薄膜電晶體結構的製作方法

2023-05-13 08:49:31 2

專利名稱：薄膜電晶體結構的製作方法
技術領域：
本發明關於一種應用於有源式矩陣液晶平面顯示器(Active MatrixLiquid Crystal Display，AM-LCD)的薄膜電晶體結構，尤指一種具有自對準內柵極(Self-Align Intra-Gate)的薄膜電晶體結構。
背景技術：
隨著製造技術的日益進展，液晶顯示器(Liquid Crystal Display，LCD)已經是一種被廣泛應用的顯示元件，而其工作原理主要是利用電場來改變液晶的排列狀態，使得通過液晶的光線產生路線改變的現象，進而達成明暗變化的顯示效果。
液晶顯示器(LCD)依工藝技術的不同可區分為無源式矩陣液晶顯示器(Passive Matrix LCD，PM-LCD)和有源式矩陣液晶顯示器(Active MatrixLCD，AM-LCD)。於1970年時，無源式矩陣液晶顯示器(PM-LCD)已被應用於手錶和可攜式計算機，但其在亮度及可視角度方面較差，反應速度較慢，因此在應用上受到很大的限制。然而有源式矩陣液晶顯示器(AM-LCD)則能夠驅動單一像素，且不影響相鄰像素，在色彩品質及反應速度方面表現都十分良好，可應用於數位相機、液晶投影儀、行動電話用液晶面板、筆記本電腦及平面電視市場，因此已成為目前液晶顯示器(LCD)市場的主流。
有源式矩陣液晶顯示器(AM-LCD)主要可分成二極體結構及電晶體結構的液晶顯示器，薄膜電晶體液晶顯示器(TFT-LCD)則屬於後者。基本上，薄膜電晶體液晶顯示器(TFT-LCD)是以薄膜電晶體分別對像素(pixel)定址，並置於顯示行列的交叉點作為啟閉像素的開關，其可在每一像素中直接以電晶體驅動，控制其電壓，使其達到高對比、快速反應及較廣視角等特性，故其顯像品質極佳。
一般在有源式矩陣液晶平面顯示器(AM-LCD)中作為開關元件的三端元件薄膜電晶體(TFT)，依目前發展趨勢，其結構大多採用頂部柵極型態(Top-Gate Type)，有P溝道薄膜電晶體1和具輕摻雜漏極(Lightly DopedDrain，LDD)結構的N溝道薄膜電晶體2，其截面構造如圖1所示。P溝道薄膜電晶體1的源極12和漏極13是藉由離子注入機注入硼元素，而N溝道薄膜電晶體2的源極22和漏極23則注入磷元素而成，且為了減少逆向偏壓時的漏電流(leakage current)而多加一輕摻雜漏極(LDD)結構24。於上述薄膜電晶體結構中，柵極11、21材料為鉬鎢合金，而柵極氧化層14與絕緣層15的材料為二氧化矽，配線材料為純鋁金屬，而最後整個元件則以氮化矽材料作為保護膜16。在這樣的薄膜電晶體結構中，輕摻雜漏極(LDD)結構24的導入主要在解決當元件越做越小時，N溝道接近漏極23處的崩潰電壓(breakdown voltage)、熱電子效應(hot electron effect)及衝擊游離(impact ionization)等現象。
然而於上述薄膜電晶體結構中，由於輕摻雜漏極(LDD)結構24的生成必須導入至少兩道光掩模處理以分別進行兩次離子注入，如此將很容易產生光對準偏差(Photo Misalignment)的問題，進而影響薄膜電晶體的電性與液晶顯示器的影像品質。因此，如何發展一種可解決光對準偏差問題，並可提供輕摻雜漏極(LDD)相關功能的薄膜電晶體結構，使有源式矩陣液晶平面顯示器(AM-LCD)提供更佳的影像品質(image characteristics)，實為目前急需解決的問題。

發明內容
本發明的主要目的為提供一種應用於有源式矩陣液晶平面顯示器(AM-LCD)的薄膜電晶體結構，其藉由一內柵極結構(Intra-Gate device)的導入，可達與現有輕摻雜漏極(LDD)結構相當的電性水準，並可與P溝道薄膜電晶體的工藝整合，以形成具自對準內柵極的薄膜電晶體結構。
本發明的另一目的為提供一種應用於有源式矩陣液晶顯示器(AM-LCD)的整合式薄膜電晶體結構，以形成一可全程自對準工藝(Total Self-Alignprocess)，並且因應元件的特性，可以縮短薄膜電晶體各柵極的特性長度(Characteristic length)，進而達到增加像素開口率及降低多晶矽表面反射量等優點。
為達上述目的，本發明提供一種薄膜電晶體結構，其應用於有源式矩陣液晶平面顯示器(AM-LCD)，其包含一基板，其上具有多個本徵區域、至少包括一個第一摻雜區及二個第二摻雜區，其中第一摻雜區設置於多個本徵區域之間，且多個本徵區域通過第一摻雜區串連而形成一串連結構，以及第二摻雜區分別設置於串連結構的兩端；一源極及一漏極，其分別連結至串連結構兩端的第二摻雜區；以及至少一柵極，其覆蓋多個本徵區域，使每一本徵區域的邊緣部分與對應柵極的邊緣部分大致對準。
根據上述的構想，其中基板為具有一多晶矽層的基板，而本徵區域、第一摻雜區及第二摻雜區設置於多晶矽層中。另外本發明的第一摻雜區及第二摻雜區分別藉由注入不同濃度的磷元素所構成，其中第二摻雜區的摻雜濃度大於第一摻雜區的摻雜濃度。又柵極可由鉬鎢合金(MoW)、鉻(Cr)、鋁(Al)、鉬(Mo)、鈦(Ti)、鉭(Ta)或銅(Cu)金屬所製成。除此之外，本徵區域與其相對應的柵極間更包含一柵極氧化層，其中柵極氧化層由二氧化矽所構成。
根據上述構想，本發明的柵極構成一∏型、L型、I型或E型分布。
為達上述目的，本發明更提供一種薄膜電晶體結構，其包含一基板，其上具有N個本徵區域、N-1個第一摻雜區、二個第二摻雜區，其中N-1個第一摻雜區交錯設置於N個本徵區域之間，而二第二摻雜區則分別設置於第1個本徵區域及第N個本徵區域的外側，其中N為一整數，且N≥2；一源極及一漏極，分別連結至二個第二摻雜區；以及至少一柵極，其覆蓋N個本徵區域，使每一有源區域的邊緣部分與對應柵極的邊緣部分大致上對準。
本發明得藉由下列附圖與實施例說明，使得更清楚地了解本發明。


圖1為目前應用於有源式矩陣液晶平面顯示器(AM-LCD)中作為開關元件的三端元件薄膜電晶體的截面示意圖；圖2(a)-(b)分別為本發明的薄膜電晶體的第一優選實施例的俯視與剖面圖；圖3(a)-(b)為本發明的薄膜電晶體的第二優選實施例的示意圖，其中圖3(a)揭示多矽晶層上本徵區域、第一摻雜區及第二摻雜區的分布情形，而圖3(b)則顯示柵極相對於本徵區域、第一摻雜區與第二摻雜區的分布情形；圖4(a)-(b)為本發明的薄膜電晶體的第三優選實施例示意圖，其中圖4(a)揭示多矽晶層上有源區域、第一摻雜區及第二摻雜區的分布情形，而圖4(b)則顯示柵極相對於本徵區域、第一摻雜區與第二摻雜區的分布情形；圖5(a)-(b)為本發明的薄膜電晶體的第四優選實施例示意圖，其中圖5(a)揭示多矽晶層上本徵區域、第一摻雜區及第二摻雜區的分布情形，而圖5(b)則顯示柵極相對於本徵區域、第一摻雜區與第二摻雜區的分布情形；以及圖6(a)-(b)為本發明的薄膜電晶體的第五優選實施例示意圖，其中圖6(a)揭示多矽晶層上本徵區域、第一摻雜區及第二摻雜區的分布情形，而圖6(b)則顯示柵極相對於本徵區域、第一摻雜區與第二摻雜區的分布情形。
附圖中的附圖標記說明如下1P溝道薄膜電晶體2N溝道薄膜電晶體11柵極 12源極13漏極 14柵極氧化層15絕緣層16保護膜21柵極 22源極23漏極 24輕摻雜漏極LDD結構31基板 41柵極51源極 52漏極311本徵區域 312第一摻雜區313第二摻雜區 411柵極氧化層具體實施方式
本發明為一種應用於有源式矩陣液晶平面顯示器(AM-LCD)的薄膜電晶體結構，以下將以實施例進一步說明本發明技術，但是可應用本發明技術的薄膜電晶體結構並不限於所提的實施例，任何適用本發明技術的薄膜電晶體結構，在此皆可併入參考。
請參閱圖2，其為本發明應用於有源式矩陣液晶平面顯示器(AM-LCD)的薄膜電晶體結構的第一優選實施例示意圖，其中圖2(a)為薄膜電晶體結構的俯視圖，而圖2(b)則為薄膜電晶體結構的截面圖。如圖2(a)與(b)所示，本發明的薄膜電晶體結構包含一基板31，其上具有多個本徵區域(IntrinsicArea)311、至少包括一個第一摻雜區312(可為n摻雜區(n-doping area))及二個第二摻雜區313，其中多個本徵區域311通過第一摻雜區312而串連，亦即第一摻雜區312位於多個本徵區域311之間，並與多個本徵區域311形成一串連結構。
請再參閱圖2(a)、(b)，二個第二摻雜區313分別連接於串連結構的兩端。此外，薄膜電晶體結構更包含一源極51及一漏極52，其分別連結至串連結構兩端的第二摻雜區313。除源極51與漏極52外，薄膜電晶體結構更包括至少一柵極41，其覆蓋該多個本徵區域311，並使每一本徵區域311的邊緣部分與對應柵極41的邊緣部分大致上對準(align)。
於上述結構中，基板31為具多晶矽層的基板，而本徵區域311、第一摻雜區312及第二摻雜區313等設置於多晶矽層中。另外第一摻雜區312及第二摻雜區313分別藉由注入不同濃度的磷元素所構成，其中第二摻雜區313的摻雜濃度大於第一摻雜區312的摻雜濃度。又柵極41由鉬鎢合金(MoW)、鉻(Cr)、鋁(Al)、鉬(Mo)、鈦(Ti)、鉭(Ta)或銅(Cu)金屬所製成。除此之外，本徵區域311與其相對應的柵極41間更包含一柵極氧化層411，其中該柵極氧化層411以二氧化矽所構成為佳。
請參閱圖3(a)、(b)，其為本發明薄膜電晶體的第二優選實施例示意圖，其中圖3(a)揭示一多矽晶層中本徵區域、第一摻雜區及第二摻雜區的分布情形，而圖3(b)則顯示柵極相對於本徵區域、第一摻雜區與第二摻雜區的分布情形。如圖3(a)所示，不同於圖2所揭示本徵區域、第一摻雜區與第二摻雜區呈直線排列的實施例，本實施例中本徵區域311、第一摻雜區312及第二摻雜區313以近似於倒」L」的形狀排列，亦即第一摻雜區312具有兩部分，該兩部分以基本上約90度的角度排列，而多個本徵區域311則分別與第一摻雜區312的兩端相連結，二第二摻雜區313則與兩端的本徵區域311相連結，另外源極與漏極(未圖示)則分別與兩端的第二摻雜區313相連結。
請參閱圖3(b)，在本實施例中，柵極41結構呈」L」型排列，且覆蓋多個本徵區域311，使每一本徵區域311的邊緣部分與對應柵極41的邊緣部分基本上相對準(align)。第一摻雜區312及第二摻雜區313可藉由注入不同濃度的磷元素所構成，其中第二摻雜區313的摻雜濃度大於第一摻雜區312的摻雜濃度。又柵極41亦可由鉬鎢合金(MoW)、鉻(Cr)、鋁(Al)、鉬(Mo)、鈦(Ti)、鉭(Ta)或銅(Cu)金屬所製成。
同樣地，於圖4(a)與(b)所示的第三優選實施例中，本徵區域311、第一摻雜區312及第二摻雜區313整體以近似於」U」型排列，亦即第一摻雜區312以「U」型呈現，而多個本徵區域311則分別連結於第一摻雜區312的兩端，二個第二摻雜區313則分別與兩端的本徵區域311相連結，另外源極與漏極(未圖示)則分別與兩端的第二摻雜區313相連結。柵極41結構呈I型排列，且覆蓋多個本徵區域311，使每一本徵區域311的邊緣部分與對應柵極41的邊緣部分相對準(align)。
圖5及圖6則分別揭示本發明薄膜電晶體的第四及第五優選實施例。於圖5與圖6所示的各實施例中，薄膜電晶體結構均包含一基板31，其上具有N個本徵區域311、N-1個第一摻雜區312、二個第二摻雜區313，其中N-1個第一摻雜區312交錯地設置於N個本徵區域311之間，而二個第二摻雜區313則分別設置於第1個本徵區域311及第N個本徵區域311的外側，其中N為一整數且N≥2。另外，薄膜電晶體更包括一源極及一漏極(未圖示)，其分別連結至二第二摻雜區313，以及至少一柵極41，其覆蓋該N個本徵區域311，且使每一本徵區域313的邊緣部分與對應柵極41的邊緣部分基本上相對準，以形成具自對準內柵極的薄膜電晶體結構。
於圖5(a)與(b)所示實施例中，N等於3，亦即薄膜電晶體結構具有三個本徵區域311，二個第一摻雜區312與二個第二摻雜區313。本徵區域311、第一摻雜區312及第二摻雜區313整體以「S」型排列，亦即二個第一摻雜區312交錯排列於三個本徵區域311之間，並成一「S」型的串連結構。二個第二摻雜區313則分別與兩端的本徵區域311相連結。另外源極與漏極(未圖示)則分別與第二摻雜區313相連結。柵極41結構呈」I」型排列，且覆蓋三個本徵區域311，使每一個本徵區域311的邊緣部分與對應柵極41的邊緣部分基本上對準(align)。
相似地，於圖6(a)與(b)所示實施例中，N亦等於3，亦即薄膜電晶體結構具有三個本徵區域311，二個第一摻雜區312與二個第二摻雜區313。本徵區域311、第一摻雜區312及第二摻雜區313以弧形排列，亦即二個第一摻雜區312交錯排列於三個本徵區域311之間，二個第二摻雜區313則分別與兩端的本徵區域相連結。另外源極與漏極(未圖示)則分別與第二摻雜區313相連結。柵極41結構呈「E」型排列，且覆蓋三個本徵區域311，使每一本徵區域311的邊緣部分與對應柵極41的邊緣部分大致上對準(align)。
在上述實施例中，其主要的原理都相似，其差異僅在於本徵區域311、第一摻雜區312及第二摻雜區313的數目、排列與分布不同而已。由於本徵區域311、第一摻雜區312及第二摻雜區313的數目、排列與分布上的差異亦致使各實施例中與本徵區域311相對準(align)的柵極41呈現不同類型的樣態，而使柵極41分別以∏型、L型、I型或E型方式呈現。當然在實際應用上，本發明的柵極結構可因應多晶矽層各區域的分布而做靈活的調變，而不受限於前述實施例的實施態樣而已。
綜上所述，本發明提供一種應用於有源式矩陣驅動型液晶平面顯示器(AM-LCD)的薄膜電晶體結構，其藉由一內柵極結構(Intra-Gate)的導入，可達與現有輕摻雜漏極(LDD)相當的電性水準，並可與P溝道薄膜電晶體的工藝整合。N溝道膜薄電晶體的NMOS於導入內柵極結構(Intra-Gate device)後可形成一自對準工藝(Self-Align process)。在重新設計像素及驅動電路時，P溝道膜薄電晶體的PMOS已為一自對準工藝，兩者可整合為一全程自對準工藝(Total Self-Align process)，並且因應元件的特性，可以縮短薄膜電晶體各柵極的特性長度(characteristic length)D(請參閱圖2至圖6所示的標號「D」)，進而達到增加像素開口率及降低多晶矽表面反射量等優點。
而根據本發明人的實驗結果，特性長度D會隨著不同的柵極41態樣而有所變化，例如當柵極41態樣為∏型或E型時(如圖2(a)、圖6(b)所示)，其特性長度D小於7μm，而當柵極41態樣為L型或I型時(如圖3(b)、圖4(b)、圖5(b)所示)，其特性長度D小於5μm，但不論柵極41是呈現何種組合態樣，其特性長度D都是小於現有的LDD態樣。
同時，在上述實施例中，由於供本徵區域311、第一摻雜區312及第二摻雜區313容設的多晶矽是本徵多晶矽(Intrinsic poly)，具有高阻值，所以儲存電容(Cst)的電壓(Vcom)要接高電位(＞8V)，增加儲存電容(Cst)所能儲存的電荷，得以使Cst/Clc＞1。
縱使本發明已由上述的實施例詳細敘述而可由本領域技術人員任施匠思而為諸般修飾，但是皆不脫離如所附權利要求所請求保護的範圍。
權利要求
1.一種薄膜電晶體結構，其應用於有源式矩陣液晶平面顯示器，其包含一基板，其上具有多個本徵區域、至少一個第一摻雜區及二個第二摻雜區，其中該第一摻雜區形成於該多個本徵區域之間，且該多個本徵區域通過該第一摻雜區串連而形成一串連結構，以及該第二摻雜區分別設置於該串連結構的兩端；一源極及一漏極，其分別連結至該串連結構兩端的該第二摻雜區；以及至少一柵極，其覆蓋該多個本徵區域，使每一本徵區域的邊緣部分與對應柵極的邊緣部分大致對準。
2.如權利要求1所述的薄膜電晶體結構，其中，該基板為具有一多晶矽層的基板，且該本徵區域、該第一摻雜區及該第二摻雜區設置於該多晶矽層。
3.如權利要求1所述的薄膜電晶體結構，其中，該第一摻雜區及該第二摻雜區分別藉由注入不同濃度的磷元素所構成，且該第二摻雜區的摻雜濃度大於該第一摻雜區的摻雜濃度。
4.如權利要求1所述的薄膜電晶體，其中，該本徵區域與相對應的該柵極間還包含一柵極氧化層。
5.如權利要求1所述的薄膜電晶體結構，其中，該柵極構成一∏型、L型、I型或E型分布。
6.如權利要求5所述的薄膜電晶體結構，其中，該柵極具有一特性長度，且當該柵極構成該∏型與該E型時，該特性長度小於7μm，當該柵極構成該L型與該I型時，該特性長度小於5μm。
7.一種薄膜電晶體結構，其包含一基板，其上具有N個本徵區域、N-1個第一摻雜區、二個第二摻雜區，其中該N-1個第一摻雜區交錯設置於該N個本徵區域之間，而該第二摻雜區則分別設置於該第1個本徵區域及該第N個本徵區域的外側，其中N為一整數，且N≥2；一源極及一漏極，分別連結至該第二摻雜區；以及至少一柵極，其覆蓋該N個本徵區域，使每一本徵區域的邊緣部分與對應柵極的邊緣部分大致對準。
8.如權利要求7所述的薄膜電晶體結構，其中，該第一摻雜區及該第二摻雜區分別藉由注入不同濃度的磷元素所構成，且該第二摻雜區的摻雜濃度大於該第一摻雜區的摻雜濃度。
9.如權利要求7所述的薄膜電晶體結構，其中，該柵極構成一∏型、L型、I型或E型分布。
10.如權利要求9所述的薄膜電晶體結構，其中，該柵極具有一特性長度，且當該柵極構成該∏型與該E型時，該特性長度小於7μm，當該柵極構成該L型與該I型時，該特性長度小於5μm。
全文摘要
本發明公開一種薄膜電晶體結構，其應用於有源式矩陣液晶平面顯示器，其包含一基板，其上具有多個本徵區域、至少一個第一摻雜區及二個第二摻雜區，其中第一摻雜區設置於多個本徵區域之間，且多個本徵區域通過第一摻雜區串連而形成一串連結構，以及第二摻雜區分別設置於串連結構的兩端；一源極及一漏極，其分別連結至串連結構兩端的第二摻雜區；以及至少一柵極，其覆蓋多個本徵區域，使每一本徵區域的邊緣部分與對應柵極的邊緣部分大致對準。
文檔編號H01L29/66GK1610130SQ200310101400
公開日2005年4月27日 申請日期2003年10月17日 優先權日2003年10月17日
發明者蔡耀銘, 謝秀春, 張世昌, 黃振庭, 吳逸蔚 申請人:統寶光電股份有限公司