TWI458100B - 薄膜電晶體結構及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種半導體結構及其製造方法，且特別是有關於一種薄膜電晶體結構及其製造方法。
第1A圖係根據先前技術，繪示的一種薄膜電晶體(Thin Film Transistor)結構10的上視圖。第1B圖係沿著第1A圖之切線C-C’所繪示的薄膜電晶體結構10剖面圖。其中，薄膜電晶體結構10包含：由資料線(data line)121、掃描線(scan line)122、電容線(Cs line)123和薄膜電晶體100所構成的薄膜電路區12以及由畫素電極112所構成的顯示區14。
薄膜電晶體結構10的製作，包括下述步驟：首先，在玻璃基板101上形成掃描線122和電容線123。其中，一部份的掃描線122構成薄膜電晶體100的金屬閘極102(如第1B圖所繪示)。之後，在金屬閘極102上，依序形成閘極絕緣層104以及半導體通道層110。接著，再以光罩對金屬層進行蝕刻的方式，在半導體通道層110上定義出源極103(由一部份之資料線121所構成)/汲極105結構。後續，在源極103/汲極105上覆蓋鈍化層109和保護層111，以形成薄膜電晶體100。再利用透明導電材料，在閘極絕緣層104之上形成畫素電極112，使畫素電極112與汲極105電性連結。
一般而言，製作傳統薄膜電晶體100需要多道光罩製程，且薄膜電晶體100的汲極105與畫素電極112之間，還需要藉由接觸窗(Contact VIA Hole)106來加以連結。不僅拉長製程時
間且容易衍生良率降低及成本增加等問題。
另外，由於傳統由非晶矽材質所製成之半導體通道層110，通常會有照光而漏電的現象。而透明電極材料，例如銦錫氧化物(Indium Tin Oxide；ITO)，因為具有遠大於非晶矽的載子遷移率，且本身透明不吸收可見光，可改善上述照光漏電的現象。故，目前另有習知技術，利用透明電極材料來製作薄膜電晶體100的非晶矽半導體通道層110，以改善薄膜電晶體結構10的元件效能。
但是，透明電極材料薄膜的電性易受水分及氧氣影響而變化。若將其使用於傳統薄膜電晶體結構10製程，經過塗佈光阻、蝕刻以及去除光阻等程序之後，透明電極薄膜的電性早已受水分及氧氣影響而劣化，以致量產之再現性不佳。
因此有需要提供一種新穎的薄膜電晶體結構及其製造方法，可改善薄膜電晶體結構元件效能並降低製程成本。
本發明的目的就是在提供一種薄膜電晶體結構及其製造方法，其中薄膜電晶體結構包括基板、閘極層、閘極絕緣層、源極和汲極以及透明材料層。其中閘極層形成於基板上；閘極絕緣層形成於閘極層上；源極和汲極形成於閘極絕緣層上；透明材料層具有通道區以及絕緣區，其中通道區位於源極和汲極之間的閘極絕緣層上，絕緣區覆蓋於通道區、源極和汲極上。
在本發明的一實施例之中，透明材料層係由銦鎵鋅氧化物(indium gallium zinc oxide；IGZO)組成，且組成通道區之銦鎵鋅氧化物的銦、鎵、鋅及氧成分比例為1：1：1：(3.5至4.5)。
在本發明的一實施例之中，通道區的厚度實值介於50nm
至100nm之間，且通道區的電阻率實質介於1×101
~1×106
ohm-cm之間；絕緣區的厚度實值介於50nm至500nm之間，且絕緣區的電阻率實質大於1×106
ohm-cm。
在本發明的一實施例之中，構成源極與汲極的是銦錫氧化物(Indium Tin Oxide；ITO)、銦鋅氧化物(indium zinc oxide；IZO)、銦鎵鋅氧化物或上述任意組合所組成的導電材料。
在本發明的一實施例之中，汲極具有一個延伸部，延伸至畫素區以形成畫素電極。在本發明的另一實施例之中，薄膜電晶體結構更包括一個畫素電極層，形成於閘極絕緣層之上，且與汲極電性連接。
在本發明的一實施例之中，基板為玻璃基板或塑膠基板；且閘極絕緣層的材料係選自於由氮化矽(SiNx
)、氧化矽(SiOx
)、氮氧化矽(SiNx
Oy
)、氧化鋁(AlOx
)、氧化鉿(HfOx
)及上述任意組合所組成之一族群。
本發明的一實施例之中，薄膜電晶體結構更包括一個形成於絕緣區上的保護層，其中保護層的材質係選自於由氮化矽、氧化矽、氮氧化矽、氧化鋁、樹脂以及上述任意組合所組成之一族群。
本發明的另一目的是提供一種薄膜電晶體結構的製造方法，其中此一製造方法包括下述步驟：首先提供一個基板，並於基板上形成一個閘極層。然後於閘極層上形成一個閘極絕緣層。接著於閘極絕緣層上形成一個源極和汲極。形成具有通道區以及絕緣區的透明材料層，使通道區位於源極和汲極之間的閘極絕緣層上，絕緣區則覆蓋通道區、源極、和汲極。
本發明的一實施例之中，透明材料層的形成方法係藉由一個連續濺鍍製程，以不破真空的方式，在閘極絕緣層、源極和
汲極上形成通道區以及絕緣區。
根據上述實施例，本發明的目的就是在提供一種薄膜電晶體結構及其製造方法，採用一個連續濺鍍製程，以不破真空一次成膜的方式，在閘極絕緣層、源極和汲極上形成一個具有通道區以及絕緣區的透明材料層。藉由控制連續濺鍍製程中的氧氣(O2
)對氬氣(Ar)的流量的比例來調整通道區與絕緣區的氧含量。故可在同一製程步驟中提供具有半導體特性的通道區以及具有絕緣性的絕緣區，節省製程步驟與時間。
此外配合利用透明電極材料(ITO)製作源極與汲極，並延伸汲極作為畫素電極，則可省去後續製作接觸窗以及獨立畫素電極的製程步驟，達到簡化製程以及減少光罩的使用與設計的目的。同時，也可使開口率提高。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
本發明的目的就是在提供一種薄膜電晶體結構及其製造方法。第2圖係根據本發明一實施例所繪示的薄膜電晶體結構20俯視圖。第2A圖至第2E圖，第2A圖至第2E圖係根據本發明的一實施例，沿著第2圖之切線S-S’所繪示的薄膜電晶體結構20製程剖面圖。其中薄膜電晶體結構20的製作方法包括下述步驟：首先提供一個基板201，並於基板201上形成一個閘極層202。在本發明的一實施例中，基板201為玻璃基板或塑膠基板；閘極層202的材料可以是多晶矽或金屬材質。在本實施例中，閘極層202的形成步驟，包括圖案化沉積於基板201的一
金屬層。且在形成閘極層202的同時，還包括在基板201上形成一個後續可用來構成儲存電容的金屬層203(如第2A圖所示)。
然後，於閘極層202和金屬層203上形成一個閘極絕緣層204(如第2B圖所示)。閘極絕緣層204的材料，較佳係選自於由氮化矽、氧化矽、氮氧化矽、氧化鋁、氧化鉿及上述任意組合所組成之一族群。在本實施例中，閘極層202係藉由沉積製程覆蓋於閘極層202上的氧化矽層。
接著，於閘極絕緣層204上形成源極205和汲極206(如第2C圖所示)。構成源極205和汲極206的材料較佳是銦錫氧化物、銦鋅氧化物或銦鎵鋅氧化物或上述任意組合所組成的導電材料。在本實施例之中，源極205和汲極206的形成，包括在閘極絕緣層204上沉積透明的銦錫氧化層，並對銦錫氧化層進行圖案化，以定義出彼此分離的源極205和汲極206，並且把位於閘極層202上方，源極205和汲極206之間的一部分閘極絕緣層204暴露出來。
在本實施例之中，汲極206具有一個延伸部206a，可延伸至一允許光線通過的畫素區207，以形成後續用來控制顯示液晶作動的畫素電極206b。但值得注意的是，在本發明的另一實施例之中，薄膜電晶體結構30也可能包括一個另外形成於閘極絕緣層204之上，且與汲極206電性連接的畫素電極層31(如第3圖所繪示)。
之後進行一沉積製程形成一個透明材料層208，覆蓋於閘極絕緣層204、源極205和汲極206之上。再經塗佈光阻、蝕刻以及去除光阻等圖案化程序，在透明材料層208中定義出通道區208a以及絕緣區208b圖案(如第2D圖所示)。其中通道
區208a位於源極205和汲極206之間，暴露於外的閘極絕緣層204上方；絕緣區208b則覆蓋於源極205和汲極206之上。
在本發明的較佳實施例之中，透明材料層208的形成方法係藉由一個連續濺鍍製程，在不破真空的環境之下，在閘極絕緣層204、源極205和汲極206上沉積銦鎵鋅氧化物。並且藉由控制連續濺鍍製程中不同成膜階段的氧氣對氬氣的流量比例，以調整通道區與絕緣區的氧含量。
在本實施例中，連續濺鍍製程先給予較低氧含量(實值為3至15%)氣氛，使通道區208a在源極205和汲極206之間的閘極絕緣層204上成膜。接著在不破真空的環境下，給予高含氧量氣氛繼續進行濺鍍製程，使絕緣區208b在通道區208a、源極205和汲極206上成膜。由於形成通道區208a的銦鎵鋅鍍膜氧含量較低，因此具有半導體特性。相對的，由於形成絕緣區208b的銦鎵鋅鍍膜氧含量較高，因此具有絕緣特性。其中組成通道區208a之銦鎵鋅鍍膜的銦、鎵、鋅及氧成分比例較佳為1：1：1：(3.5至4.5)，厚度實值介於50nm至100nm之間，且電阻率實質介於1×101
~1×106
ohm-cm之間。絕緣區208b銦鎵鋅鍍膜的厚度實值介於50nm至500nm之間，電阻率實質大於1×106
ohm-cm。
由於通道區208a和絕緣區208b是在不破真空的環境下一次成膜，因此除了可節省製程步驟與成本之外，又可避免半導體通道區208a的銦鎵鋅鍍膜受到(習知技術所採用之塗佈光阻、蝕刻以及去除光阻等程序的)水分及氧氣影響，而產生電性變化。
在本發明的較佳實施例中，還包括在透明材料層208的絕緣區208b、畫素電極206b以及未被覆蓋的閘極絕緣層204上
形成保護層209。其中保護層209的材質可以是氮化矽、氧化矽、氮氧化矽、氧化鋁、樹脂或上述任意組合的材料(如第2E圖所示)。
請再參照第2E圖，製作完成的薄膜電晶體結構20包括由基板201、閘極層202、閘極絕緣層204、源極205，汲極206和透明材料層208所構成的薄膜電晶體200，以及由畫素電極206b所構成的畫素區207。其中，閘極層202形成於基板201上；閘極絕緣層204形成於閘極層202上；源極205和汲極206形成於閘極絕緣層204上；透明材料層208具有通道區208a以及絕緣區208b，其中通道區208a位於源極205和汲極206之間的閘極絕緣層204上，絕緣區208b覆蓋於通道區208a、源極205和汲極206上。
請再參照第2圖，由於薄膜電晶體200的汲極206，可以藉由形成源極205和汲極206的一次製程延伸至顯示器的畫素電極206b。因此可省去後續製作接觸窗(未繪示)的以及獨立畫素電極的製程步驟，達到簡化製程以及減少光罩的使用與設計。同時，由於和畫素區207相連的汲極206為可透光材質，因此也可提高採用薄膜電晶體結構20之液晶顯示器的開口率。
綜上所述，在本發明之本發明的目的就是在提供一種薄膜電晶體結構20及其製造方法，採用一個連續濺鍍製程，在不破真空一次成膜的方式，在閘極絕緣層204、源極和汲極上形成一個具有通道區以及絕緣區的透明材料層。藉由控制連續濺鍍製程中的氧氣對氬氣的流量的比例來調整通道區與絕緣區的氧含量。故可在同一製程步驟中提供具有半導體特性的通道區以及具有絕緣性的絕緣區，節省製程步驟與時間。
此外配合利用透明電極材料(ITO)製作源極與汲極，並延伸汲極作為畫素電極，則可省去後續製作接觸窗以及畫素電極的製程步驟，達到簡化製程以及減少光罩的使用與設計的目的。同時，也可使採用薄膜電晶體結構20的液晶顯示器開口率提高。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，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，因此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。
10‧‧‧薄膜電晶體結構
12‧‧‧薄膜電路區
14‧‧‧顯示區
100‧‧‧薄膜電晶體
101‧‧‧玻璃基板
102‧‧‧金屬閘極
103‧‧‧源極
104‧‧‧閘極絕緣層
105‧‧‧汲極
106‧‧‧接觸窗
109‧‧‧鈍化層
110‧‧‧半導體通道層
111‧‧‧保護層
112‧‧‧畫素電極
121‧‧‧資料線
122‧‧‧掃描線
123‧‧‧電容線
20‧‧‧薄膜電晶體結構
200‧‧‧薄膜電晶體
201‧‧‧基板
202‧‧‧閘極層
203‧‧‧金屬層
204‧‧‧閘極絕緣層
205‧‧‧源極
206‧‧‧汲極
206a‧‧‧延伸部
206b‧‧‧畫素電極
207‧‧‧畫素區
208‧‧‧透明材料層
208a‧‧‧通道區
208b‧‧‧絕緣區
209‧‧‧保護層
30‧‧‧薄膜電晶體結構
31‧‧‧畫素電極層
C-C’‧‧‧切線
S-S’‧‧‧切線
第1A圖係根據先前技術所繪示的一種薄膜電晶體結構的上視圖。
第1B圖係沿著第1A圖之切線C-C’所繪示的薄膜電晶體結構剖面圖。
第2圖係根據本發明的一實施例所繪示的薄膜電晶體結構俯視圖。
第2A圖至第2E圖係根據本發明的一實施例，沿著第2圖之切線S-S’所繪示的薄膜電晶體結構製程剖面圖。
第3圖係根據本發明的另一實施例所繪示的薄膜電晶體結構剖面圖。
20．．．薄膜電晶體結構
200．．．薄膜電晶體
201．．．基板
202．．．閘極層
203．．．金屬層
204．．．閘極絕緣層
205．．．源極
206．．．汲極
206a．．．延伸部
206b．．．畫素電極
207．．．畫素區
208．．．透明材料層
208a．．．通道區
208b．．．絕緣區
209．．．保護層
Claims (11)
- 一種薄膜電晶體結構，其中包括：一基板；一閘極層，形成於該基板上；一閘極絕緣層，形成於該閘極層上；一源極和一汲極，形成於該閘極絕緣層上；以及一透明材料層，具有一通道區以及一絕緣區，其中該通道區位於該源極和該汲極之間的該閘極絕緣層上，該絕緣區覆蓋於該通道區、該源極和該汲極上，其中該絕緣區的厚度大於100nm且小於或等於500nm。
- 如申請權利範圍1之薄膜電晶體的結構，其中該透明材料層係由銦鎵鋅氧化物(indium gallium zinc oxide；IGZO)組成，且組成該通道區之銦鎵鋅氧化物的銦、鎵、鋅及氧成分比例為1：1：1：(3.5至4.5)。
- 如申請權利範圍1之薄膜電晶體結構，其中該通道區的厚度實值介於50nm至100nm之間，且該通道區具有實質介於1×101 ~1×106 ohm-cm之間的一電阻率；該絕緣區具有實質大於1×106 ohm-cm的一電阻率。
- 如申請權利範圍1之薄膜電晶體結構，其中構成該源極與該汲極者係銦錫氧化物(Indium Tin Oxide；ITO)、銦鋅氧化物(indium zinc oxide；IZO)、銦鎵鋅氧化物(IGZO)或上述任組合所組成的導電材料。
- 如申請權利範圍4之薄膜電晶體結構，其中該汲極具有一延伸部，延伸至一畫素區以形成一畫素電極。
- 如申請權利範圍1之薄膜電晶體結構，更包括一畫素電極層，形成於該閘極絕緣層之上，且與該汲極電性連接。
- 如申請權利範圍1之薄膜電晶體結構，其中該基板為一玻璃基板或一塑膠基板；且該閘極絕緣層的材料係選自於由氮化矽(SiNx )、氧化矽(SiOx )、氮氧化矽(SiNx Oy )、氧化鋁(AlOx )、氧化鉿(HfOx )及上述任意組合所組成之一族群。
- 如申請權利範圍1之薄膜電晶體結構，更包括一保護層，形成於該絕緣區之上，其中該保護層的材質係選自於由氮化矽、氧化矽、氮氧化矽、氧化鋁、樹脂以及上述任意組合所組成之一族群。
- 如申請權利範圍1之薄膜電晶體結構，其中該通道區的厚度實值大於或等於50nm且小於100nm，該通道區具有實質介於1×101 與1×103 ohm-cm之間的一電阻率，該絕緣區具有實質介於1×106 與1×108 ohm-cm之間的一電阻率。
- 一種薄膜電晶體結構的製造方法，其中包括：提供一基板；形成一閘極層於該基板上；形成一閘極絕緣層於該閘極層上； 形成一源極以及一汲極於該閘極絕緣層上；以及形成具有一通道區以及一絕緣區的一透明材料層，使該通道區位於該源極和該汲極之間的該閘極絕緣層上，該絕緣區覆蓋於該通道區、該源極和該汲極上，其中該絕緣區的厚度大於100nm且小於或等於500nm。
- 如申請權利範圍10之薄膜電晶體結構的製造方法，其中該透明材料層的形成，係藉由一連續濺鍍製程，以不破真空的方式，在該閘極絕緣層、該源極和該汲極上形成該通道區以及該絕緣區。
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