专利名称：微晶硅薄膜晶体管结构及其制造方法
技术领域：
本发明关于一种微晶硅薄膜晶体管及其制造方法；特别是有关于一种上 栅极式微晶硅薄膜晶体管及其制造方法。
背景技术：
低温多晶硅薄膜晶体管(LTPS-TFTs)与传统非晶硅薄膜晶体管(a-Si TFTs)相较，拥有更高的电子迁移率(dectron mobility)及较好的可靠度 (reliability)。然而目前多采用高温固相结晶法(solid phase crystallization)或设 备成本高的激光结晶法(excimerlaserannealing)进行多晶硅薄膜制造工艺。固 相结晶法所需的结晶温度较高，必须以硅晶圆或石英晶圆等做为基板，成本 昂贵而不利于大面积化量产。激光结晶法虽可降低结晶温度，但机台设备成 本极高且产能不高。至于利用等离子辅助化学气相沉积系统制作的微晶硅薄 膜晶体管，在传统上延续非晶硅薄膜晶体管的下栅极式(bottom gate type)元件 结构。参照图l， 一般在成长微晶硅薄膜Oic-Si layer) 103的过程中，在绝缘 层薄膜101与该微晶硅薄膜103之间会存在着一层非晶相孕核层(incubation layer)102，造成后续制作完成的微晶硅薄膜晶体管元件的反转层(inversion layer)通道区形成于该非晶相孕核层102中，而无法形成在具有结晶性的薄膜 上，使得元件电性表现不佳。
图2为一传统下栅极式微晶硅薄膜晶体管的截面结构示意图，其包括一 基板200、 一下栅极电极201、 一绝缘层202、 一微晶硅层203、 一对具n+掺 质微晶硅层204a及204b及一对源极/漏极金属电极205a及205b。该下栅极 电极201位于该基板200上方，而该绝缘层202位于该下栅极电极201上方。 该微晶硅层203位于该绝缘层202上方，而该对具n+掺质微晶硅层204a及 204b分别位于该下栅极电极201两侧该微晶硅层203上方。该对源极/漏极
6金属电极205a及205b分别位于一该具n+掺质微晶硅层204a或204b上方。 该对源极/漏极金属电极205a及205b分别与形成于其上方的一电性接触(未 示出)形成欧姆接触。该下栅极式微晶硅薄膜晶体管的反转通道区则形成于该 绝缘层202与该微晶硅层203的下方接口 。前述传统下栅极式微晶硅薄膜晶 体管可以直接利用等离子辅助化学气相沉积方式来连续成长该绝缘层202、 该微晶硅层203及该对具n+掺质微晶硅层204a或204b。但在连续成长薄膜 过程中，会在该绝缘层202与该微晶硅层203的接口产生一层非晶相孕核层 (incubation layer),如图1所示，造成该下栅极式微晶硅薄膜晶体管的该反转 通道区无法形成在具有结晶性的薄膜上，而使得电性表现不佳。
发明内容
本发明提供一种微晶硅薄膜晶体管结构，是一种上栅极式微晶硅薄膜晶 体管设计，其反转通道(inversion channel)形成于其微晶硅主动层的上方接口 结晶性薄膜中，而与位于该微晶硅主动层下方接口的非晶相孕核层薄膜分幵， 进而可提高本发明微晶硅薄膜晶体管的电子迁移率及其电性可靠度。
在一方面，本发明提供的微晶硅薄膜晶体管结构包括一基板、 一对源极/ 漏极电极、 一具第一导电性掺质微晶硅层、 一微晶硅层、 一绝缘层及一上栅 极电极。该对源极/漏极电极位于该基板上方，而该具第一导电性掺质微晶硅 层分别位于每一该源极/漏极电极上方。该微晶硅层位于该具第一导电性掺质 微晶硅层上方，而该绝缘层位于该微晶硅层上方。该上栅极电极位于该对源 极/漏极电极之间的该绝缘层上方。该对源极/漏极电极之间该微晶硅层与该 绝缘层接口具有一通道区。
在另一方面，本发明提供的微晶硅薄膜晶体管结构包括一基板、 一微晶 硅层、 一对具第一导电性掺质微晶硅层、 一对源极/漏极电极、 一绝缘层及一 上栅极电极。该微晶硅层位于该基板上方，而该对具第一导电性掺质微晶硅 层位于该微晶硅层上方。该对源极/漏极电极分别位于一该具第一导电性掺质 微晶硅层上，而该绝缘层位于该对源极/漏极电极上方。该上栅极电极位于该对源极/漏极电极之间的该绝缘层上方。该对具第一导电性掺质微晶硅层之间 该微晶硅层与该绝缘层接口具有一通道区。
本发明前述微晶硅薄膜晶体管的通道区形成于该微晶硅层与其上方的该 绝缘层接口，而与该微晶硅层下方接口的非晶相孕核层分开。该通道区具有 结晶性结构，因而可提升本发明该微晶硅薄膜晶体管的电性表现。
又另一方面，本发明提供一种双栅极微晶硅薄膜晶体管结构，其包括一 基板、 一缓冲层、 一微晶硅层、 一对具第一导电性掺质微晶硅层、 一对源极/ 漏极电极、 一绝缘层、 一上栅极电极及一下栅极电极。该缓冲层位于该基板 上方，而该微晶硅层位于该缓冲层上方。该对具第一导电性掺质微晶硅层位 于该微晶硅层上方，而该对源极/漏极电极分别位于一该具第一导电性掺质微 晶硅层上，以及该绝缘层位于该对源极/漏极电极上方。该上栅极电极位于该 对源极/漏极电极之间的该绝缘层上方，而该下栅极电极位于该基板与该缓冲 层之间并对应该上栅极电极。该对具第一导电性掺质微晶硅层之间该微晶硅 层与该绝缘层接口具有一通道区。
在本发明前述双栅极微晶硅薄膜晶体管结构中，通过该下栅极电极的设 计可加强前述通道区与该对具第一导电性掺质微晶硅层的接触面积，进而可 降低本发明微晶硅薄膜晶体管内部的串联电阻，提升该微晶硅薄膜晶体管的 电性。
本发明亦提供一种微晶硅薄膜晶体管结构的制造方法，包括提供一基板、 形成一对源极/漏极电极于该基板上方、形成一对具第一导电性掺质微晶硅层 分别于一该源极/漏极电极上、形成一微晶硅层于该对具第一导电性掺质微晶 硅层上方、形成一绝缘层于该微晶硅层上方，及形成一上栅极电极于该对源 极/漏极电极之间的该绝缘层上方，进而形成一微晶硅通道区于该对源极/漏 极电极之间该微晶硅层与该绝缘层的接口 。
本发明亦提供另一种微晶硅薄膜晶体管结构的制造方法，包括提供一基 板、形成一微晶硅层于该基板上方、形成一对具第一导电性掺质微晶硅层于该微晶硅层上方、形成一对源极/漏极电极分别于一该具第一导电性掺质微晶 硅层上、形成一绝缘层于该对源极/漏极电极上方，及形成一上栅极电极于该 对源极/漏极电极之间的该绝缘层上方，进而形成一微晶硅通道区于该对源极 /漏极电极之间该微晶硅层与该绝缘层之间接口。
图1显示一微晶硅层成长于一绝缘层上方时，该微晶硅层与该绝缘层之
间会存在有一非晶相孕核层；
图2是一传统下栅极式微晶硅薄膜晶体管截面结构示意图； 图3是本发明微晶硅薄膜晶体管的第一具体实施例的截面结构示意图； 图4是本发明微晶硅薄膜晶体管的第二具体实施例的截面结构示意图； 图5是本发明微晶硅薄膜晶体管的第三具体实施例的截面结构示意图。
附图标号-
101— -绝缘层
308， 408， 509-—导电性焊垫
102— —非晶相孕核层
103— -微晶硅层
200， 300， 400， 500——基板 201,501—-下栅极电极 202， 305， 405, 506--—绝缘层 203, 304, 402, 503——微晶硅层
204a， 204b， 303a, 303b， 403a， 403b， 504a， 504b
一一具n+掺质微晶硅层
205a， 205b， 302a， 302b，崔a, 404b， 505a， 505b
源极/漏极金属电极 301,401,502--—缓冲层 306， 406, 507 ——上栅极电极
9307, 407, 508-—电性接触
具体实施例方式
本发明通过设计不同的上栅极式微晶硅薄膜晶体管结构，以提升本发明 微晶硅薄膜晶体管的电性及可靠度。以下将通过各种具体实施例及配合图式 详细说明本发明各种不同上栅极式微晶硅薄膜晶体管结构及其制造方法。
图3为本发明微晶硅薄膜晶体管的第一具体实施例的截面结构示意图。 在第一具体实施例中，首先在一基板300上方，例如金属基板、玻璃基板或 塑料基板，形成一缓冲层301。该缓冲层301可以是氮化硅(SiNx)层、氧化硅 (SiCg层或氮氧化硅(SiNxOy)层。接着，形成一对源极/漏极金属电极302a及 302b于该缓冲层301上方。形成一对具n+掺质微晶硅层303a及303b分别位 于一该源极/漏极金属电极302a或302b上方。该对具n+掺质微晶硅层303a 及303b的制造方法可在其微晶硅层沉积过程中加入PH3气体，而得到一具 n+掺质微晶硅层，再进行图案蚀刻，以形成该对具n+掺质微晶硅层303a及 303b。此外，该对具n+掺质微晶硅层303a及303b也可以一对p+掺质微晶硅 层取代，例如可在其微晶硅层沉积过程中加入B2H6气体，而得到一具p+掺 质微晶硅层，再进行图案蚀刻，以形成该对具p+掺质微晶硅层。接着，形成 一微晶硅层(pc-Si layer)304于该对具n+掺质微晶硅层303a及303b上方，形 成一绝缘层305例如氮化硅(SiNx)层、氧化硅(SiOx)层或氮氧化硅(SiNxOy)层 于该微晶硅层304上。形成一上栅极电极306对应该对源极/漏极金属电极 302a及302b之间区域该绝缘层305上方。该上栅极电极306可以是一金属 栅极。 一对电性接触307分别穿过该绝缘层305、该微晶硅层304及该具11+ 掺质微晶硅层303a或303b，并与一该源极/漏极金属电极302a或302b形成 欧姆接触。每一该电性接触307上方形成一导电性焊垫308，以与外界建立 电性导通。该绝缘层305对应该上栅极电极306下方的区域供做该微晶硅薄 膜晶体管的栅极绝缘层，而该微晶硅薄膜晶体管的一反转通道区则形成于对 应该对源极/漏极金属电极302a及302b之间区域该微晶硅层304上方与该绝缘层305的接口。因此，藉本发明第一具体实施例上栅极式微晶硅薄膜晶体 管结构设计，可使该反转通道区形成于结晶性薄膜上，而与该微晶硅层304 下方与该缓冲层301之间接口的非晶相孕核层分开。如此一来，本发明该上 栅极式微晶硅薄膜晶体管通道区会具有较佳的电子迁移率，进而可提高该上 栅极式微晶硅薄膜晶体管的电性及其可靠度。
图4为本发明微晶硅薄膜晶体管的第二具体实施例的截面结构示意图。 在第二具体实施例中，首先形成一缓冲层401于一基板400上方，该基板400 例如是金属基板、塑料基板或玻璃基板，而该缓冲层401可以是氮化硅(SiNJ 层、氧化硅(SiCg层或氮氧化硅(SiNxOy)层。接着，形成一微晶硅层402于该 缓冲层401上方，形成一对具n+掺质微晶硅层403a及403b于该微晶硅层 402上方。该对具n+掺质微晶硅层403a及403b的制造方法可在其微晶硅层 沉积过程中加入PH3气体，而得到一具n+掺质微晶硅层，再进行图案蚀刻， 以形成该对具n+掺质微晶硅层403a及403b。此外，该对具n+掺质微晶硅层 403a及403b也可以一对p+掺质微晶硅层取代，例如可在其微晶硅层沉积过 程中加入B2H6气体，而得到一具p+掺质微晶硅层，再进行图案蚀刻，以形 成该对具p+掺质微晶硅层。接着，形成一对源极/漏极金属电极404a及404b 分别于一该具n+掺质微晶硅层403a或403b上方。形成一绝缘层405例如氮 化硅(SiN》层、氧化硅(SiCg层或氮氧化硅(SiNxOy)层于该对源极/漏极金属电 极404a及404b上方。接着，形成一上栅极电极406于对应该对源极/漏极金 属电极404a及404b之间区域该绝缘层405上方。该上栅极电极406可以是 一金属电极。 一对电性接触407分别穿过该绝缘层405而与一该源极/漏极金 属电极404a或404b形成欧姆接触。每一该电性接触407上方形成一导电性 焊垫408，以与外界建立电性导通。该绝缘层405对应该上栅极电极406下 方的区域供做该微晶硅薄膜晶体管的栅极绝缘层，而该微晶硅薄膜晶体管的 一反转通道区则形成于对应该对源极/漏极金属电极404a及404b之间区域该 微晶硅层402上方与该绝缘层405的接口。因此，通过本发明第二具体实施例上栅极式微晶硅薄膜晶体管结构设计，可使该反转通道区形成于结晶性薄
膜上，而与该微晶硅层402下方与该缓冲层401之间接口的非晶相孕核层分 开。
图5为本发明微晶硅薄膜晶体管的一第三具体实施例的截面结构示意 图，其是一种双栅极微晶硅薄膜晶体管结构设计。在第三具体实施例中，首 先形成一下栅极电极501于一基板500上方，该基板500例如是金属基板、 塑料基板或玻璃基板。该下栅极电极501可以是一金属栅极。接着，形成一 缓冲层502于该下栅极电极501上方，该缓冲层502可以是氮化硅(SiN。层、 氧化硅(SiCg层或氮氧化硅(SiNxOy)层。形成一微晶硅层503于该缓冲层502 上方，接着形成一对具n+掺质微晶硅层504a及504b于该微晶硅层503上方 并分别对应该下栅极电极501两侧。该对具n+掺质微晶硅层504a及504b的 制造方法可在其微晶硅层沉积过程中加入PH3气体，而得到一具n+掺质微晶 硅层，再进行图案蚀刻，以形成该对具n+掺质微晶硅层504a及504b。此外， 该对具n+掺质微晶硅层504a及504b也可以一对p+掺质微晶硅层取代，例如 可在其微晶硅层沉积过程中加入B2H6气体，而得到一具p+掺质微晶硅层， 再进行图案蚀刻，以形成该对具p+掺质微晶硅层。之后，形成一对源极/漏极 金属电极505a及505b分别于一该具n+掺质微晶硅层504a或504b上方。形 成一绝缘层506例如氮化硅(SiNx)层、氧化硅(SiOx)层或氮氧化硅(SiNxOy)层 于该对源极/漏极金属电极505a及505b上方。之后，形成一上栅极电极507 对应该下栅极电极501而形成于该绝缘层506上方。该上栅极电极507可以 是一金属栅极。形成一对电性接触508分别穿过该绝缘层506而与一该源极/ 漏极金属电极505a或505b形成欧姆接触。每一该电性接触508上方形成一 导电性焊垫509，以与外界建立电性导通。该绝缘层506介于该对源极/漏极 金属电极505a及505b之间的区域供做该双栅极微晶硅薄膜晶体管的栅极绝 缘层，并且一反转通道区形成于该对源极/漏极金属电极505a及505b之间该 微晶硅层503上方与该绝缘层506的接口 。该反转通道区与存在于该微晶硅
12层503下方与该缓冲层502的接口中的一非晶相孕核层分开。
当作用电压施加于该上栅极电极507时，该上栅极电极507产生的电场 与该对源极/漏极金属电极505a及505b重叠的部份会被该对源极/漏极金属电 极505a及505b所遮蔽。在第三具体实施例中，加入一个辅助性的下栅极电 极501，即可加强该反转通道区与该对具n+掺质微晶硅层504a及504b的接 触面积，进而可降低本发明微晶硅薄膜晶体管的内部串联电阻，而进一步提 升该晶体管元件的电性。
本发明的微晶硅薄膜晶体管结构可利用等离子化学气相沉积方法连续成 长前述绝缘层、微晶硅层及具导电性掺质微晶硅层，例如具n+掺质微晶硅层 或具p+掺质微晶硅层。本发明前述微晶硅薄膜晶体管的制造方法即可避免传 统低温多晶硅薄膜晶体管繁杂的离子布植及活化制造工艺。再者，本发明利 用等离子化学气相沉积方法连续成长前述绝缘层、微晶硅层及具导电性掺质 微晶硅层，利于大面积化量产薄膜晶体管元件，又兼具大面积化的良好元件 匀均性。本发明提供的微晶硅薄膜晶体管结构及其制造方法适合应用在有机 发光二极管面板的制作上。
以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并非用以限定本发明的权利要 求范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均 应包含在权利要求范围内。
权利要求
1.一种微晶硅薄膜晶体管结构，其特征在于，所述的微晶硅薄膜晶体管结构包括一基板；一对源极/漏极电极，位于所述的基板上方；一具第一导电性掺质微晶硅层，分别位于每一所述的源极/漏极电极上方；一微晶硅层，位于所述的具第一导电性掺质微晶硅层上方；一绝缘层，位于所述的微晶硅层上方；及一上栅极电极，位于所述的这对源极/漏极电极之间的所述的绝缘层上方；其中所述的这对源极/漏极电极之间所述的微晶硅层与所述的绝缘层接口具有一通道区。
2. 如权利要求1所述的微晶硅薄膜晶体管结构，其特征在于，所述的微 晶硅薄膜晶体管结构更包含一缓冲层介于所述的基板与所述的这对源极/漏 极电极之间。
3. 如权利要求1所述的微晶硅薄膜晶体管结构，其特征在于，所述的基 板包含金属基板、玻璃基板或塑料基板。
4. 如权利要求1所述的微晶硅薄膜晶体管结构，其特征在于，所述的具 第一导电性掺质微晶硅层是一 n+型掺质微晶硅层或一 p+型掺质微晶硅层。
5. 如权利要求1所述的微晶硅薄膜晶体管结构，其特征在于，所述的绝 缘层包含氮化硅、氧化硅或氮氧化硅。
6. 如权利要求1所述的微晶硅薄膜晶体管结构，其特征在于，所述的这 对源极/漏极电极为金属电极。
7. 如权利要求1所述的微晶硅薄膜晶体管结构，其特征在于，所述的上栅极电极为金属栅极。
8. 如权利要求2所述的微晶硅薄膜晶体管结构，其特征在于，所述的缓 冲层包含氮化硅、氧化硅或氮氧化硅。
9. 一种微晶硅薄膜晶体管结构，其特征在于，所述的微晶硅薄膜晶体管结构包括 一基板；一微晶硅层，位于所述的基板上方；一对具第一导电性掺质微晶硅层，位于所述的微晶硅层上方； 一对源极/漏极电极，分别位于一所述的具第一导电性惨质微晶硅层上； 一绝缘层，位于所述的这对源极/漏极电极上方；及 一上栅极电极，位于所述的这对源极/漏极电极之间的所述的绝缘层上方；其中所述的这对具第一导电性掺质微晶硅层之间所述的微晶硅层与所述 的绝缘层接口具有一通道区。
10. 如权利要求9所述的微晶硅薄膜晶体管结构，其特征在于，所述的微 晶硅薄膜晶体管结构更包含一缓冲层介于所述的微晶硅层与所述的基板之 间。
11. 如权利要求9所述的微晶硅薄膜晶体管结构，其特征在于，所述的基 板包含金属基板、玻璃基板或塑料基板。
12. 如权利要求9所述的微晶硅薄膜晶体管结构，其特征在于，所述的具 第一导电性掺质微晶硅层是一 n+型掺质微晶硅层或一 p+型掺质微晶硅层。
13. 如权利要求9所述的微晶硅薄膜晶体管结构，其特征在于，所述的绝 缘层包含氮化硅、氧化硅或氮氧化硅。
14. 如权利要求9所述的微晶硅薄膜晶体管结构，其特征在于，所述的这 对源极/漏极电极为金属电极。
15. 如权利要求9所述的微晶硅薄膜晶体管结构，其特征在于，所述的上栅极电极为金属栅极。
16. 如权利要求9所述的微晶硅薄膜晶体管结构，其特征在于，所述的微 晶硅薄膜晶体管结构更包含一缓冲层位于所述的基板上方及一下栅极电极位 于所述的缓冲层与所述的基板之间并对应所述的上栅极电极。
17. 如权利要求16所述的微晶硅薄膜晶体管结构，其特征在于，所述的上栅极电极及所述的下栅极电极为金属电极。
18. —种微晶硅薄膜晶体管的制造方法，所述的方法包括 提供一基板；形成一对源极/漏极电极于所述的基板上方；形成一对具第一导电性掺质微晶硅层分别于一所述的源极/漏极电极上； 形成一微晶硅层于所述的这对具第一导电性掺质微晶硅层上方； 形成一绝缘层于所述的微晶硅层上方；及形成一上栅极电极于所述的这对源极/漏极电极之间的所述的绝缘层上方。
19. 如权利要求18所述的微晶硅薄膜晶体管的制造方法，其中在所述的 这对源极/漏极电极形成之前更包含形成一缓冲层于所述的基板上。
20. 如权利要求18所述的微晶硅薄膜晶体管的制造方法，其中所述的这 对具第一导电性掺质微晶硅层为n+型掺质微晶硅层或p+型掺质微晶硅层。
21. 如权利要求20所述的微晶硅薄膜晶体管的制造方法，其中在形成所 述的这对具第一导电性掺质微晶硅层的制造工艺中加入PH3气体或B2H6气 体。
22. —种微晶硅薄膜晶体管的制造方法，所述的方法包括 提供一基板；形成一微晶硅层于所述的基板上方；形成一对具第一导电性掺质微晶硅层于所述的微晶硅层上方； 形成一对源极/漏极电极分别于一所述的具第一导电性惨质微晶硅层上；形成一绝缘层于所述的这对源极/漏极电极上方；及 形成一上栅极电极于所述的这对源极/漏极电极之间的所述的绝缘层上方。
23. 如权利要求22所述的微晶硅薄膜晶体管的制造方法，其中在所述的 微晶硅层形成之前更包含形成一下栅极电极于所述的基板上。
24. 如权利要求22所述的微晶硅薄膜晶体管的制造方法，其中在所述的 微晶硅层形成之前更包含形成一缓冲层于所述的基板上。
25. 如权利要求23所述的微晶硅薄膜晶体管的制造方法，其中在所述的 下栅极电极形成之后，接着形成一缓冲层于所述的下栅极电极上方。
26. 如权利要求22所述的微晶硅薄膜晶体管的制造方法，其中所述的这 对具第一导电性掺质微晶硅层为n+型掺质微晶硅层或p+型掺质微晶硅层。
27. 如权利要求26所述的微晶硅薄膜晶体管的制造方法，其中在形成所 述的这对具第一导电性掺质微晶硅层的制造工艺中加入PH3气体或B2He气 体。
全文摘要
本发明提供一种微晶硅薄膜晶体管结构及其制造方法，其反转通道形成于其微晶硅主动层上方接口，而与该微晶硅主动层下方接口的孕核层分开。本发明的该反转通道形成在该微晶硅主动层上方接口结晶性薄膜中，因而使本发明微晶硅薄膜晶体管具有较好的电性及可靠度。
文档编号H01L21/02GK101527319SQ200810082070
公开日2009年9月9日 申请日期2008年3月5日 优先权日2008年3月5日
发明者叶永辉, 时定康, 蔡政儒, 陈柏求, 黄俊杰 申请人:财团法人工业技术研究院