TWI422035B - 半導體元件結構及其製造方法 - Google Patents

Description

半導體元件結構及其製造方法

本發明是有關於一種氧化物半導體電晶體及其製造方法，且特別是有關於一種顯示面板之薄膜電晶體陣列及其製造方法。

對於採用氧化物半導體例如銦鎵鋅氧化物(InGaZnO，IGZO)作為通道層材料之半導體元件結構(例如，薄膜電晶體)，通道層容易受到元件周圍氣氛(例如矽氧化物層或矽氮化物層之製程中使用的SiH4氣體)的影響，導致元件特性產生變化。例如，銦鎵鋅氧化物層若和含游離氫之膜層(例如閘極介電層與保護層)接觸，元件在長時間高溫退火(anneal)後，含游離氫之膜層中的氫會擴散進入銦鎵鋅氧化物層內，使得銦鎵鋅氧化物層的特性會變得比較偏向導電狀態，亦即銦鎵鋅氧化物層內的氧會被游離氫還原成為氧缺(oxygen vacancies)而使得導電性提高，進而使得薄膜電晶體之臨界電壓(threshold voltage)偏向負壓。

本發明的目的就是在提供一種半導體元件結構，具有較佳的元件特性。

本發明的再一目的是提供一種半導體元件結構之製造方法，以改善半導體元件結構之元件特性。

本發明一實施例提出的一種半導體元件結構，包括基底、閘極電極、含游離氫之第一介電層、源極電極、汲極電極、氧化物半導體層以及含游離氫之第二介電層。閘極電極位於基底上，第一介電層覆蓋閘極電極，源極電極位於第一介電層上，汲極電極位於第一介電層上且相對於源極電極具有一通道距離，氧化物半導體層位於第一介電層、源極電極及汲極電極上且包括位於源極電極與汲極電極之間，氧化物半導體層可進一步電性連接源極電極及汲極電極，第二介電層覆蓋氧化物半導體層、源極電極及汲極電極，第二介電層具有溝槽，而此溝槽係環繞氧化物半導體層。

在本發明的一實施例中，上述之氧化物半導體層包括銦鎵鋅氧化物(IGZO)。

在本發明的一實施例中，上述之第一介電層包括第二溝槽，連接第一溝槽，且暴露出底部的部分閘極電極。

在本發明的一實施例中，上述之半導體元件結構更包括第三介電層，位於第二介電層上且填入第一溝槽與第二溝槽內。

在本發明的一實施例中，上述之第三介電層包括聚醯亞胺(polyimide)。

在本發明的一實施例中，上述之半導體元件結構更包括圖案化透明導電層，位於第二介電層上且填入第一溝槽與第二溝槽。

在本發明的一實施例中，上述之圖案化透明導電層的材質包括銦錫氧化物(ITO)。

在本發明的一實施例中，上述之圖案化透明導電層穿過第一溝槽與第二溝槽電性接觸閘極電極。

在本發明的一實施例中，上述之第一溝槽包括彼此不相連之第一子開口與第二子開口，且第一子開口與第二子開口分別設置於氧化物半導體層之相對兩側。

在本發明的一實施例中，上述之第二介電層之游離氫含量高於第一介電層之游離氫含量。

本發明再一實施例提出的一種半導體元件結構，包括基底以及形成於基底上的電晶體；此電晶體包括閘極電極、源極電極、汲極電極、氧化物半導體層、閘極介電層以及含游離氫之保護層。閘極電極位於基底上，閘極介電層位於基底上並覆蓋閘極電極。源極電極與汲極電極皆位於閘極介電層上且兩者之間具有一通道 間距，氧化物半導體層位於閘極介電層、源極電極與汲極電極上，並位於源極電極與汲極電極之間且分別電性連接源極電極與汲極電極，保護層位於閘極電極、閘極介電層、源極電極、汲極電極及氧化物半導體層上。其中，閘極介電層與保護層至少其一具有溝槽，此溝槽位於氧化物半導體層之周邊且環繞氧化物半導體層。

本發明又一實施例提出一種半導體元件結構之製造方法，包括步驟：形成閘極電極於基底上；形成含游離氫之第一介電層以覆蓋閘極電極；形成源極電極與汲極電極於第一介電層上，源極電極與汲極電極之間具有一通道間距；形成氧化物半導體層於第一介電層、源極電極、汲極電極上且包括位於源極電極與汲極電極之間；形成含游離氫之第二介電層於第一介電層、氧化物半導體層、源極電極及汲極電極上；以及至少蝕刻第二介電層以形成溝槽，此溝槽環繞氧化物半導體層。

在本發明的一實施例中，上述之至少蝕刻第二介電層之步驟包括：利用閘極電極作為蝕刻終止層，依序蝕刻穿第二介電層及第一介電層。

在本發明的一實施例中，上述之半導體元件結構之製造方法更包括步驟：形成第三介電層於第二介電層上，並填入溝槽內。

在本發明的一實施例中，上述之半導體元件結構之製造方法更包括步驟：形成透明導電層於第二介電層上，並填入溝槽內。此外，透明導電層可穿過溝槽與閘極電極相電性接觸。

本發明實施例藉由至少於含游離氫之第二介電層/保護層內設置溝槽以切斷游離氫擴散至氧化物半導體層之路徑，氧化物半導體層不會被游離氫還原或僅僅遭受輕微的游離氫還原，因而氧化物半導體層的材料性能在半導體元件結構之製造過程中可得以保持，從而本發明實施例提出的半導體元件結構可具有較佳的器件性能。

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。

下文依本發明之半導體元件結構及其製造方法，特舉實施例配合所附圖式作詳細說明，但所提供之實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍，而方法流程步驟描述非用以限制其執行之順序，任何由方法步驟重新組合之執行流程，所產生具有均等功效的方法，皆為本發明所涵蓋的範圍。其中圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。

請參閱圖1及圖2，圖1繪示出相關於本發明實施例之一種半導體元件結構的局部示意圖，圖2繪示為沿圖1中II-II’線之剖視圖。其中，為清楚顯示出各元件之相對位置，圖1之氧化物半導體層366係以透視方式繪示，然實際上氧化物半導體層366不需侷限為透明材料。

如圖1所示，半導體元件結構30包括基底32以及形成於基底32上之電晶體36，且於本實施例中，電晶體36具有溝槽361及363。請一併參考圖1及圖2，電晶體36包括閘極電極G、閘極介電層364、源極電極S、汲極電極D、氧化物半導體層366以及保護層368。其中，閘極介電層364與保護層368可包含介電材料例如矽氧化物、矽氮化物或前述材料之組合，且因製程原因而可能含有游離氫，尤其保護層368中的游離氫含量一般會高於閘極介電層364中的游離氫含量。

承上述，閘極電極G位於基底32上，閘極介電層364覆蓋閘極電極G，源極電極S位於閘極介電層364上，汲極電極D位於閘極介電層364上且相對於源極電極S具有通道間距L。溝槽363位於閘極介電層364內且包括彼此不相連的二子開口(圖中未標示)，此二子開口分設於氧化物半導體層366之相對兩側；再者，溝槽363暴露出底部的部分閘極電極G；此外，溝槽363位於氧化物半導體層366之周邊且環繞氧化物半導體層366。

氧化物半導體層366位於閘極介電層364、源極電極S及汲極電極D上且位於源極電極S與汲極電極D之間，氧化物半導體層366電性連接源極電極S及汲極電極D，氧化物半導體層366可包含任合適當之氧化物半導體材料，例如銦鎵鋅氧化物(IGZO)、鋅氧化物(ZnO)、鋅錫氧化物(ZnSnO)其類似材料或前述材料之組合，以提供低漏電與高電子移動性等優點。氧化物半導體層366形成電晶體36之通道層，而通道層的長度為L。在此需要說明的是，前述所謂之「氧化物半導體層366位於源極電極S與汲極電極D之間」可能包含兩種情形：(1)氧化物半導體層366部分地位於源極電極S與汲極電極D之間，如圖2所示；以及(2)氧化物半導體層366僅位於源極電極S與汲極電極D之間(未繪示)。

保護層368覆蓋氧化物半導體層366、源極電極S及汲極電極D。溝槽361位於保護層368中且與溝槽363相連，溝槽361包括彼此不相連的二子開口361a及361b，此二子開口361a及361b分設於氧化物半導體層366之相對兩側；此外，溝槽361位於氧化物半導體層366之周邊且環繞氧化物半導體層366。

於其他實施例中，由於閘極介電層364中的游離氫含量相對較低，對半導體元件結構30之元件特性影響相對較小，因此在對半導體元件結構30之元件特性要求不高之應用領域，或是閘極介電層364中之游離氫含量極低的狀況下，可僅在保護層368中形成溝槽361而不在閘極介電層364中形成溝槽363。

於其他實施例中，如圖3所示，本實施例提出的半導體元件結構30可更包括介電層369A，位於保護層368上且填入溝槽361及363內；在此，介電層369A作為溝槽361及363之填充材料，其選用不含游離氫之材質例如聚醯亞胺(polyimide)。本實施例中，當半導體元件結構30應用於薄膜電晶體液晶顯示器(TFT-LCD)時，介電層369A之形成方便後續畫素電極之形成。

於其他實施例中，如圖4所示，本發明實施例提出的半導體元件結構30亦可更包括圖案化透明導電層369B，位於保護層368上且填入溝槽361及363內，圖案化透明導電層369B之材質可選用銦錫氧化物或其他類似材料。此時，圖案化透明導電層369B穿過溝槽361及363與閘極電極G電性接觸而作為電晶體36之頂部閘極電極，閘極電極G則作為電晶體36之底部閘極電極；換而言之，此時之電晶體36係為一種雙閘極電晶體。於其他實施例中，本發明之圖案化透明導電層369B亦可僅填入溝槽361及363內，而不需覆蓋於源極電極S與汲極電極D上方，亦即僅於溝槽361及363中填入圖案化透明導電層369B而不形成雙閘極結構。

下面將結合圖5A至圖5E具體描述相關於本發明實施例之一種半導體元件結構之製造方法，圖5A至圖5E繪示出本發明實施例提出的半導體元件結構之製造流程。

如圖5A所示，先於基底32上形成閘極電極G。閘極電極G可以具有任何高導電材料，例如為金屬層，基底32可以具有任何高透光材料，例如為玻璃基板或壓克力基板。

如圖5B所示，其後於閘極電極G上形成閘極介電層364，閘極介電層364覆蓋閘極電極G，且其之材質可為矽氧化物、矽氮化物、矽氧氮化物或前述材料之組合；由於製程原因，例如於製程中採用SiH4氣體作為矽源，閘極介電層364中通常會含有游離氫。

如圖5C所示，接著於閘極介電層364上形成有源極電極S及汲極電極D，源極電極S與汲極電極D之間具有通道間距L。

如圖5D所示，於閘極介電層364、源極電極S及汲極電極D上形成有氧化物半導體層366，並且氧化物半導體層366還位於源極電極S與汲極電極D之間。此外，氧化物半導體層366與源極電極S及汲極電極D電性連接且於源極電極S與汲極電極D之間形成長度為L之通道層。在此，氧化物半導體層366之材質可選用銦鎵鋅氧化物、其他含氧金屬化合物半導體材料或前述材料之組合。

如圖5E所示，於閘極介電層364、氧化物半導體層366、源極電極S及汲極電極D上形成有保護層368。保護層368之材質可選用矽氧化物、矽氮化物、矽氧氮化物或前述材料之組合；由於製程原因，例如於製程中採用SiH4氣體作為矽源，保護層368中通常會含有游離氫，且游離氫之含量通常高於閘極介電層364之游離氫含量。

之後，以閘極電極G為蝕刻終止層，依序蝕刻保護層368及閘極介電層364，以在保護層368中形成溝槽361以及在閘極介電層364中形成溝槽363；溝槽361與溝槽363相連且環繞氧化物半導體層366，從而製得如圖2所示之半導體元件結構30。在此需要說明的是，本發明實施例提出的半導體元件結構之製造方法亦可僅蝕刻保護層368而形成溝槽361。

於其他實施例中，本發明實施例提出的半導體元件結構之製造方法還可於保護層368上形成另一介電層，並填入溝槽361及/或溝槽363內，從而可製得如圖3所示之結構。

於其他實施例中，本發明實施例提出的半導體元件結構之製造方法亦可於保護層368上形成透明導電層並填入溝槽361及/或溝槽363內，當對透明導電層進行圖案化後可得如圖4所示之結構。

請參閱圖6，圖6繪示出相關於本發明實施例與比較例之半導體元件結構的電壓(V)與電流(I)的關係圖。其中，本發明實施例之半導體元件結構與比較例之半導體元件結構的差別在於，本發明實施例之閘極介電層364以及保護層368中具有環繞氧化物半導體層之溝槽361、363，比較例之閘極介電層以及保護層中不具有環繞氧化物半導體層之溝槽。本發明實施例之半導體元件結構的電壓與電流的關係曲線為曲線10，而比較例之半導體元件結構的電壓與電流的關係曲線為曲線20。

如圖6所示，比較例之半導體元件結構具有較大的漏電流(I_off )，且臨界電壓(V_th )偏向負值，且臨界電壓不明顯，因此元件之電性較不理想。相較之下，本發明之半導體元件結構的臨界電壓趨近於0V，且具有較佳之次臨界擺幅(sub threshold swing,S.S.)。這是因為本發明實施例可於含游離氫之保護層內設置溝槽，所以氧化物半導體層不易遭游離氫還原，因此可以維持在較接近半導體的狀態，因此本發明之半導體元件結構具有較佳的半導體元件特性。

綜上所述，本發明實施例提出的半導體元件結構及其製造方法藉由至少於含游離氫之保護層內設置溝槽，以切斷游離氫擴散至氧化物半導體層之路徑，氧化物半導體層不會被游離氫還原或僅僅遭受輕微的游離氫還原，因而氧化物半導體層的材料性能在半導體元件結構之製造過程中可得以保持，從而本發明實施例提出的半導體元件結構之元件特性可得以改善。

此外，任何熟習此技藝者還可對本發明上述實施例提出的半導體元件結構及其製造方法作適當變更，例如適當變更氧化物半導體層之位置，將氧化物半導體層設置於源極電極與汲極電極之底部且與源極電極及汲極電極相電性連接等等。

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、20．．．曲線

30．．．半導體元件結構

32．．．基底

36．．．電晶體

361、363．．．溝槽

361a、361b．．．子開口

364．．．閘極介電層

366．．．氧化物半導體層

368．．．保護層

369A．．．介電層

369B．．．圖案化透明導電層

D．．．汲極電極

G．．．閘極電極

L．．．通道間距

S．．．源極電極

圖1繪示為相關於本發明實施例之一種半導體元件結構之局部示意圖。

圖2繪示為沿圖1中II-II’線之剖視圖。

圖3繪示為相關於本發明再一實施例之一種半導體元件結構之剖視圖。

圖4繪示為相關於本發明又一實施例之一種半導體元件結構之剖視圖。

圖5A至圖5E繪示為相關於本發明實施例提出之一種半導體元件結構之製造方法的製造流程。

圖6繪示出相關於本發明實施例與比較例之半導體元件結構的電壓與電流的關係圖。

30．．．半導體元件結構

32．．．基底

361、363．．．溝槽

361a、361b．．．子開口

364．．．閘極介電層

366．．．氧化物半導體層

368．．．保護層

D．．．汲極電極

G．．．閘極電極

L．．．通道間距

S．．．源極電極

Claims (20)

1. 一種半導體元件結構，包括：一基底；一閘極電極，位於該基底上；一含游離氫之第一介電層，覆蓋該閘極電極；一源極電極，位於該第一介電層上；一汲極電極，位於該第一介電層上，相對於該源極電極具有一通道間距；一氧化物半導體層，位於該第一介電層、該源極電極及該汲極電極上，且位於該源極電極與該汲極電極之間，該氧化物半導體層電性連接該源極電極及該汲極電極；以及一含游離氫之第二介電層，覆蓋該氧化物半導體層、該源極電極及該汲極電極，其中該第二介電層具有一第一溝槽，且該第一溝槽環繞該氧化物半導體層。
2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件結構，其中該氧化物半導體層包括銦鎵鋅氧化物。
3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件結構，其中該第一介電層包括一第二溝槽，連接該第一溝槽，且暴露出底部的部分該閘極電極。
4. 如申請專利範圍第3項所述之半導體元件結構，更包括一第三介電層，位於該第二介電層上且填入該第一溝槽與該第二溝槽內。
5. 如申請專利範圍第4項所述之半導體元件結構，其中該第三介電層包括聚醯亞胺。
6. 如申請專利範圍第3項所述之半導體元件結構，更包括一圖案化透明導電層，位於該第二介電層上且填入該第一溝槽與該第二溝槽內。
7. 如申請專利範圍第6項所述之半導體元件結構，其中該圖案化透明導電層的材質包括銦錫氧化物。
8. 如申請專利範圍第6項所述之半導體元件結構，其中該圖案化透明導電層穿過該第一溝槽與第二溝槽電性接觸該閘極電極。
9. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件結構，其中該第一溝槽包括彼此不相連之第一子開口與第二子開口，且該第一子開口與第二子開口分別設置於該氧化物半導體層之相對兩側。
10. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件結構，其中該第二介電層之游離氫含量大於該第一介電層之游離氫含量。
11. 一種半導體元件結構，包括：一基底；一電晶體，位於該基底上，該電晶體包括：一閘極電極，位於該基底上；一閘極介電層，位於該基底上並覆蓋該閘極電極；一源極電極與一汲極電極，位於該閘極介電層上，該源極電極與該汲極電極之間具有一通道間距；一氧化物半導體層，位於該閘極介電層、該源極電極與該汲極電極上，並位於該源極電極與該汲極電極之間，且分別電性連接該源極電極與該汲極電極；以及一含游離氫之保護層，位於該閘極電極、該閘極介電層、該源極電極、該汲極電極及該氧化物半導體層上；其中，該閘極介電層與該保護層至少其一具有一溝槽，位於該氧化物半導體層之周邊且環繞該氧化物半導體層。
12. 如申請專利範圍第11項所述之半導體元件結構，其中該氧化物半導體層包括銦鎵鋅氧化物。
13. 如申請專利範圍第11項所述之半導體元件結構，更包括聚醯亞胺或銦錫氧化物，設置於該溝槽中。
14. 如申請專利範圍第11項所述之半導體元件結構，其中該溝槽包括彼此不相連之第一開口與第二開口，且該第一開口與第二開口分別設置於該氧化物半導體層之相對兩側。
15. 如申請專利範圍第11項所述之半導體元件結構，其中該溝槽貫穿該閘極介電層與該保護層。
16. 一種半導體元件結構之製造方法，包括：形成一閘極電極於一基底上；形成一含游離氫之第一介電層以覆蓋該閘極電極；形成一源極電極與一汲極電極於該第一介電層上，該源極電極與該汲極電極之間具有一通道間距；形成一氧化物半導體層於該第一介電層、該源極電極及該汲極電極上，且位於該源極電極與該汲極電極之間；形成一第二介電層於該第一介電層、該氧化物半導體層、該源極電極及該汲極電極上；以及至少蝕刻該第二介電層以形成一溝槽，且該溝槽環繞該氧化物半導體層。
17. 如申請專利範圍第16項所述之半導體元件結構之製造方法，其中至少蝕刻該第二介電層之步驟包括：利用該閘極電極作為蝕刻終止層，依序蝕刻穿該第二介電層及該第一介電層。
18. 如申請專利範圍第16項所述之半導體元件結構之製造方法，更包括步驟：形成一第三介電層於該第二介電層上，並填入該溝槽內。
19. 如申請專利範圍第16項所述之半導體元件結構之製造方法，更包括步驟：形成一透明導電層於該第二介電層上，並填入該溝槽內。
20. 如申請專利範圍第19項所述之半導體元件結構之製造方法，其中該透明導電層穿過該溝槽電性接觸該閘極電極。