些實施例中，例如，在一單一製程腔室中，執行步驟302-310可能是有利的。
示例
在一第一示例中，藉由沉積一富矽氮化矽層在一基板上形成一薄膜電晶體，其中該基板上形成有一底閘極層。富矽氮化矽層被沉積達一厚度約2800。一氮化矽層被形成在相同製程腔室中，且被形成在富矽氮化矽層上，達到約500的深度。一第一非晶矽層被形成在氮化矽層上達到約300的厚度。而後在同一製程腔室中，以一高沉積速度將非晶矽的一第二主動層沉積在該第一主動層上，達到厚度約1600。再次在相同的腔室中，在其上沉積一摻質非晶矽層達到約400的厚度。而頂部已增加金屬接觸和鈍化層。各種沉積步驟的製程條件詳列如下表1。
由此產生的TFT顯示出閾值電壓0.10伏特、開啟電流2.98微安培(μA)、關閉電流4.05微微安培(pA)、0.8 cm2 /V-sec的遷移率、及次閾值擺動0.62 V/dec。
表2和表3之製程條件顯示兩個互相比較之示例。表4繪示由此產生的TFT之特性。示例1產生的TFT之特性亦包括在表4中，以便於比較。表5節錄在80℃和+/-40V的閘極偏壓時每一示例的偏壓溫度應力資料，其顯示相較於比較的示例已改善了示例1之閾值電壓漂移。
表5-偏壓溫度應力資料
因此，此處所述的方法有利於藉由控制閘極介電層和半導體層的薄膜特性，改善TFT裝置的電子遷移率、穩定性和和均勻度。
當以上文敘述本發明實施例時，亦可採取其他和進一步的實施例而不偏離其基本範疇，而其範疇係由后附申請專利範圍所決定。
100．．．腔室
102．．．腔壁
104．．．底部
106．．．蓮蓬頭
108．．．開口
110．．．真空泵
112．．．背板
114．．．壁架
116．．．致動器
118．．．基座
120．．．基板
122．．．舉升銷
124．．．加熱和/或冷卻元件
126．．．接地線
128．．．射頻電源
130．．．遠端電漿源/射頻扼流圈單元
300．．．流程圖
302~312．．．步驟
132．．．氣源
134．．．托架
136．．．壁架
138．．．微波源
150．．．支架
200．．．TFT結構
202．．．基板
204．．．第一介電層
206．．．底部閘極層
208．．．第二介電層
210．．．第一主動層
212．．．第二主動層
214．．．摻質半導體層
216．．．金屬層
218．．．鈍化層
所以，上述簡介之本發明的特徵可參考實施例進一步理解和敘述，部分實施例係繪示於附圖中。然而要指出的是，附圖僅說明本發明之典型實施例，因此不應被視為其範圍之限制，本發明亦適用於其他具有同等功效的實施例。
圖1是一截面圖，其繪示依據本發明之一實施例的一PECVD設備。
圖2係一TFT結構之示意圖。
圖3是一流程圖，其節錄根據一實施例之方法。
為了便於理解，已經在可能的情況下，使用相同的元件符號指示各圖式中相同的元件。意即，在一實施例中所揭示之元件亦可用於其他實施例而無需特別指明。
200．．．TFT結構
202．．．基板
204．．．第一介電層
206．．．底部閘極層
208．．．第二介電層
210．．．第一主動層
212．．．第二主動層
214．．．摻質半導體層
216．．．金屬層
218．．．鈍化層

Claims (13)

  1. 一種用以形成一薄膜電晶體之方法，包含下列步驟：以一第一速率，在一基板上形成一富矽氮化矽層；以一第二速率，在該富矽氮化矽層上形成一氮化矽層；以一第三速率，在該氮化矽層上形成一第一非晶矽層；以一第四速率，在該第一非晶矽層上形成一第二非晶矽層，其中該第三速率低於該第四速率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第二速率低於該第一速率。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該富矽氮化矽層具有一矽氮比值，該矽氮比值大於約0.83：1。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該富矽氮化矽層具有一矽氫鍵含量，該矽氫鍵含量介於約18原子百分比及約30原子百分比之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該富矽氮化矽層的厚度比該氮化矽層來得厚。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第二非晶矽層的厚度比該第一非晶矽層來得厚。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該富矽氮化矽層具有一矽氮比值，該矽氮比值大於約0.83：1。
  8. 一種用以形成一薄膜電晶體之方法，包含下列步驟： 以一第一速率，在一基板上形成一富矽氮化矽層，達一第一厚度；在該富矽氮化矽層上形成包含金屬之一底部閘極層；以一第二速率，在該底部閘極層上形成一氮化矽層，達一第二厚度；以一第三速率，在該氮化矽層上形成一第一非晶矽層，達一第三厚度；以一第四速率，在該第一非晶矽層上形成一第二非晶矽層，達一第四厚度；在該第二非晶矽層上形成一摻矽載層，達一第五厚度；及在該摻矽載層上形成一導電接觸層。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該第二速率低於該第一速率，及該第三速率低於該第四速率。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該第二厚度小於該第一厚度，及該第三厚度小於該第四厚度。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該富矽氮化矽層和該氮化矽層係沉積在相同的腔室。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該富矽氮化矽層具有一矽氮比值，該矽氮比值大於約0.83：1。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該富矽氮化 矽層具有一矽氫鍵含量，該矽氫鍵含量介於約18原子百分比及約30原子百分比之間。
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