CN101533775B - 薄膜晶体管及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种薄膜晶体管的制作方法，包括下列步骤：首先，提供一基板。接着，于基板上形成一牺牲层。然后，于基板上形成一多晶硅图案层，以围绕牺牲层。之后，形成一栅极绝缘层，至少覆盖多晶硅图案层。此外，于多晶硅图案层上方的栅极绝缘层上形成一栅极图案。于多晶硅图案层中形成一源极区、一漏极区与一有源区，且有源区位于源极区与漏极区之间。另外，形成一保护层，以覆盖栅极图案与部分栅极绝缘层。之后，于保护层上形成一源极导电层与一漏极导电层。源极导电层、漏极导电层会分别与多晶硅图案层的源极区、该漏极区电性连接。

Description

薄膜晶体管及其制作方法

技术领域

本发明是有关于一种薄膜晶体管及其制造方法，且特别是有关于一种多晶硅的薄膜晶体管及其制造方法。

背景技术

在现有的低温多晶硅薄膜晶体管中，其沟道中的晶粒边界(grain boundary)缺陷是元件特性劣化的主要因素。由于将沟道尺寸缩小至纳米级，可有效改善沟道中的晶粒边界缺陷的问题。因此，如何制作纳米级沟道(nanowire channel，NW channel)便成为了主要的研究方向。

现有纳米级沟道的制作方法主要是利用电子束光刻(electron beamlithography)技术来图案化多晶硅材料，以形成纳米级宽度的沟道。然而，电子束光刻技术的成本相当高，且无法有效提升产能。因此，以蚀刻方式来制作纳米级沟道的技术逐渐被采用。一般而言，以蚀刻方式来制作纳米级沟道通常会搭配自我对准形成边衬(self-aligned sidewall spacer)的方式来进行。

图1A～1D是现有纳米级沟道的制作流程剖面示意图。请先参考图1A，首先提供一基板110，并于基板110上形成一热氧化层112。之后请参考图1B，于热氧化层112上形成一栅极114。接着请参考图1C，依序形成一栅极绝缘层115以及一多晶硅材料层116，以覆盖栅极114与部分的热氧化层112。然后请参考图1D，借由非等向性蚀刻的方式移除部分的多晶硅材料层116(如1C所示)，以于栅极114两旁形成纳米级沟道118。值得注意是，由于纳米级沟道118的高度主要取决于栅极114的高度，而栅极114的尺寸有一定的限制，并无法任意的缩小。因此纳米级沟道118的尺寸会直接受限于栅极114的尺寸。此外，由于纳米级沟道118仅有一侧会与栅极114相对，因此栅极114对于纳米级沟道118的控制能力也无法有效提升。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种薄膜晶体管，具有良好的元件特性。

本发明提供一种薄膜晶体管的制造方法，其可有效地制作出所需尺寸的纳米级沟道。

为达上述或是其他目的，本发明提出一种薄膜晶体管的制作方法，其包括下列步骤：首先，提供一基板。接着，于基板上形成一牺牲层。然后，于基板上形成一多晶硅图案层，以围绕牺牲层。之后，形成一栅极绝缘层，至少覆盖多晶硅图案层。此外，于多晶硅图案层上方的栅极绝缘层上形成一栅极图案。于此多晶硅图案层中形成一源极区、一漏极区与一有源区，且有源区位于源极区与漏极区之间。另外，形成一保护层，以覆盖部分栅极绝缘层与栅极图案。之后，于保护层上形成一源极导电层与一漏极导电层。源极导电层、漏极导电层会分别与多晶硅图案层的源极区、该漏极区电性连接。

在本发明的一实施例中，在形成牺牲层之前，还包括于基板上形成一缓冲层。

在本发明的一实施例中，在形成栅极绝缘层之前，还包括移除牺牲层。

在本发明的一实施例中，上述形成多晶硅图案层的步骤包括：首先，于基板上形成一非晶硅图案层。接着，对非晶硅图案层进行一再结晶处理，以形成一多晶硅图案层。

在本发明的一实施例中，上述的再结晶处理包括固相再结晶技术。

在本发明的一实施例中，上述的再结晶处理包括金属诱发侧向结晶技术。

在本发明的一实施例中，上述的再结晶处理包括激光再结晶技术。

在本发明的一实施例中，上述的保护层具有暴露出栅极图案的一第一接触窗开口，而保护层与栅极绝缘层中具有分别暴露出源极区与漏极区的一第二接触窗开口与一第三接触窗开口。源极导电层借由第二接触窗开口而与源极区电性连接，而漏极导电层借由第三接触窗开口而与漏极区电性连接。

本发明提出一种薄膜晶体管，其包括一基板、一多晶硅图案层、一栅极绝缘层、一栅极图案、一保护层、一源极导电层与一漏极导电层。其中，多晶硅图案层配置于基板上。此多晶硅图案层具有一源极区、一漏极区与一有源区。有源区位于源极区与漏极区之间，且多晶硅图案层的有源区中具有一开口。此外，栅极绝缘层至少覆盖多晶硅图案层。另外，栅极图案配置于栅极绝缘层上且对应多晶硅图案层的有源区。本发明的保护层覆盖部分栅极绝缘层与栅极图案。上述源极导电层与漏极导电层配置于该保护层上，且分别与多晶硅图案层的源极区、漏极区电性连接。

在本发明的一实施例中，上述的薄膜晶体管还包括一牺牲层，配置于多晶硅图案层的开口中，且栅极绝缘层覆盖牺牲层。

在本发明的一实施例中，上述的薄膜晶体管还包括一缓冲层，配置于基板与多晶硅图案层之间。

在本发明的一实施例中，上述的保护层具有暴露出栅极图案的一第一接触窗开口，而保护层与栅极绝缘层中具有分别暴露出源极区与漏极区的一第二接触窗开口与一第三接触窗开口。源极导电层借由第二接触窗开口而与源极区电性连接，而漏极导电层借由第三接触窗开口而与漏极区电性连接。

本发明薄膜晶体管的制作方法是利用牺牲层来决定多晶硅图案层的高度。因此，本发明薄膜晶体管的制作方法可借由控制牺牲层的高度，而制作出所需尺寸的多晶硅图案层。此外，本发明薄膜晶体管也具有良好的元件特性。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1A～1D是现有纳米级沟道的制作流程剖面示意图。

图2A～2H是本发明第一实施例薄膜晶体管的制作方法的流程俯视图。

图3A～3H是本发明第一实施例薄膜晶体管的制作方法的流程剖面示意图。

图4A～4D是本发明第二实施例薄膜晶体管的制作方法的流程俯视图。

图5A～5D是本发明第二实施例薄膜晶体管的制作方法的流程剖面示意图。

主要元件符号说明：

110、210：基板

112：热氧化层

114：栅极

115：栅极绝缘层

116：多晶硅材料层

118：纳米级沟道

200、300：薄膜晶体管

212：缓冲层

220：牺牲层

228：非晶硅图案层

230：多晶硅图案层

230a：有源区

230s：源极区

230d：漏极区

240：栅极绝缘层

250：栅极图案

260：保护层

272：源极导电层

274：漏极导电层

A-A’、B-B’、C-C’：剖面线

C1：第一接触窗开口

C2：第二接触窗开口

C3：第三接触窗开口

S：开口

具体实施方式

第一实施例

图2A～2H是本发明第一实施例薄膜晶体管的制作方法的流程俯视图，而图3A～3H是本发明第一实施例薄膜晶体管的制作方法的流程剖面示意图。请先参考图2A与图3A，首先，提供一基板210。一般而言，于此基板210上可选择性地形成一缓冲层212，以利后续膜层的制作。此缓冲层212的材料可包括氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。

接着请参考图2B与图3B，于基板210上形成一牺牲层220。详细地说，此牺牲层220的形成方式例如是先全面性地沉积一材料层(未绘示)于缓冲层212上。此材料层可采用氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或金属材料。接着，再借由一道光掩模制程来图案化此材料层，以形成所需的牺牲层220。当然，所属技术领域中具有通常知识者可视实际需要而改变牺牲层220的高度与图案，在此仅用以举例说明并无意局限。

然后请参考图2C与图3C，于基板210上的缓冲层212形成一多晶硅图案层230，以围绕牺牲层220。此多晶硅图案层230具有一源极区230s、一漏极区230d与一有源区230a，且有源区230a位于源极区230s与漏极区230d之间。在一实施例中，形成多晶硅图案层230的方法包括：首先，于缓冲层212上例如是以化学气相沉积法(CVD)全面性地沉积一非晶硅材料层(Amorphoussilicon)，以覆盖牺牲层220。之后再图案化此非晶硅材料层，以形成一非晶硅图案层。上述图案化的方式可选用干蚀刻。其例如是以氧或碳-氟(C-F based)气体为反应气体源并对反应气体源施以一偏压，以形成等离子体(Plasma)来对此非晶硅材料层进行非等向性地蚀刻，以形成所需形状的非晶硅图案层。接着，对此非晶硅图案层进行一再结晶处理，以形成一多晶硅图案层230。本发明的再结晶处理可采用固相再结晶技术(Solid phase crystallization)、金属诱发侧向结晶技术(Metal-induced lateral crystallization)或激光再结晶技术(Lasercrystallization)，在此并无意局限。

特别的是，形成于牺牲层220两旁的多晶硅图案层230的尺寸主要取决于牺牲层220的高度。换言之，位于牺牲层220两旁的多晶硅图案层230的尺寸可视需要而自由调整。如图1D所示，由于现有栅极114的尺寸必须有一定的限制，因此现有的纳米级沟道118的尺寸会直接受限于栅极114的尺寸。相较之下，本发明薄膜晶体管的制作方法可有效改善现有的纳米级沟道118无法进一步缩小的问题，以有效避免晶粒边界产生缺陷。

之后请参考图2D与图3D，在一实施例中，在形成后续膜层之前可选择性地移除牺牲层220，以于多晶硅图案层230中形成一开口S。当然，牺牲层220也可以保留，这将在第二实施例中详述。

然后请参考图2E与图3E，形成一栅极绝缘层240，以覆盖多晶硅图案层230。此栅极绝缘层240的材料可选用以氮化硅(SiN)或是以四乙氧基硅烷(TEOS)为反应气体源而形成的氧化硅(SiO)。

接着请参考图2F与图3F，于多晶硅图案层230上方的栅极绝缘层240上形成一栅极图案250。此栅极图案250例如是以物理气相沉积法(PVD)沉积金属材料于栅极绝缘层240上。然后借由一道光掩模制程对此金属材料进行图案化，以形成所需的栅极图案250。上述的金属材料可选用铝、金、铜、钼、铬、钛、铝合金、铝镁合金或钼合金等低阻值材料。然后，对多晶硅图案层230进行一离子掺杂，以于多晶硅图案层230的相对两端形成源极区230s与漏极区230d，而源极区230s与漏极区230d之间的区域则是有源区230a。

之后请参考图2G与图3G，形成一保护层260，以覆盖部分栅极绝缘层240与栅极图案250。此保护层260具有暴露出栅极图案250的一第一接触窗开口C1。此外，保护层260与栅极绝缘层240中具有分别暴露出源极区230s与漏极区230d的一第二接触窗开口C2与一第三接触窗开口C3。

此外请参考图2H与图3H，于保护层260上形成一源极导电层272与一漏极导电层274。源极导电层272、漏极导电层274会分别透过第二接触窗开口C2与第三接触窗开口C3，而与源极区230s、漏极区230d电性连接。上述至此，本发明的薄膜晶体管200已大致制作完成。

由于本发明薄膜晶体管200的多晶硅图案层230是采用干蚀刻来进行图案化，因此可有效提升产能并降低制造成本。由图3H可知，有源区230a的多晶硅图案层230除了底面以外皆会与栅极图案250对应，因此本发明薄膜晶体管200能有较佳的沟道控制能力。

第二实施例

第二实施例与第一实施例类似，两者主要不同之处在于：本实施例并未将牺牲层移除。第二实施例中薄膜晶体管的初始制作流程与图2A～图2C以及图3A～图3C所示的步骤相同，于此不再多加赘述。

接着请参考图4A与图5A，形成一栅极绝缘层240，以覆盖多晶硅图案层230与牺牲层220。此栅极绝缘层240的材料可选用以氮化硅(SiN)或是以四乙氧基硅烷(TEOS)为反应气体源而形成的氧化硅(SiO)。

接着请参考图4B与图5B，于多晶硅图案层230上方的栅极绝缘层240上形成一栅极图案250。此栅极图案250例如是以物理气相沉积法(PVD)沉积金属材料或多晶硅材料于栅极绝缘层240上。然后借由一道光掩模制程对此金属材料或多晶硅材料进行图案化，以形成所需的栅极图案250。上述的金属材料可选用铝、金、铜、钼、铬、钛、铝合金、铝镁合金或钼合金等低阻值材料。然后，对多晶硅图案层230进行一离子掺杂，以于多晶硅图案层230的相对两端形成源极区230s与漏极区230d，而源极区230s与漏极区230d之间的区域则是有源区230a。

之后请参考图4C与图5C，形成一保护层260，以覆盖部分栅极绝缘层240与栅极图案250。此保护层260具有暴露出栅极图案250的一第一接触窗开口C1。此外，保护层260与栅极绝缘层240中具有分别暴露出源极区230s与漏极区230d的一第二接触窗开口C2与一第三接触窗开口C3。

然后请参考图4D与图5D，于保护层260上形成一源极导电层272与一漏极导电层274。源极导电层272、漏极导电层274会分别透过第二接触窗开口C2与第三接触窗开口C3，而与源极区230s、漏极区230d电性连接。上述至此，本实施例的薄膜晶体管300已大致制作完成。

综上所述，本发明薄膜晶体管的制作方法是利用牺牲层来决定多晶硅图案层的高度。因此，本发明薄膜晶体管的制作方法可视需要而制作出所需尺寸的多晶硅图案层。本发明薄膜晶体管的制作方法是利用干蚀刻来制作出多晶硅图案层，因而能有效提升产能并降低制造成本。此外，本发明薄膜晶体管还具有良好的元件特性。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种薄膜晶体管的制作方法，包括：

提供一基板；

于该基板上形成一牺牲层；

于该基板上形成一多晶硅图案层，以围绕该牺牲层；

形成一栅极绝缘层，至少覆盖该多晶硅图案层；

于该多晶硅图案层上方的该栅极绝缘层上形成一栅极图案；

于该多晶硅图案层形成一源极区、一漏极区与一有源区，且该有源区位于该源极区与该漏极区之间；

形成一保护层，以覆盖部分该栅极绝缘层与该栅极图案；以及

于该保护层上形成一源极导电层与一漏极导电层，该源极导电层、该漏极导电层会分别与该多晶硅图案层的该源极区、该漏极区电性连接，

其中该保护层具有暴露出该栅极图案的一第一接触窗开口，该保护层与该栅极绝缘层中具有分别暴露出该源极区与该漏极区的一第二接触窗开口与一第三接触窗开口，该源极导电层借由该第二接触窗开口而与该源极区电性连接，而该漏极导电层借由该第三接触窗开口而与该漏极区电性连接。

2.如权利要求1所述的薄膜晶体管的制作方法，其特征在于，在形成该牺牲层之前，还包括于该基板上形成一缓冲层。

3.如权利要求1所述的薄膜晶体管的制作方法，其特征在于，在形成该栅极绝缘层之前，还包括移除该牺牲层。

4.如权利要求1所述的薄膜晶体管的制作方法，其特征在于，形成该多晶硅图案层的步骤包括：

于该基板上形成一非晶硅图案层；

对该非晶硅图案层进行一再结晶处理，以形成一多晶硅图案层。

5.如权利要求4所述的薄膜晶体管的制作方法，其特征在于，该再结晶处理包括固相再结晶技术。

6.如权利要求4所述的薄膜晶体管的制作方法，其特征在于，该再结晶处理包括金属诱发侧向结晶技术。

7.如权利要求4所述的薄膜晶体管的制作方法，其特征在于，该再结晶处理包括激光再结晶技术。

8.一种薄膜晶体管，包括：

一基板；

一多晶硅图案层，配置于该基板上，且该多晶硅图案层具有一源极区、一漏极区与一有源区，其中该有源区位于该源极区与该漏极区之间，且该多晶硅图案层的该有源区中具有一开口；

一栅极绝缘层，至少覆盖该多晶硅图案层；

一栅极图案，配置于该栅极绝缘层上且对应该多晶硅图案层的该有源区；

一保护层，覆盖部分该栅极绝缘层与该栅极图案；

一源极导电层与一漏极导电层，配置于该保护层上，且分别与该多晶硅图案层的该源极区、该漏极区电性连接，

其中该保护层具有暴露出该栅极图案的一第一接触窗开口，该保护层与该栅极绝缘层中具有分别暴露出该源极区与该漏极区的一第二接触窗开口与一第三接触窗开口，该源极导电层借由该第二接触窗开口而与该源极区电性连接，而该漏极导电层借由该第三接触窗开口而与该漏极区电性连接。

9.如权利要求8所述的薄膜晶体管，其特征在于，还包括一牺牲层，配置于该多晶硅图案层的该开口中，且该栅极绝缘层覆盖该牺牲层。

10.如权利要求8所述的薄膜晶体管，其特征在于，还包括一缓冲层，配置于该基板与该多晶硅图案层之间。

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