专利名称：薄膜晶体管的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体装置的制造方法，特别是涉及一种应用于光电显示装置、传感器等的薄膜晶体管制造方法。
背景技术：
制作半导体集成电路与装置的过程需使用多道的光刻步骤，以定义、形成各种特定的电路元件与制造工艺所需的电路设计。传统光刻系统在覆盖有一光敏感膜(光致抗蚀剂层)的平坦基底上投射一由一光掩模定义的特定电路或元件图案，待图案曝光后，进行光敏感膜显影，以留下基底上的电路或元件图案，该图案化基底续进行例如蚀刻及掺杂等制造工艺步骤。在制作光电显示装置与传感器薄膜晶体管的过程中，光刻制造工艺须耗费多倍的时间。
每一光刻制造工艺的进行均代表材料、劳动力或技术成本的耗费、生产率的下降以及生产时间的浪费，因此，若能提出任何可减少上述耗费事项的简化制作流程，对制造工艺改良上来说，均是一大创新与贡献，而减少光刻制造工艺即是提供一简化性制造工艺，若以此优势面对市场上其它类似产品的竞争，势必在成本管控及出货效率上更形有利。
请参阅图1A～1J，其为利用六道光刻掩模制作传统P通道薄膜晶体管的剖面示意图。如图1A所示，提供一平坦化玻璃基底102，其表面上堆栈有两膜层，一缓冲层104与一多晶硅层106。其中缓冲层104由一例如为氧化硅的绝缘材料所组成，藉由化学气相沉积或在气态环境下的热成长而形成，而多晶硅层106则利用化学气相沉积法形成于堆栈的玻璃-缓冲层上，且在沉积过程中可轻掺杂n型或P型的掺质。上述多晶硅层106的任意掺杂可调整后续定义的晶体管栅通道的起始电压特性。值得注意的是，一些传统的制造工艺有利用单晶硅材料代替此处的多晶硅层106。
接下来，如图1B所示，形成一第一光刻掩模图案108于堆栈的多晶硅层106、缓冲层104与玻璃基底102上。接着，以光掩模图案108为掩模，图案化多晶硅层106，该多晶硅层106作为将来在缓冲层104与基底102上形成晶体管的区域。在蚀刻多晶硅层106的步骤中，多晶硅层106由于有上层光掩模图案108的保护，遂形成一独立的多晶硅区106，如图1C所示，以作为将来形成特定或简单薄膜晶体管装置的基础。接着，如图1D所示，藉由气态环境的热成长或化学气相沉积形成一例如氧化硅的介电层110于蚀刻后的多晶硅层106与缓冲层104上。介电层110例如为一之后作为薄膜晶体管栅介电层的栅氧化层。此外，图1D亦显示以一金属离子溅射或化学电镀制造工艺沉积一栅金属层112于栅氧化层110上。
接下来，如图1E所示，形成一第二光刻光掩模图案114于栅金属层112上，此光掩模图案114可保护特定区域的栅金属层112避免被蚀刻，以形成薄膜晶体管栅极与水平设置于基底102上连接多数特定薄膜晶体管栅极的栅金属导线。蚀刻栅金属层112的步骤通常为湿蚀刻法或干化学等离子体蚀刻法。
图1F显示蚀刻栅金属层与移除光掩模图案114之后的栅极112剖面图。移除光掩模图案114后，掺杂p型掺质至区域118与120，区域118与120邻近栅极112但不位于其正下方。掺杂步骤为p型掺质如硼或双氟硼的离子注入116，以形成多晶硅层106中的源极118与漏极120，而位在栅极正下方没有掺杂的区域，则形成栅极通道，至此即完成有源薄膜晶体管元件包括源极118、漏极120、栅极112以及晶体管通道区的制作。标准化的离子注入程序116，使得掺质落于多晶硅层中的118与120区域且栅金属112阻挡了晶体管栅极通道的掺杂。此外，若要制作n型通道的薄膜晶体管结构，将可采用n型掺质如磷的离子注入，以形成n型的源极与漏极区。在上述源/漏极掺杂步骤后，通常会进行一热回火制造工艺(未图示)以修补掺杂层的任何物理性伤害，同时活化、分散掺质。
图1G显示利用第三道光掩模制作薄膜晶体管的剖面图。首先，以化学沉积形成一层间介电层122于栅金属层112上，接着，图案化并以湿蚀刻或干化学等离子体制造工艺蚀刻层间介电层122，以形成从层间介电层122上表面贯穿至薄膜晶体管源/漏极区118与120的垂直开口124。于平坦化后以离子溅射法填入导电金属至垂直开口124中，以提供一从层间介电层122至薄膜晶体管源/漏极区118与120的垂直内联机。
完成垂直内联机制作后，以金属离子溅射或化学电镀制造工艺全面性地沉积一金属层126于层间介电层122上。之后，形成一第四掩模图案(未图)于金属层126上，以定义、形成连接各薄膜晶体管源/漏极区的水平金属导线，以完成电路制作，图1H即显示薄膜晶体管装置于设置第四掩模图案并蚀刻金属层后的剖面图。图中显示新的金属导线126藉由之前形成并已被充填的垂直内联机124与薄膜晶体管源/漏极区118与120连接。在形成金属导线126后，续利用化学沉积形成一钝态介电层128于薄膜晶体管装置上。
图1I显示利用第五道光掩模制作薄膜晶体管装置的剖面图。首先，形成一第五掩模图案于钝态层128上，且以此为蚀刻掩模，利用湿蚀刻或干化学等离子体制造工艺形成一垂直的内联机开口130并露出金属导线126，该垂直内联机开口130用以连接金属导线126与未来形成于钝态层128上的金属导线。之后，平坦化并以离子溅射法填入导电金属至垂直开口130中。
接着，如图1J所示，沉积一通常为铟锡氧化物的最终金属层132于钝态层128上，之后，利用第六掩模图案，图案化金属层132以完成最终薄膜晶体管装置的制作。
在此重申，若能提出任何可减少上述制造工艺操作的简化制作流程，将大幅降低制作半导体装置的成本。
一简化并降低成本的制作流程，须同时能维持必要的半导体装置与元件的物理及电性表现。
发明内容
本发明提供一种薄膜晶体管的制造方法，包括下列步骤提供一基底，该基底至少包括依序堆栈的一硅层、一第一介电层以及一栅金属层；形成一光致抗蚀剂层于该基底上；以一单一曝光程序选择性地移除一部分的光致抗蚀剂层，以形成一第一光致抗蚀剂图案，该第一光致抗蚀剂图案包括一具有一第一宽度的第一部分结构与一具有一第二宽度的第二部分结构，而该第二部分结构位于该第一部分结构下方；移除部份该栅金属层、该第一介电层与该硅层，以使上述各层具有与该第二部分结构相同的该第二宽度；选择性地缩减该第一光致抗蚀剂图案，以形成一具有该第一宽度的第二光致抗蚀剂图案；利用该第二光致抗蚀剂图案为掩模，缩减该栅金属层，以使其具有与该第二光致抗蚀剂图案相同的该第一宽度；以及掺杂一预定掺质至该硅层中，以形成一预定型式的一源极区与一漏极区，该源极与漏极区不位于该缩减的栅金属层的正下方区域。
相较于传统必须利用两个分离的光掩模图案方能制作两部分光致抗蚀剂图案的做法，本发明提供一单一光掩模即可形成两部分光致抗蚀剂结构的方法，不但达到相同目的亦可大幅节省制作成本。
为让本发明的上述目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合附图作详细说明。
图1A～1J为传统利用六道光刻光掩模制作p通道薄膜晶体管的剖面示意图。
图2A～2K为本发明的一实施例利用五道光刻光掩模制作薄膜晶体管的剖面示意图。
图3为图2A～2K的流程图。简单符号说明现有部分(图1A～1J)102～基板；104～缓冲层；106～多晶硅层(薄膜晶体管)；108～第一光掩模图案；110～介电层；112～栅金属层(栅极)；114～第二光掩模图案；116～离子注入；118～源极；120～漏极；122～层间介电层；124～开口；126、132～金属层；128～钝态层。
本案实施例部分(图2A～2K以及图3)202～基底；204～缓冲层；
206～多晶硅层；208～介电层；210～栅金属层；212～第一光致抗蚀剂图案(a与b)；214～第二光致抗蚀剂图案；216～离子注入；218～源极；220～漏极；222～层间介电层；224、230～开口；226、232～金属层；228～钝化层。
具体实施例方式
相比于传统六道光掩模的制作流程，本发明揭露利用五道光刻光掩模，有效制作薄膜晶体管的方法，且本发明制作而得的薄膜晶体管装置其有源晶体管的组成及尺寸与传统六道光掩模制造工艺的相同。另为简化叙述，本发明制作一p通道的薄膜晶体管，但不限定于此，只要改变掺质，即可制作n通道的装置。
图2A～2K为本发明的一实施例利用五道光刻光掩模制作p通道薄膜晶体管的剖面示意图。如图2A所示，首先，提供一平坦化玻璃基底202，其表面上堆栈有两膜层，一缓冲层204与一多晶硅层206，其中缓冲层204由一例如为氧化硅的绝缘材料所构成，其藉由化学气相沉积或在气态环境下的热成长而形成，而多晶硅层206则利用化学气相沉积形成于该堆栈的玻璃-缓冲层上，且在沉积过程中，可轻掺杂n型或P型掺质。接着，藉由气态环境下的热成长或化学气相沉积法形成一例如氧化硅的介电层208于多晶硅层206与缓冲层204上，介电层208例如为一之后作为薄膜晶体管栅介电层的栅氧化层。之后，以一金属离子溅射或化学电镀制造工艺沉积一栅金属层210于栅氧化层208上。图2B显示覆盖一第一光致抗蚀剂层212于栅金属层210上。
接着，如图2C所示，以一第一光刻光掩模选择性地移除第一光致抗蚀剂层，以形成一位于栅金属层210上的第一光致抗蚀剂图案212。该光掩模为一半透式光掩模，其上至少具有两个光线穿透速率不同的区域，由于此光线剂量的差异，光致抗蚀剂层上的不同区域会产生不同程度的活化，而形成一个两部分的光致抗蚀剂结构212。此两部分的单一光致抗蚀剂结构212包括一具有一预定几何形状(例如高度及宽度)的第一部分a以及一在第一部分结构下方具有另一预定几何形状(例如高度与宽度)的第二部分b，且a与b为相同的材料。该两部分的光致抗蚀剂结构亦称为一阶梯式结构，遂光致抗蚀剂图案可随不同光掩模设计而变动。此外，第一光致抗蚀剂图案中第一与第二部分的宽度可作为制作薄膜晶体管时，各层别材料更换的参考点。另该半透式光掩模，其中心区域与周围区域的材料可为不同材料，以得到不同的遮光效率，使在单一曝光制造工艺中于光致抗蚀剂层上获得不同的曝光剂量。或是两区域均使用相同的材料，而在中心区域设计一预定图案以遮蔽具有和穿透周围区域相同速率的光线。
于堆栈层202～210上形成第一光致抗蚀剂图案212后，如图2D所示，该些未图案化、未曝光的堆栈层续由两部分光致抗蚀剂结构a与b予以定义，透过蚀刻步骤移除部分的栅金属层210、栅氧化层208以及多晶硅206层，典型的蚀刻步骤包含湿蚀刻与干等离子体蚀刻等方法。
接着，如图2E所示，利用干蚀刻或自动等离子体制造工艺选择性地缩减该两部分光致抗蚀剂图案，以在堆栈层206～210上形成一具有单一部分结构的第二光致抗蚀剂图案214，第二光致抗蚀剂图案214具有与先前第一部分结构a相同的宽度与面积。接着，利用湿蚀刻或干化学等离子体蚀刻以此缩减的光致抗蚀剂图案214为掩模，蚀刻栅金属层210，结果如图2F所示。至此完成第一光掩模的使用并移除光致抗蚀剂层214。
两关键的晶体管定义步骤，一为利用第一光致抗蚀剂图案212定义栅金属层210、栅氧化层208以及多晶硅层206，使多晶硅层206分离成特定薄膜晶体管的区域，二为利用第二光致抗蚀剂图案214定义栅金属层210以形成每一晶体管的栅极。因此，本发明利用此单一、两部分的光致抗蚀剂结构212提供相较于传统必须利用两个分离光掩模图案方能完成两次定义步骤的更简化的方法，大幅节省制作成本。
图2G显示移除光致抗蚀剂图案214后，栅极210的剖面示意图。在移除光致抗蚀剂图案214后，掺杂p型掺质至区域218与220，区域218与220邻近栅极210但不位于其正下方。掺杂步骤为p型掺质如硼或双氟硼的离子注入216，以形成多晶硅层206中的源极218与漏极220，而位在栅极正下方没有掺杂的区域，则形成栅极通道，至此即完成有源薄膜晶体管元件包括源极218、漏极220、栅极210以及晶体管通道区的制作。标准化的离子注入程序216，使得掺质落于多晶硅层中的218与220区域，且栅金属210阻挡了晶体管栅极通道的掺杂。若要制作n型通道的薄膜晶体管结构，可采用n型掺质如磷的离子注入，以形成n型的源极与漏极区。在上述源/漏极掺杂步骤后，通常会进行一热回火制造工艺(未图示)以修补掺杂层的任何物理性伤害并同时活化、分散趋入的掺质。
图2H显示利用第二道光掩模制作薄膜晶体管的剖面图。在薄膜晶体管源/漏极区域形成后，以化学沉积形成一层间介电层222于栅金属层210与栅氧化层208上。接着，图案化并以湿蚀刻或干化学等离子体制造工艺蚀刻层间介电层222，以形成从层间介电层222上表面贯穿至薄膜晶体管源/漏极区218与220的垂直开口224。
平坦化后以离子溅射法填入导电金属至垂直开口224中，以提供一从层间介电层222至薄膜晶体管源/漏极区218与220的垂直内联机。于完成垂直内联机制作后，以金属离子溅射或化学电镀制造工艺，全面性地沉积一金属层226于层间介电层222上。
之后，以第三光掩模定义电路中的水平金属导线，图2I显示薄膜晶体管装置于设置第三掩模图案并蚀刻金属图案后的剖面图，图中显示新的金属导线226藉由之前形成并已被充填的垂直内联机224与薄膜晶体管源/漏极区218与220连接。在形成金属导线226后，续利用化学沉积形成一钝态介电层228于薄膜晶体管装置上。
图2J显示利用第四道光掩模制作薄膜晶体管装置的剖面图。首先，形成一第四掩模图案于钝态层228上，且以此为蚀刻掩模，利用湿蚀刻或干化学等离子体制造工艺形成一垂直的内联机开口230并露出金属导线226。该垂直内联机开口230用以连接金属导线226与未来形成于钝态层228上的金属导线。之后，平坦化并以离子溅射法填入导电金属至垂直开口230中。
填入导电金属至垂直开口230后，沉积一通常为铟锡氧化物的最终金属层232于钝态层228上，接着，利用第五掩模图案图案化金属层232以完成最终薄膜晶体管装置的制作，如图2K所示。
图3为本发明制作薄膜晶体管时，每一光刻光掩模步骤其目的与顺序的总结流程图300。步骤302中，利用第一光掩模配合数个蚀刻步骤以形成一单一光致抗蚀剂图案，过程中，利用一单一曝光制造工艺，以两部分结构的光致抗蚀剂图案为掩模，图案化并蚀刻多晶硅层与栅金属层，以形成每一薄膜晶体管的特定区域。该方法仅利用单一光掩模即可定义不同宽度的栅金属层与多晶硅层，明显降低薄膜晶体管装置的制造成本。步骤304中，利用图案化与蚀刻介电层，以形成连接薄膜晶体管源/漏极区域与下一道金属层的垂直开口，续填入金属连接该源/漏极区，并沉积一金属层于顶部。步骤306中，图案化该金属层，以形成一连接薄膜晶体管源/漏极区的特定线路。步骤308中，图案化并蚀刻一薄膜晶体管装置上的钝态层，以形成垂直内联机开口，供如步骤304的金属层沉积。步骤310中，图案化另一例如为铟锡氧化物的连接物质，以连接步骤308形成的垂直内联机开口。
本发明薄膜晶体管装置的制造仅使用五道光刻光掩模，且制作而得的薄膜晶体管装置，其尺寸大小、材料组成与元件位置均与传统上利用六道光掩模制作出来的结果相同。本发明揭露一薄膜晶体管的简化制造工艺，并以一单一光掩模完成两传统光掩模的工作。本发明减少光刻制造工艺的结果，将使在面对市场上其它类似产品的竞争时，更具成本管控及出货效率的竞争力。
本发明可顺利兼容于现今、传统与未来的制造工艺技术中，本文提供数个实例以揭式本发明的不同特征，而特定元件与制造工艺的实例则为帮助更了解本发明，因此，并不限定为本发明的范围。
虽然本发明以优选实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以后附的权利要求所界定者为准。
权利要求
1.一种薄膜晶体管的制造方法，包括提供一基底，该基底至少包括依序堆栈的一硅层、一第一介电层以及一栅金属层；形成一光致抗蚀剂层于该基底上；以一单一曝光程序选择性地移除一部分的光致抗蚀剂层，以形成一第一光致抗蚀剂图案，该第一光致抗蚀剂图案包括一具有一第一宽度的第一部分结构与一具有一第二宽度的第二部分结构，该第二部分结构位于该第一部分结构下方；移除部份该栅金属层、该第一介电层与该硅层，以使上述各层具有与该第二部分结构相同的该第二宽度；选择性地缩减该第一光致抗蚀剂图案，以形成一具有该第一宽度的第二光致抗蚀剂图案；利用该第二光致抗蚀剂图案为掩模，缩减该栅金属层，以使其具有与该第二光致抗蚀剂图案相同的该第一宽度；以及掺杂一预定掺质至该硅层中，以形成一预定型式的一源极区与一漏极区，而该源极区与漏极区不位于该缩减的栅金属层的正下方区域。
2.如权利要求1所述的薄膜晶体管的制造方法，还包括形成一第二介电层，该第二介电层的结构覆盖于该栅金属层上方，且具有两开口分别穿过该第一介电层露出该源极与漏极区；以及形成一第一导电层填入该些开孔，以分别连接该源极与漏极区。
3.如权利要求2所述的薄膜晶体管的制造方法，还包括形成一钝态层于该第一导电层与该第二介电层上。
4.如权利要求3所述的薄膜晶体管的制造方法，还包括于该钝态层中形成一或多个连接开口，该开口暴露出该第一导电层；以及形成该第二导电层，以连接该第一导电层。
5.如权利要求1所述的薄膜晶体管的制造方法，其中选择性地移除一部分光致抗蚀剂层的步骤还包括利用一具有一第一与第二区域的预定光掩模，以一光源，选择性地曝光该光致抗蚀剂层，通过该第一区域的光线较该第二区域为少，以形成该第一部分与第二部分结构。
6.如权利要求5所述的薄膜晶体管的制造方法，其中该光掩模上的该第一与第二区域由不同材料所构成。
7.一种薄膜晶体管的制造方法，包括提供一基底，该基底至少包括依序堆栈的一硅层、一第一介电层以及一栅金属层；形成一光致抗蚀剂层于该基底上；以一单一曝光程序，利用一预定光掩模，选择性地移除一部分的光致抗蚀剂层，以形成一第一光致抗蚀剂图案，该第一光致抗蚀剂图案包括一具有一第一几何构形的第一部分结构与一具有一第二几何构形的第二部分结构，该第二部分结构位于该第一部分结构下方；移除部份该栅金属层、该第一介电层与该硅层，以使上述各层具有该第二几何构形；选择性地缩减该第一光致抗蚀剂图案，以形成一具有该第一几何构形的第二光致抗蚀剂图案；利用该第二光致抗蚀剂图案为掩模，缩减该栅金属层，以使其具有与该第二光致抗蚀剂图案相同的该第一几何构形；以及掺杂一预定掺质至该硅层中，以形成一预定型式的一源极区与一漏极区，该源极区与漏极区不位于该缩减的栅金属层的正下方区域。
8.如权利要求7所述的薄膜晶体管的制造方法，还包括形成一第二介电层，该第二介电层的结构覆盖于该栅金属层上方，且具有两开口分别穿过该第一介电层露出该源极与漏极区；以及形成一导电层填入该些开孔，以分别连接该源极与漏极区。
9.如权利要求8所述的薄膜晶体管的制造方法，还包括形成一钝态层于该导电层与该第二介电层上。
10.如权利要求9所述的薄膜晶体管的制造方法，还包括于该钝态层中形成一或多个连接开口，该开口暴露出该导电层。
11.如权利要求7所述的薄膜晶体管的制造方法，其中该预定光掩模具有一中心与一周围区域，且通过该中心区域的光线较该周围区域为少，以形成该第一与第二部分结构。
12.如权利要求11所述的薄膜晶体管的制造方法，其中该光掩模上的该中心与周围区域由相同材料所构成，而该周围区域上的一预定光掩模图案用来遮蔽欲通过的光线。
13.如权利要求11所述的薄膜晶体管的制造方法，其中该光掩模上的该中心与周围区域由不同材料所构成，而该中心区域材料所遮蔽的光线较该周围区域材料为多。
14.一种薄膜晶体管的制造方法，包括提供一基底，该基底至少包括依序堆栈的一硅层、一第一介电层以及一栅金属层；形成一光致抗蚀剂层于该基底上；以一单一曝光程序形成一第一光致抗蚀剂图案，该第一光致抗蚀剂图案为一阶梯结构，包括一具有一第一宽度的中心部分结构与一具有一第二宽度的底部部分结构，该底部部分结构位于该中心部分结构下方，且该第一宽度小于该第二宽度；移除部份该栅金属层、该第一介电层与该硅层，以使上述各层具有与该底部部分结构相同的该第二宽度；缩减该第一光致抗蚀剂图案，以形成一具有该第一宽度的第二光致抗蚀剂图案；利用该第二光致抗蚀剂图案为掩模，缩减该栅金属层，以使其具有与该第二光致抗蚀剂图案相同的该第一宽度；以及掺杂一预定掺质至该硅层中，以形成一预定型式的一源极区与一漏极区，该源极与漏极区不位于该缩减的栅金属层的正下方区域；形成一第二介电层，该第二介电层的结构覆盖于该栅金属层上方，且具有两开口分别穿过该第一介电层露出该源极与漏极区；形成一第一导电层填入该些开孔，以分别连接该源极与漏极区；以及形成一钝态层于该第一导电层与该第二介电层上，该钝态层形成有一或多个连接开口，该开口暴露出第一导电层。
15.如权利要求14所述的薄膜晶体管的制造方法，其中该第二导电层为一铟锡氧化层。
16.如权利要求14所述的薄膜晶体管的制造方法，其中形成该第一光致抗蚀剂图案的步骤还包括利用一具有一第一与第二区域的预定光掩模曝光，通过该第一区域的光线较该第二区域为少，以形成该阶梯结构。
17.如权利要求16所述的薄膜晶体管的制造方法，其中该光掩模上的该第一与第二区域由不同材料所构成，而该第一区域材料所遮蔽的光线较该第二区域材料为多。
18.如权利要求16所述的薄膜晶体管的制造方法，其中该光掩模上的该第一与第二区域由相同材料所构成，而该第二区域上的一预定光掩模图案用来遮蔽欲通过的光线。
19.如权利要求14所述的薄膜晶体管的制造方法，其中缩减该第一光致抗蚀剂图案的步骤还包括利用一干蚀刻制造工艺，以缩减该第一光致抗蚀剂图案。
20.如权利要求14所述的薄膜晶体管的制造方法，其中缩减该第一光致抗蚀剂图案的步骤还包括利用一自动等离子体制造工艺。以缩减该第一光致抗蚀剂图案。
全文摘要
本发明提供一种薄膜晶体管的制造方法，包括形成一光致抗蚀剂层于一基底上。之后，以一单一曝光程序选择性地移除一部分的光致抗蚀剂层，以形成一光致抗蚀剂图案，而该光致抗蚀剂图案包括一具有一第一宽度的第一部分结构与一具有一第二宽度的第二部分结构，且该第二部分结构位于该第一部分结构下方。本发明提供的光致抗蚀剂图案可减少制作薄膜晶体管时所需使用的光掩模数目。
文档编号H01L21/44GK1558292SQ20041005587
公开日2004年12月29日 申请日期2004年8月5日 优先权日2003年11月21日
发明者陈坤宏 申请人:友达光电股份有限公司