TWI425639B - 一種薄膜電晶體及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種平面顯示器，且特別是有關於一種平面顯示器之薄膜電晶體。
由於銅金屬具有低電阻、低熱膨脹係數、高熔點，和較佳的抗電致遷移能力等優點。因此，銅金屬有高潛力可應用於薄膜電晶體中的電極結構。
然而，當銅金屬應用於薄膜電晶體時，極易與矽反應生成矽化物，且銅金屬在介電層中具有高擴散係數，因而容易造成薄膜電晶體電性劣化。另外，銅電極與介電層兩者間的附著性不佳，容易產生剝落的情形。為了解決上述問題，薄膜電晶體之銅電極結構除了銅金屬外，尚需另外設置一擴散阻障層。
在習知之薄膜電晶體結構中，當薄膜電晶體之源極與汲極使用銅金屬時，為了避免源極與汲極和非晶矽層及磷摻雜矽層直接接觸，產生前述生成矽化物等問題，故必須於源極與汲極與非晶矽層及磷摻雜矽層之間，形成一層阻障層。然而，若使用氧化合物(氧化物或氮氧化物)作為此阻障層，在後續以電槳輔助化學氣相沈積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)保護層的製程中，由氧化合物所構成之阻障層會於PECVD製程中被反應性氣氛還原與損傷，因而產生氣泡，造成源極與汲極之銅膜剝落。
據此，仍待提出一種薄膜電晶體結構，除了能將銅電極應用於薄膜電晶體之結構外，更要避免銅電極於製程中受損。
因此本發明的目的就是在提供一種薄膜電晶體，用以避免阻障層於後續製程中被損傷，並改善源極與汲極之銅膜剝落的情形。
根據本發明之上述目的，提出一種薄膜電晶體之製造方法，此方法至少包含先於基板上形成閘極。接著，形成閘極介電層，以覆蓋該閘極與該基板。之後形成圖案化半導體層，以覆蓋閘極上方之閘極介電層，其中圖案化半導體層具有通道區位於閘極上方，以及位於通道區兩側之源極與汲極區。再於圖案化半導體層之源極與汲極區上，形成源極與汲極。以含氮電漿處理源極與汲極，以於源極與汲極表面形成鈍化層。最後，形成保護層，以覆蓋鈍化層以及部份圖案化半導體層。
依照本發明一實施例，此薄膜電晶體係設置於基板上，薄膜電晶體至少包含閘極、閘極介電層、半導體層、源極與汲極、鈍化層以及保護層。其中閘極係設置於基板上，閘極介電層則覆蓋閘極與基板。而半導體層則位於閘極上方之閘極介電層之上，且半導體層具有通道區位於閘極上方，以及位於通道區兩側之源極與汲極區。源極與汲極包括阻障層與導電層，其中阻障層係位於半導體層之源
極與汲極區上，而導電層則位於阻障層之上。鈍化層位於源極與汲極表面，保護層位於鈍化層及半導體層之通道區之上。
依照本發明一實施例，則提出一種半導體陣列基板的單元結構，每一單元結構具有至少一切換元件區及至少一電容區位於一基板之上，此單元結構包含閘極、第一電極、閘極介電層、半導體層、源極與汲極、鈍化層、第二電極、保護層與畫素電極。其中閘極設置於切換元件區，而第一電極則設置於電容區。閘極介電層則覆蓋閘極、第一電極與基板。另外，半導體層則位於閘極上方之閘極介電層上，且半導體層具有通道區位於閘極上方以及位於通道區兩側之源極與汲極區。源極與汲極分別位於半導體層之源極與汲極區上，鈍化層覆蓋源極與汲極之表面。第二電極位於第一電極上方之閘極介電層之上，保護層則覆蓋鈍化層、半導體層、第二電極及閘極介電層之上。畫素電極位於部份保護層上，其中畫素電極電性連接於源極與汲極之其中一者與第二電極。
由於上述之薄膜電晶體其具有一鈍化層，故可將源極與汲極與後續沉積保護層用之氣體相隔離，進而避免阻障層於後續製程中被還原與損傷，達到保護銅電極的效果，改善源極與汲極之銅膜剝落的情形。
第1圖係繪示依照本發明一實施例中，一種平面顯示器(如液晶顯示器)之一半導體陣列基板部分剖面示意圖。如第1圖所示，基板202具有切換元件區204及電容區206。位於切換元件區204處的基板202上，設有閘極208。於閘極208與基板202上則覆蓋閘極介電層210。而於閘極208上方之閘極介電層210上則具有圖案化半導體層212，且圖案化半導體層212具有通道區212a位於閘極208上方，以及位於通道區212a兩側之源極與汲極區212b。另外，於圖案化半導體層212之源極與汲區212b上，則設有源極與汲極214。源極與汲極214包括阻障層216a與導電層218a，其中阻障層216a位於圖案化半導體層212與閘極介電層210上，而導電層218a則位於阻障層216a之上。至於源極與汲極214表面則設有鈍化層220。保護層222則覆蓋於鈍化層220及圖案化半導體層212上。
請再照第1圖，於基板202之電容區206包括儲存電容223，儲存電容223具有第一電極224與第二電極226，且第一電極224被閘極介電層210所覆蓋，而第二電極226則設置於第一電極224上方之閘極介電層210上，第二電極226包含阻障層216b與導電層218b。其中阻障層216b係設置於閘極介電層210上，而導電層218b則位於阻障層216b之上。另外，鈍化層220則可位於第二電極226側邊並選擇性地位於第二電極226之上。保護層222覆蓋於第二電極226及電容區206處之閘極介電層210上。另外，畫素電極層228則位於保護層222上，並經由保護層222
中之開口232電性連接於源極與汲極214之其中一者，且經由保護層222中之至少一開口230與第二電極226電性連接。
接著，請參照第2A-2F圖，繪示依照本發明上述第1圖之所示之部分半導體陣列基板之各製程階段剖面示意圖。如第2A圖所示，首先，提供一基板202，此基板具有切換元件區204及電容區206。接著，於基板202上形成一第一導電層(未繪示)，並將此第一導電層圖案化，以分別於基板202之切換元件區204以及電容區上形成閘極208與第一電極224。一般而言，基板202為透明基板，例如可以為玻璃基板或塑膠基板。
請參照第2B圖，接著在閘極208、第一電極224與基板202上方，依序形成閘極介電層210、半導體層(未繪示)與摻雜半導體層(未繪示)。其中閘極介電層之材質可為氮化矽、氧化矽或氮氧化矽之單層或複合層，厚度約為3000-4000Å；而半導體層之材質可為非晶矽、微晶矽或多晶矽之單層或複合層，厚度約為1000-2000Å；摻雜半導體層之材質可為N型摻雜之非晶矽、微晶矽或多晶矽，厚度約為100-500Å。之後，將半導體層與摻雜半導體層圖案化，以於閘極208上方之閘極介電層210上形成圖案化半導體層212與圖案化摻雜半導體層213。其中圖案化半導體層212具有通道區212a位於閘極208上方，以及位於通道區212a兩側之源極與汲極區212b。接著，於圖案化半導體層212以及閘極介電層210上，依序形成第一材料層216及導
電層218。而第一材料層216及導電層218則於下述製程中，進一步形成源極與汲極以及儲存電容223之電極。第一材料層216的材質可為銅金屬氧化物或氮氧化物，亦可為固溶鉬、鈦、鉭、鉻、鎢、鎳、鎂、鋯、錳、鈮等元素之銅合金氧化物或氮氧化物，而導電層218的材質可為銅金屬或其合金。
請參照第2C圖，接著，圖案化第一材料層216及導電層218，以分別形成阻障層與導電層。圖案化後之阻障層與導電層可分為第一部份與第二部份，其中第一部份阻障層216a與導電層218a係於閘極208上方圖案化半導體層212之源極與汲區212b上形成源極與汲極214。至於第二部份阻障層216b與導電層218b，則於第一電極224上方之部份閘極介電層210上，形成儲存電容223之第二電極226。
源極與汲極214中的阻障層216a主要是用以避免導電層218a中的銅金屬與下方之閘極介電層210或圖案化半導體層212直接接觸。以避免導電層218a中的銅金屬與下方圖案化半導體層212中的矽反應，進而生成矽化物，造成薄膜電晶體電性劣化。同時，亦可改善源極與汲極214與下方閘極介電層210或圖案化半導體層212間的附著性。
請參照第2D圖，接著以含氮電漿處理源極與汲極214，以於源極與汲極214之導電層218a與阻障層216a的表面形成鈍化層220。於此含氮電漿處理之步驟中，所使用之氣體至少包括含氮氣體，例如氮氣、二氧化氮、一氧化氮或一氧化二氮等。當源極與汲極214在經過含氮電漿處
理後，源極與汲極214之導電層218a與阻障層216a表面會與含氮氣體反應，進而於表面形成一層含有氮化物(例如：銅金屬氮化物或銅合金氮化物)之鈍化層220，其厚度約為5-200Å之間。另外，於此步驟中，鈍化層220亦可選擇性地形成於第二電極226之導電層218b與阻障層216b表面。藉由鈍化層220的形成，可有效地保護源極與汲極214與第二電極226，避免在後續之保護層製程時，源極與汲極214或第二電極226中的阻障層216a被還原而致產生氣泡。
於此實施例中，鈍化層220除了可如上述避免阻障層216a、216b被還原外，其另一個功能則是有助於回火處理時，半導體層212中矽的再結晶。這是由於在前述形成源極與汲極214的步驟中，必須圖案化第一材料層216及導電層218，而在圖案過程中，會蝕刻至通道區212a，造成矽層的破壞。因此需要進行回火，以達到再結晶的目的。然而，在回火處理時，以含氮電漿形成鈍化層220，少數的氮氣會進入圖案化半導體層212中，而在回火處理時，圖案化半導體層212中的氮氣則有助於半導體層212中矽的再結晶，可讓結晶恢復，增加半導體層212的穩定性。
接著，如第2E圖所示，於基板202上形成保護層222，以覆蓋所有元件，保護層222之材質可為氮化矽、氧化矽、氮氧化矽或有機高分子之單層或複合層。接著，圖案化保護層222，以於切換元件區204處之保護層222中形成接觸窗232，進而暴露出部份源極與汲極214。而圖案化後之保
護層230亦於電容區206處形成開口230，以暴露出第二電極226之導電層218b。
最後，如第2F圖所示，於保護層222上形成畫素電極層228，以作為畫素電極之用。此畫素電極層228係填入接觸窗232與開口230中，進而分別電性連接源極與汲極214其中之一者與第二電極226。
為了得知上述經過含氮電漿處理之源極與汲極是否能有效避免阻障層被還原產生氣泡的情形，因此分別將以前述實施例之方式與習知方式所製得之薄膜電晶體進行比較。其中以習知方式所製得薄膜電晶體，其源極與汲極結構僅具有氧化銅阻障層與銅導電層。而以上述實施例方式所製得之薄膜電晶體，其源極與汲極因經過含氮電漿處理，故於銅導電層與氧化銅阻障層表面另覆有鈍化層，兩者之觀測結果分別如第3A至3D圖所示。
第3A至3B圖為習知未經含氮電漿處理之源極與汲極，其於光學顯微鏡下所觀測到的導電層與阻障層照片。由第3A圖可知，習知方式未經含氮電漿處理之源極與汲極結構。於後續沉積氮化矽保護層的PECVD製程中，氧化銅阻障層會被氨氣與矽甲烷等反應性氣體還原，進而產生氣泡。且依據第3B圖可知，由於氣泡的形成，造成在源極與汲極與基板兩者間接觸介面，出現剝離現象。
第3C至3D圖為本發明之一實施例之薄膜電晶體，在
沉積保護層之前，預先經過含氮電漿處理15秒之源極與汲極其於光學顯微鏡下所觀測到的導電層與阻障層照片。由第3C至3D圖可知，經過含氮電漿處理的銅表面並無任何氣泡產生。此外，源極與汲極與基板兩者間接觸介面，無任何的剝離現象。由此可知，於導電層與阻障層表面所形成氮化物鈍化層，確實可隔離保護層製程中的反應氣體，避免氣泡的產生，提供源極與汲極完全保護，使剝離形情大為降低。
由上述可知，利用此種含氮電漿處理的方式，不僅不需對現有製程作大幅變動，且所形成之鈍化層，確實可避免銅電極於後續製程中受損，可大幅提升製程良率。
雖然本發明已以一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，當可作各種之更動與潤飾，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。
202‧‧‧基板
204‧‧‧切換元件區
206‧‧‧電容區
208‧‧‧閘極
210‧‧‧閘極介電層
212‧‧‧圖案化半導體層
212a‧‧‧通道區
212b‧‧‧源/汲區
213‧‧‧圖案化摻雜半導體層
214‧‧‧源/汲極
216‧‧‧第一材料層
216‧‧‧阻障層
218‧‧‧導電層
216a‧‧‧阻障層
218a‧‧‧導電層
220‧‧‧鈍化層
222‧‧‧保護層
223‧‧‧儲存電容
224‧‧‧第一電極
226‧‧‧第二電極
216b‧‧‧阻障層
218b‧‧‧導電層
226‧‧‧第二電極
228‧‧‧畫素電極層
230‧‧‧開口
232‧‧‧接觸窗
第1圖係繪示依照本發明一實施例中，一種液晶顯示器之一半導體陣列基板部分剖面示意圖。
第2A-2F圖係繪示第1圖之所示之部分半導體陣列基板，於各製程階段之剖面示意圖。
第3A-3B圖為習知未經含氮電漿處理之源/汲極，其於光學顯微鏡下所觀測到的導電層/阻障層照片。
第3C-3D圖為本發明之一實施例，預先經過含氮電漿處理之源/汲極，其於光學顯微鏡下所觀測到的導電層/阻障層照片。
202‧‧‧基板
204‧‧‧切換元件區
206‧‧‧電容區
208‧‧‧閘極
210‧‧‧閘極介電層
212‧‧‧圖案化半導體層
212a‧‧‧通道區
212b‧‧‧源極與汲區
213‧‧‧圖案化摻雜半導體層
214‧‧‧源極與汲極
216‧‧‧阻障層
216a‧‧‧阻障層
216b‧‧‧阻障層
218‧‧‧導電層
218a‧‧‧導電層
218b‧‧‧導電層
220‧‧‧鈍化層
222‧‧‧保護層
224‧‧‧第一電極
226‧‧‧第二電極
228‧‧‧畫素電極層
230‧‧‧開口
232‧‧‧接觸窗
Claims (23)
- 一種薄膜電晶體，設置於一基板上，該薄膜電晶體至少包含：一閘極，設置於該基板上；一閘極介電層，覆蓋該閘極與該基板；一圖案化半導體層，位於該閘極上方之該閘極介電層之上，該圖案化半導體層具有一通道區位於該閘極上方，以及位於該通道區兩側之源極與汲極區；源極與汲極，位於該圖案化半導體層之該源極與汲極區上，該源極與該汲極包括一圖案化阻障層及一圖案化金屬導電層所形成之一堆疊結構，該圖案化阻障層配置在該圖案化半導體層之該源極與汲極區上，且該圖案化金屬導電層位於該圖案化阻障層上，並接觸該圖案化阻障層；一鈍化層，覆蓋該圖案化金屬導電層之一上表面，該鈍化層至少包含一金屬氮化物，且該鈍化層之厚度為5-200Å；以及一保護層，覆蓋該鈍化層、該源極與汲極及該圖案化半導體層之該通道區上。
- 如申請專利範圍第1項所述之薄膜電晶體，其中該圖案化半導體層之材質包括非晶矽、微晶矽或多晶矽。
- 如申請專利範圍第1項所述之薄膜電晶體，更包括一摻雜半導體層，位於該圖案化半導體層與該圖案化阻障 層之間。
- 如申請專利範圍第3項所述之薄膜電晶體，其中該摻雜半導體層之材質包括N型摻雜之非晶矽、微晶矽或多晶矽。
- 如申請專利範圍第1項所述之薄膜電晶體，其中該圖案化阻障層之材質包括銅金屬氧化物、銅金屬氮氧化物、銅合金氧化物或銅合金氮氧化物。
- 如申請專利範圍第1項所述之薄膜電晶體，其中該圖案化金屬導電層材質包括為銅金屬或其合金。
- 如申請專利範圍第1項所述之薄膜電晶體，其中該鈍化層組成為銅金屬氮化物或銅合金氮化物。
- 一種半導體陣列基板的單元結構，每一單元結構具有至少一切換元件區及至少一電容區位於一基板之上，該單元結構包含：一閘極，設置於該切換元件區；一第一電極，設置於該電容區；一閘極介電層，覆蓋該閘極、該第一電極與該基板；一圖案化半導體層，位於該閘極上方之該閘極介電層之上，該圖案化半導體層具有一通道區位於該閘極上方， 以及位於該通道區兩側之源極與汲極區；源極與汲極，位於該圖案化半導體層之該源極與汲極區上，該源極與汲極包含一圖案化阻障層及一圖案化金屬導電層所形成之一堆疊結構，該圖案化阻障層配置在該圖案化半導體層之該源極與汲極區上，且該圖案化金屬導電層位於該圖案化阻障層上，並接觸該圖案化阻障層；一第二電極，位於該第一電極上方之該閘極介電層之上；一鈍化層，覆蓋該源極與該汲極之一上表面以及該第二電極之一表面，其中該鈍化層至少包含一銅金屬氮化物，且該鈍化層之厚度為5-200Å；一保護層，覆蓋該鈍化層、該圖案化半導體層、該第二電極及該閘極介電層之上；以及一畫素電極，位於部份該保護層上，其中該畫素電極電性連接於該源極與該汲極之其中一者與該第二電極。
- 一種薄膜電晶體，設置於一基板上，該薄膜電晶體至少包含：一閘極，設置於該基板上；一閘極介電層，覆蓋該閘極與該基板；一圖案化半導體層，位於該閘極上方之該閘極介電層之上，該圖案化半導體層具有一通道區位於該閘極上方，以及位於該通道區兩側之源極與汲極區；源極與汲極，位於該圖案化半導體層之該源極與汲極 區上，該源極與該汲極包括一圖案化阻障層及一圖案化金屬導電層所形成之一堆疊結構，該圖案化阻障層配置在該圖案化半導體層之該源極與汲極區上，且該圖案化金屬導電層位於該圖案化阻障層上，並接觸該圖案化阻障層，該該圖案化金屬導電層至少包含一銅金屬；一鈍化層，覆蓋該圖案化金屬導電層之一上表面，該鈍化層至少包含一銅金屬氮化物，且該鈍化層之厚度為5-200Å；以及一保護層，覆蓋該鈍化層、該源極與汲極及該圖案化半導體層之該通道區上。
- 一種薄膜電晶體之製造方法，該方法至少包含：形成一閘極於一基板上；形成一閘極介電層，以覆蓋該閘極與該基板；形成一圖案化半導體層，至少覆蓋該閘極上方之該閘極介電層，該圖案化半導體層具有一通道區位於該閘極上方，以及位於該通道區兩側之源極與汲極區；依序形成一阻障層與一金屬導電層，覆蓋於該圖案化半導體層與該閘極介電層上，其中該金屬導電層配置在該阻障層上，且接觸該阻障層；圖案化該金屬導電層與該阻障層，以形成一源極與一汲極；以含氮電漿處理該源極與該汲極，以形成一鈍化層覆蓋該源極與該汲極之一上表面，其中該鈍化層至少包含一 金屬氮化物，且該鈍化層之厚度為5-200Å；以及形成一保護層，以覆蓋該鈍化層以及部份該圖案化半導體層。
- 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該阻障層之材質包括銅金屬氧化物、銅金屬氮氧化物、銅合金氧化物或銅合金氮氧化物。
- 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該金屬導電層材質係為銅金屬或其合金。
- 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中形成該源極與該汲極之前，更包含在該圖案化半導體層之該源極與汲極區上形成一摻雜半導體層。
- 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中該摻雜半導體層之材質包括N型摻雜之非晶矽、微晶矽或多晶矽。
- 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中該摻雜半導體層之厚度為100-500Å。
- 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該閘極介電層之材質為氮化矽、氧化矽或氮氧化矽之單層或複合層。
- 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該閘極介電層之厚度為3000-4000Å。
- 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該圖案化半導體層之材質包括非晶矽、微晶矽或多晶矽。
- 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該圖案化半導體層之厚度為1000-2000Å。
- 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中於含氮電漿處理之該步驟中，所使用之氣體至少包括一含氮氣體。
- 如申請專利範圍第20項所述之方法，其中該含氮氣體係為氮氣、二氧化氮、一氧化氮以及一氧化二氮。
- 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該鈍化層組成為銅金屬氮化物或銅合金氮化物。
- 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該保護層材質包括氮化矽、氧化矽、氮氧化矽、有機高分子。
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