KR20100040603A - 산화물 박막 트랜지스터 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 산화물 박막 트랜지스터 및 그 제조방법은 비정질 아연 산화물(ZnO)계 반도체를 액티브층으로 사용한 박막 트랜지스터에 있어서, 소오스/드레인전극을 이중층 이상의 다층구조로 형성함으로써 산화물 반도체와의 접촉저항에 상관없이 낮은 비저항을 가지는 금속으로 상부층을 형성할 수 있게 되며, 티타늄(titanium; Ti)을 함유하는 하부층은 얇은 두께로 형성할 수 있게 되어 건식식각에 의한 산화물 반도체의 손상을 최소화하기 위한 것으로, 제 1 도전막으로 기판 위에 형성된 게이트전극; 상기 기판 위에 형성된 게이트절연막; 상기 게이트절연막 위에 형성되며, 비정질 아연 산화물계 반도체로 이루어진 액티브층; 상기 액티브층 위에 형성되어 상기 액티브층의 소정영역과 전기적으로 접속하며, 상기 비정질 아연 산화물계 반도체에 대해서 낮은 접촉저항을 가지는 제 2 도전막으로 이루어진 제 1 소오스/드레인전극; 상기 제 1 소오스/드레인전극 위에 형성되며, 상기 비정질 아연 산화물계 반도체와의 접촉저항에 상관없이 낮은 비저항을 가지는 제 3 도전막으로 이루어진 제 2 소오스/드레인전극; 및 상기 액티브층의 백채널 상부에 형성되며, 상기 제 2 도전막이 산화되어 상기 액티브층의 백채널을 보호하는 보호층을 포함한다.
또한, 본 발명의 산화물 박막 트랜지스터 및 그 제조방법은 상기 소오스/드레인전극의 하부층을 Ti로 형성하였을 경우 이를 TiO로 산화시켜 보호층으로 사용함에 따라 공정이 단순화되는 한편 접촉저항을 최소화시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.
산화물 박막 트랜지스터, 비정질 아연 산화물계 반도체, 티타늄, 산화티타늄
Description
본 발명은 산화물 박막 트랜지스터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비정질 아연 산화물계 반도체를 액티브층으로 사용한 산화물 박막 트랜지스터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 정보 디스플레이에 관한 관심이 고조되고 휴대가 가능한 정보매체를 이용하려는 요구가 높아지면서 기존의 표시장치인 브라운관(Cathode Ray Tube; CRT)을 대체하는 경량 박막형 평판표시장치(Flat Panel Display; FPD)에 대한 연구 및 상업화가 중점적으로 이루어지고 있다. 특히, 이러한 평판표시장치 중 액정표시장치(Liquid Crystal Display; LCD)는 액정의 광학적 이방성을 이용하여 이미지를 표현하는 장치로서, 해상도와 컬러표시 및 화질 등에서 우수하여 노트북이나 데스크탑 모니터 등에 활발하게 적용되고 있다.
상기 액정표시장치는 크게 컬러필터(color filter) 기판과 어레이(array) 기판 및 상기 컬러필터 기판과 어레이 기판 사이에 형성된 액정층(liquid crystal layer)으로 구성된다.
상기 액정표시장치에 주로 사용되는 구동 방식인 능동 매트릭스(Active Matrix; AM) 방식은 비정질 실리콘 박막 트랜지스터(Amorphous Silicon Thin Film Transistor; a-Si TFT)를 스위칭소자로 사용하여 화소부의 액정을 구동하는 방식이다.
이하, 도 1을 참조하여 일반적인 액정표시장치의 구조에 대해서 상세히 설명한다.
도 1은 일반적인 액정표시장치를 개략적으로 나타내는 분해사시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 상기 액정표시장치는 크게 컬러필터 기판(5)과 어레이 기판(10) 및 상기 컬러필터 기판(5)과 어레이 기판(10) 사이에 형성된 액정층(liquid crystal layer)(30)으로 구성된다.
상기 컬러필터 기판(5)은 적(Red; R), 녹(Green; G) 및 청(Blue; B)의 색상을 구현하는 다수의 서브-컬러필터(7)로 구성된 컬러필터(C)와 상기 서브-컬러필터(7) 사이를 구분하고 액정층(30)을 투과하는 광을 차단하는 블랙매트릭스(black matrix)(6), 그리고 상기 액정층(30)에 전압을 인가하는 투명한 공통전극(8)으로 이루어져 있다.
또한, 상기 어레이 기판(10)은 종횡으로 배열되어 복수개의 화소영역(P)을 정의하는 복수개의 게이트라인(16)과 데이터라인(17), 상기 게이트라인(16)과 데이터라인(17)의 교차영역에 형성된 스위칭소자인 박막 트랜지스터(T) 및 상기 화소영역(P) 위에 형성된 화소전극(18)으로 이루어져 있다.
상기의 컬러필터 기판(5)과 어레이 기판(10)은 화상표시 영역의 외곽에 형성 된 실런트(sealant)(미도시)에 의해 대향하도록 합착되어 액정표시패널을 구성하며, 상기 컬러필터 기판(5)과 어레이 기판(10)의 합착은 상기 컬러필터 기판(5) 또는 어레이 기판(10)에 형성된 합착키(미도시)를 통해 이루어진다.
한편, 전술한 액정표시장치는 가볍고 전력소모가 작아 지금가지 가장 주목받는 디스플레이 소자이지만, 상기 액정표시장치는 발광소자가 아니라 수광소자이며 밝기, 명암비(contrast ratio) 및 시야각 등에 기술적 한계가 있기 때문에 이러한 단점을 극복할 수 있는 새로운 디스플레이 소자에 대한 개발이 활발하게 전개되고 있다.
새로운 평판표시장치 중 하나인 유기전계발광소자(Organic Light Emitting Diode; OLED)는 자체발광형이기 때문에 액정표시장치에 비해 시야각과 명암비 등이 우수하며 백라이트(backlight)가 필요하지 않기 때문에 경량 박형이 가능하고, 소비전력 측면에서도 유리하다. 그리고, 직류 저전압 구동이 가능하고 응답속도가 빠르다는 장점이 있으며, 특히 제조비용 측면에서도 유리한 장점을 가지고 있다.
최근 유기전계발광 디스플레이의 대면적화에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 이를 달성하기 위하여 유기전계발광소자의 구동 트랜지스터로서 정전류 특성을 확보하여 안정된 작동 및 내구성이 확보된 트랜지스터 개발이 요구되고 있다.
전술한 액정표시장치에 사용되는 비정질 실리콘 박막 트랜지스터는 저온 공정에서 제작할 수 있지만 이동도(mobility)가 매우 작고 정전류 테스트(constant current bias) 조건을 만족하지 않는다. 반면에 다결정 실리콘 박막 트랜지스터는 높은 이동도와 만족스러운 정전류 테스트 조건을 가지는 반면에 균일한 특성 확보 가 어려워 대면적화가 어렵고 고온 공정이 필요하다.
이에 산화물 반도체로 액티브층을 형성한 산화물 반도체 박막 트랜지스터를 개발하고 있는데, 이때 산화물 반도체를 기존의 바텀 게이트(bottom gate) 구조의 박막 트랜지스터에 적용하는 경우 소오스/드레인전극의 식각공정 중에 산화물 반도체가 손상을 받아 변성을 일으키는 문제가 있다.
도 2는 일반적인 산화물 박막 트랜지스터의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 일반적인 산화물 박막 트랜지스터는 기판(10) 위에 게이트전극(21)과 게이트절연막(15)이 형성되고, 상기 게이트절연막(15) 위에 산화물 반도체로 이루어진 액티브층(24)이 형성되게 된다.
이후, 상기 액티브층(24) 위에 소오스/드레인전극(22, 23)이 형성되게 되는데, 이때 상기 소오스/드레인전극(22, 23)을 증착하고 식각하는 과정에서 그 하부의 액티브층(24)(특히, A부분)이 손상을 받아 변성이 되는 경우가 있다. 이에 따라 소자의 신뢰성에 문제점을 가지게 된다.
즉, 산화물 반도체로 이루어진 액티브층은 소오스/드레인전극 식각시 습식식각에 대한 선택비가 없기 때문에 일반적으로 건식식각에 의해 이루어지며, 최근 선택비가 향상된 습식식각이 시도되고 있으나 균일도가 나빠 국부적인 식각으로 소자특성의 열화를 가져오고 있다.
또한, 습식식각을 이용하는 경우에는 에천트(etchant)에 취약한 산화물 반도체의 물성(物性)으로 인해 액티브층의 유실 혹은 손상을 초래하며, 건식식각을 이 용하여 상기 소오스/드레인전극을 형성하는 경우에도 산화물 반도체의 백-스퍼터링(back-sputtering) 및 산소 결핍(oxygen deficiency)으로 인해 액티브층이 변성되게 된다.
특히, 산화물 반도체와의 접촉저항을 고려하여 몰리브덴(molybdenum; Mo)을 소오스/드레인전극의 금속으로 적용할 경우에는 산성에 취약한 산화물 반도체와의 선택성 있는 에천트의 개발이 어려운 실정이다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 비정질 아연 산화물계 반도체를 액티브층으로 사용한 산화물 박막 트랜지스터 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 소오스/드레인전극 식각시 발생하는 상기 비정질 아연 산화물계 반도체의 변성을 방지하도록 한 산화물 박막 트랜지스터 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적 및 특징들은 후술되는 발명의 구성 및 특허청구범위에서 설명될 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 산화물 박막 트랜지스터는 제 1 도전막으로 기판 위에 형성된 게이트전극; 상기 기판 위에 형성된 게이트절연막; 상기 게이트절연막 위에 형성되며, 비정질 아연 산화물계 반도체로 이루어진 액티브층; 상기 액티브층 위에 형성되어 상기 액티브층의 소정영역과 전기적으로 접속하며, 상기 비정질 아연 산화물계 반도체에 대해서 낮은 접촉저항을 가지는 제 2 도전막으로 이루어진 제 1 소오스/드레인전극; 상기 제 1 소오스/드레인전극 위에 형성되며, 상기 비정질 아연 산화물계 반도체와의 접촉저항에 상관없이 낮은 비저항을 가지는 제 3 도전막으로 이루어진 제 2 소오스/드레인전극; 및 상기 액티브층의 백채널 상부에 형성되며, 상기 제 2 도전막이 산화되어 상기 액티브층의 백채널 을 보호하는 보호층을 포함한다.
본 발명의 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법은 기판 위에 제 1 도전막으로 게이트전극을 형성하는 단계; 상기 기판 위에 게이트절연막을 형성하는 단계; 상기 게이트절연막 위에 비정질 아연 산화물계 반도체로 이루어진 액티브층을 형성하는 단계; 상기 액티브층이 형성된 기판 전면에 제 2 도전막과 제 3 도전막을 형성하는 단계; 하부의 제 2 도전막의 일부영역이 노출되도록 상기 제 3 도전막을 식각하여 제 2 소오스/드레인전극을 형성하는 단계; 상기 노출된 제 2 도전막을 산화시켜 상기 액티브층의 백채널을 보호하는 보호층을 형성하는 단계; 및 상기 제 2 소오스/드레인전극 하부에 상기 제 2 도전막으로 형성하되, 상기 액티브층의 소정영역과 전기적으로 접속하는 제 1 소오스/드레인전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 산화물 박막 트랜지스터 및 그 제조방법은 비정질 아연 산화물계 반도체를 액티브층으로 사용함에 따라 균일도가 우수하여 대면적 디스플레이에 적용 가능한 효과를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 산화물 박막 트랜지스터 및 그 제조방법은 소오스/드레인전극 식각시 산화물 반도체에 손상을 주지 않아 안정적이며 우수한 소자특성을 확보할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 산화물 박막 트랜지스터 및 그 제조방법은 이중층의 소오스/드레인전극의 사용으로 접촉저항을 최소화할 수 있으며, 소오스/드레인전극의 하부층을 Ti로 형성하였을 경우 이를 TiO로 산화시켜 보호층으로 사용함에 따라 공정이 단순화되는 효과를 제공한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 산화물 박막 트랜지스터 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도로써, 비정질 아연 산화물계 반도체를 액티브층으로 사용한 산화물 박막 트랜지스터의 구조를 개략적으로 나타내고 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터는 소정의 기판(110) 위에 형성된 게이트전극(121), 상기 게이트전극(121) 위에 형성된 게이트절연막(115), 상기 게이트절연막(115) 위에 비정질 아연 산화물계 반도체로 형성된 액티브층(124) 및 상기 액티브층(124)의 소정영역과 전기적으로 접속하는 소오스/드레인전극(122, 123)으로 이루어져 있다.
이때, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터는 전술한 소오스/드레인전극(122, 123) 식각시 발생하는 상기 비정질 아연 산화물계 반도체, 즉 액티브층(124)의 손상을 방지하는 한편 상기 액티브층(124)과 소오스/드레인전극(122, 123) 사이의 접촉저항을 최소화하기 위해 상기 소오스/드레인전극(122, 123)을 이중층 구조로 형성하게 된다.
여기서, 상기 소오스/드레인전극(122, 123)은 상부층에 형성되어 상기 비정질 아연 산화물계 반도체와의 접촉저항에 상관없이 낮은 비저항을 가지는 구리(copper; Cu), 금(aurum; Au), 몰리브덴(molybdenum; Mo) 등의 금속으로 이루어 진 제 2 소오스/드레인전극(122b, 123b) 및 상기 액티브층(124)과 접촉하는 하부층에 형성되어 상기 제 2 소오스/드레인전극(122b, 123b)과 습식식각시 선택성을 가지고 상기 비정질 아연 산화물계 반도체에 대해서 낮은 접촉저항을 가지는 티타늄(titanium; Ti), 몰리브덴 티타늄(MoTi)과 같은 티타늄 합금(Ti alloy), 몰리브덴 등의 금속으로 이루어진 제 1 소오스/드레인전극(122a, 123a)으로 이루어진다.
이때, 상기 제 1 소오스/드레인전극(122a, 123a)은 건식식각이 요구되는 금속 두께를 최소화함으로써 상기 제 1 소오스/드레인전극(122a, 123a)의 건식식각 중 발생하는 액티브층(124)의 손상을 방지할 수 있게 된다.
이때, 상기 본 발명의 제 1 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터는 비정질 아연 산화물계 반도체를 이용하여 액티브층(124)을 형성함에 따라 높은 이동도와 정전류 테스트 조건을 만족하는 한편 균일한 특성이 확보되어 대면적 디스플레이에 적용 가능한 장점을 가지고 있다.
상기 아연 산화물(ZnO)은 산소 함량에 따라 전도성, 반도체성 및 저항성의 3가지 성질을 모두 구현할 수 있는 물질로, 비정질 아연 산화물계 반도체 물질을 액티브층(124)으로 적용한 산화물 박막 트랜지스터는 액정표시장치와 유기전계발광 디스플레이를 포함하는 대면적 디스플레이에 적용될 수 있다.
또한, 최근 투명 전자회로에 엄청난 관심과 활동이 집중되고 있는데, 상기 비정질 아연 산화물계 반도체 물질을 액티브층(124)으로 적용한 산화물 박막 트랜지스터는 높은 이동도를 가지는 한편 저온에서 제작이 가능함에 따라 상기 투명 전자회로에 사용될 수 있는 장점이 있다.
특히, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터는 상기 ZnO에 인듐(indium; In)과 갈륨(gallium; Ga)과 같은 중금속이 함유된 a-IGZO 반도체로 액티브층(124)을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 a-IGZO 반도체는 가시광선을 통과시킬 수 있어 투명하며, 또한 상기 a-IGZO 반도체로 제작된 산화물 박막 트랜지스터는 1 ~ 100cm2/Vs의 이동도를 가져 비정질 실리콘 박막 트랜지스터에 비해 높은 이동도 특성을 나타낸다.
또한, 상기 a-IGZO 반도체는 넓은 밴드 갭을 가져 높은 색 순도를 갖는 UV 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED), 백색 LED와 그밖에 다른 부품들을 제작할 수 있으며, 저온에서 공정이 가능하여 가볍고 유연한 제품을 생산할 수 있는 특징을 가지고 있다.
더욱이 상기 a-IGZO 반도체로 제작된 산화물 박막 트랜지스터는 비정질 실리콘 박막 트랜지스터와 비슷한 균일한 특성을 나타냄에 따라 부품 구조도 비정질 실리콘 박막 트랜지스터처럼 간단하며, 대면적 디스플레이에 적용할 수 있는 장점을 가지고 있다.
이와 같은 특징을 가진 상기 본 발명의 제 1 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터는 스퍼터링 중의 반응 가스 내의 산소 농도를 조절함으로써 액티브층(124)의 캐리어 농도를 조절할 수 있어 박막 트랜지스터의 소자특성을 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 전술한 바와 같이 본 발명의 제 1 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지 스터는 소오스/드레인전극을 이중층 이상의 다층구조로 형성함으로써 상부층 금속으로 상기 a-IGZO 반도체와의 접촉저항에 상관없이 낮은 비저항 물질을 선택할 수 있게 되며, 하부층은 얇은 두께로 형성할 수 있게 되어 건식식각에 의한 산화물 반도체의 손상을 최소화할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 소오스/드레인전극의 하부층을 Ti로 형성하였을 경우 이를 TiO로 산화시켜 보호층으로 사용함에 따라 공정이 단순화되는 한편 접촉저항을 최소화시킬 수 있게 되는데, 이를 다음의 본 발명의 제 2 실시예를 통해 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도로써, 소오스/드레인전극의 하부층을 Ti로 구성하여 이를 TiO로 산화시켜 보호층으로 사용한 것을 제외하고는 상기 본 발명의 제 1 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터와 동일한 구성요소로 이루어져 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터는 소정의 기판(210) 위에 형성된 게이트전극(221), 상기 게이트전극(221) 위에 형성된 게이트절연막(215), 상기 게이트절연막(215) 위에 비정질 아연 산화물계 반도체로 형성된 액티브층(224) 및 상기 액티브층(224)의 소정영역과 전기적으로 접속하는 소오스/드레인전극(222, 223)으로 이루어져 있다.
이때, 상기 본 발명의 제 2 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터는 전술한 제 1 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터와 동일하게 비정질 아연 산화물계 반도체를 이용하여 액티브층(224)을 형성함에 따라 높은 이동도와 정전류 테스트 조건을 만족하는 한편 균일한 특성이 확보되어 대면적 디스플레이에 적용 가능한 장 점을 가지고 있다.
특히, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터는 상기 ZnO에 인듐과 갈륨과 같은 중금속이 함유된 a-IGZO 반도체로 액티브층(224)을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 본 발명의 제 2 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터는 스퍼터링 중의 반응 가스 내의 산소 농도를 조절함으로써 액티브층(224)의 캐리어 농도를 조절할 수 있어 박막 트랜지스터의 소자특성을 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터는 전술한 소오스/드레인전극(222, 223) 식각시 발생하는 상기 비정질 아연 산화물계 반도체, 즉 액티브층(224)의 손상을 방지하는 한편 상기 액티브층(224)과 소오스/드레인전극(222, 223) 사이의 접촉저항을 최소화하기 위해 상기 소오스/드레인전극(222, 223)을 이중층 구조로 형성하게 된다.
즉, 상기 소오스/드레인전극(222, 223)은 상부층에 형성되어 상기 비정질 아연 산화물계 반도체와의 접촉저항에 상관없이 낮은 비저항을 가지는 구리, 금, 몰리브덴 등의 금속으로 이루어진 제 2 소오스/드레인전극(222b, 223b) 및 상기 액티브층(224)과 접촉하는 하부층에 형성되어 상기 제 2 소오스/드레인전극(222b, 223b)과 습식식각시 선택성을 가지고 상기 비정질 아연 산화물계 반도체에 대해서 낮은 접촉저항을 가지는 티타늄, 몰리브덴 티타늄과 같은 티타늄 합금, 몰리브덴 등의 금속으로 이루어진 제 1 소오스/드레인전극(222a, 223a)으로 이루어진다.
특히, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터는 전술한 바와 같이 소오스/드레인전극(222, 223)을 이중층 이상의 다층구조로 형성함으로써 상부층 금속으로 상기 a-IGZO 반도체와의 접촉저항에 상관없이 낮은 비저항 물질을 선택할 수 있게 되며, 상기 소오스/드레인전극의 하부층을 Ti로 형성하였을 경우 이를 TiO로 산화시켜 보호층(225)으로 사용함에 따라 공정이 단순화되는 한편 접촉저항을 최소화시킬 수 있게 되는데, 이를 다음의 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법을 통해 상세히 설명한다.
도 5a 내지 도 5e는 도 4에 도시된 산화물 박막 트랜지스터의 제조공정을 순차적으로 나타내는 단면도이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 투명한 절연물질로 이루어진 기판(210) 위에 소정의 게이트전극(221)을 형성한다.
이때, 본 발명의 산화물 박막 트랜지스터에 적용되는 비정질 아연 산화물계 복합 반도체는 저온 증착이 가능하여, 플라스틱 기판, 소다라임 글라스 등의 저온 공정에 적용이 가능한 기판(210)을 사용할 수 있다. 또한, 비정질 특성을 나타냄으로 인해 대면적 디스플레이용 기판(210)의 사용이 가능하다.
또한, 상기 게이트전극(221)은 제 1 도전막을 상기 기판(210) 전면에 증착한 후 포토리소그래피공정(제 1 마스크공정)을 통해 선택적으로 패터닝하여 형성하게 된다.
여기서, 상기 제 1 도전막으로 알루미늄(aluminium; Al), 알루미늄 합금(Al alloy), 텅스텐(tungsten; W), 구리(copper; Cu), 니켈(nickel; Ni), 크 롬(chromium; Cr), 몰리브덴(molybdenum; Mo), 티타늄(titanium; Ti), 백금(platinum; Pt), 탄탈(tantalum; Ta) 등과 같은 저저항 불투명 도전물질을 사용할 수 있다. 또한, 상기 제 1 도전막은 인듐-틴-옥사이드(Indium Tin Oxide; ITO), 인듐-징크-옥사이드(Indium Zinc Oxide; IZO)와 같은 불투명한 도전물질을 사용할 수 있으며, 상기 도전물질이 두 가지 이상 적층된 다층구조로 형성할 수도 있다.
다음으로, 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 게이트전극(121)이 형성된 기판(210) 전면에 실리콘질화막(SiNx), 실리콘산화막(SiO2)과 같은 무기절연막 또는 하프늄(hafnium; Hf) 옥사이드, 알루미늄 옥사이드와 같은 고유전성 산화막으로 이루어진 게이트절연막(215)을 형성한다.
이때, 상기 게이트절연막(215)은 화학기상증착(Chemical Vapour Deposition; CVD) 또는 플라즈마 화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition; PECVD)으로 형성할 수 있다.
그리고, 상기 게이트절연막(215)이 형성된 기판(210) 전면에 비정질 아연 산화물계 반도체를 증착하여 소정의 비정질 아연 산화물계 반도체층을 형성한 후, 포토리소그래피공정(제 2 마스크공정)을 통해 선택적으로 패터닝함으로써 상기 게이트전극(221) 상부에 상기 비정질 아연 산화물계 반도체로 이루어진 액티브층(224)을 형성한다.
이때, 상기 비정질 아연 산화물계 복합 반도체, 특히 a-IGZO 반도체는 갈륨산화물(Ga2O3), 인듐산화물(In2O3) 및 아연산화물(ZnO)의 복합체 타겟을 이용하여 스 퍼터링(sputtering) 방법에 의해 형성될 수 있으며, 이 이외에도 화학기상증착이나 원자증착(Atomic Layer Deposition; ALD) 등의 화학적 증착방법을 이용하는 것도 가능하다.
또한, 상기 a-IGZO 반도체는 갈륨, 인듐 및 아연의 원자비가 각각 1:1:1, 2:2:1, 3:2:1, 4:2:1 등의 복합 산화물 타겟을 사용하여 비정질 아연 산화물계 반도체층을 형성할 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 산화물 박막 트랜지스터는 상기 비정질 아연 산화물계 반도체층을 형성하기 위한 스퍼터링 중의 반응 가스 내의 산소 농도를 조절함으로써 액티브층(224)의 캐리어 농도를 조절할 수 있는데, 이때 산소 농도 1 ~ 20% 조건에서 균일한 소자특성의 확보가 가능하다.
그리고, 도 5c에 도시된 바와 같이, 상기 액티브층(224)이 형성된 기판(210) 전면에 제 2 도전막(220)과 제 3 도전막(230)을 형성한다.
이때, 상기 제 2 도전막(220)은 하부층의 제 1 소오스/드레인전극을 형성하기 위해 그 상부의 제 2 소오스/드레인전극과 습식식각시 선택성을 가지고 상기 비정질 아연 산화물계 반도체에 대해서 낮은 접촉저항을 가지는 티타늄을 사용할 수 있다. 또한, 상기 제 2 도전막(220)은 상기 티타늄에 하나 이상의 다른 도전물질이 적층된 다층구조로 형성할 수도 있다.
이때, 상기 본 발명의 제 2 실시예에 따른 제 2 도전막(220)은 50 ~ 200Å 정도의 얇은 두께로 형성하게 되며, 건식식각을 이용하는 경우에는 50 ~ 300Å 정도의 얇은 두께로 형성함에 따라 건식식각에 의한 산화물 반도체의 손상을 최소화 할 수 있게 된다.
또한, 상기 제 3 도전막(230)은 상부층의 제 2 소오스/드레인전극을 형성함에 따라 상기 비정질 아연 산화물계 반도체와의 접촉저항에 상관없이 낮은 비저항을 가지는 구리, 금, 몰리브덴 등의 금속을 사용할 수 있다.
이때, 상기 액티브층(224)이 형성된 기판(210) 위에 제 2 도전막(220)을 증착하기 전에 산소 플라즈마 처리와 같은 소정의 표면처리를 진행할 수 있는데, 이는 상기 제 2 도전막(220)으로 티타늄을 선정할 경우 상기 티타늄의 강한 산화성 때문에 상기 비정질 아연 산화물계 반도체 표면에 잉여 산소를 공급하기 위함이다.
그리고, 도 5d에 도시된 바와 같이, 포토리소그래피공정(제 3 마스크공정)을 통해 상기 제 3 도전막을 선택적으로 패터닝함으로써 상기 제 2 도전막(220) 위에 상기 제 3 도전막으로 이루어진 제 2 소오스/드레인전극(222b, 223b)을 형성하게 된다.
이때, 상기 제 3 도전막의 식각은 대면적 및 균일도에 적합한 습식식각을 이용하게 된다.
그리고, 도 5e에 도시된 바와 같이, 제 2 도전막으로 티타늄을 적용하는 경우에는 상기 제 3 도전막의 습식식각 후 산소 플라즈마 처리 또는 산소가 포함된 분위기에서 소정의 열처리를 통해 상기 노출된 제 2 도전막을 산화시켜 TiO로 이루어진 보호층(225)을 형성하게 된다.
이때, 상기 액티브층(224) 상부에 위치하는 보호층(225)은 액티브층(224)의 백채널을 보호하는 역할을 하며, 그 상부에 제 2 소오스/드레인전극(222b, 223b)이 위치하는 제 2 도전막은 상기 보호층(225)과 구별되어 상기 제 2 도전막으로 이루어진 제 1 소오스/드레인전극(222a, 223a)을 구성하게 된다.
이와 같이 상기 소오스/드레인전극(222, 223)의 하부층을 티타늄으로 형성하였을 경우 이를 TiO로 산화시켜 보호층(225)으로 사용함에 따라 공정이 단순화되는 한편 접촉저항을 최소화시킬 수 있게 된다.
즉, 제 2 도전막으로 티타늄을 적용하는 경우 상기 티타늄의 상온에서 산화되는 정도는 ΔH=-940kJ/mol이며, 이는 아연의 상온에서의 값(~350kJ/mol)에 비해 2.5배 정도로 크기 때문에 상기 제 1 소오스/드레인전극(222a, 223a)과 접촉되는 액티브층(224)의 소오스/드레인영역에서의 상기 비정질 아연 산화물계 반도체는 도체로 전이되어 접촉저항이 최소화되어 소자 성능이 향상되게 된다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터에 있어서, 채널영역을 확대하여 나타내는 주사(走査)전자 현미경(Scanning Electron Microscope; SEM) 사진으로써, a-IGZO 반도체 박막 트랜지스터의 채널영역을 100,000배로 확대하여 나타내는 SEM 사진이다.
도 6을 참조하면, 제 2 소오스/드레인전극(M2)이 대략 90도의 테이퍼(taper)를 가지도록 형성되어있으며, 상기 M2를 식각한 직후에 게이트절연막의 노출영역에 도전막(M1)이 a-IGZO 반도체로 이루어진 액티브층을 잘 보호하고 있음을 알 수 있다.
이때, 상기 상부층 제 2 소오스/드레인전극(M2)의 습식식각 후 하부층 도전막(M1)을 습식식각하는 경우에도 상기 도전막(M1)의 두께가 얇아 그 하부의 액티브 층이 손상을 받지 않게 되며, 상기 하부층 도전막(M1)을 티타늄으로 형성하였을 경우 이를 TiO로 산화시켜 보호층으로 사용함으로써 그 하부의 액티브층을 잘 보호할 수 있게 된다.
참고로, 도시된 1Y는 도전막(M1)의 두께로 약 0.0298㎛이며, 2Y는 액티브층의 두께로 약 0.0397㎛이다.
전술한 바와 같이 본 발명은 액정표시장치뿐만 아니라 박막 트랜지스터를 이용하여 제작하는 다른 표시장치, 예를 들면 구동 트랜지스터에 유기전계발광소자가 연결된 유기전계발광 디스플레이장치에도 이용될 수 있다.
또한, 본 발명은 높은 이동도를 가지는 한편 저온에서 공정이 가능한 비정질 아연 산화물계 반도체 물질을 액티브층으로 적용함에 따라 투명 전자회로나 플렉서블(flexible) 디스플레이에 사용될 수 있는 장점이 있다.
상기한 설명에 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나 이것은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서 발명은 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위와 특허청구범위에 균등한 것에 의하여 정하여져야 한다.
도 1은 일반적인 액정표시장치를 개략적으로 나타내는 분해사시도.
도 2는 일반적인 산화물 박막 트랜지스터의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 5a 내지 도 5e는 도 4에 도시된 산화물 박막 트랜지스터의 제조공정을 순차적으로 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터에 있어서, 채널영역을 확대하여 나타내는 SEM 사진.
** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **
110,210 : 기판 121,221 : 게이트전극
122,222 : 소오스전극 123,223 : 드레인전극
124,224 : 액티브층 225 : 보호층
Claims (17)
- 기판 위에 제 1 도전막으로 게이트전극을 형성하는 단계;상기 기판 위에 게이트절연막을 형성하는 단계;상기 게이트절연막 위에 비정질 아연 산화물계 반도체로 이루어진 액티브층을 형성하는 단계;상기 액티브층이 형성된 기판 전면에 제 2 도전막과 제 3 도전막을 형성하는 단계;하부의 제 2 도전막의 일부영역이 노출되도록 상기 제 3 도전막을 식각하여 제 2 소오스/드레인전극을 형성하는 단계;상기 노출된 제 2 도전막을 산화시켜 상기 액티브층의 백채널을 보호하는 보호층을 형성하는 단계; 및상기 제 2 소오스/드레인전극 하부에 상기 제 2 도전막으로 형성하되, 상기 액티브층의 소정영역과 전기적으로 접속하는 제 1 소오스/드레인전극을 형성하는 단계를 포함하는 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 유리기판 또는 플라스틱 기판으로 형성하는 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 액티브층은 a-IGZO 반도체로 형성하는 것을 특징으 로 하는 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 액티브층은 스퍼터링 중의 반응 가스 내의 산소 농도를 1 ~ 20%로 하여 형성하는 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 보호층과 제 1 소오스/드레인전극 및 제 2 소오스/드레인전극은 동일한 마스크공정을 통해 형성하는 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 제 3 도전막은 상기 비정질 아연 산화물계 반도체와의 접촉저항에 상관없이 낮은 비저항을 가지는 구리, 금, 몰리브덴 등의 금속으로 형성하는 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 도전막은 상기 제 3 도전막과 습식식각의 선택성을 가지고 상기 비정질 아연 산화물계 반도체에 대해서 낮은 접촉저항을 가지는 티타늄, 몰리브덴 티타늄과 같은 티타늄 합금, 몰리브덴 등의 금속으로 형성하는 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 도전막은 50 ~ 200Å 정도의 얇은 두께로 형성 하는 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 액티브층이 형성된 기판 위에 제 2 도전막을 형성하기 전에 산소 플라즈마 처리와 같은 소정의 표면처리를 진행하여 상기 비정질 아연 산화물계 반도체 표면에 잉여 산소를 공급하는 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 도전막으로 티타늄을 적용하는 경우 상기 제 3 도전막의 습식식각 후 산소 플라즈마 처리 또는 산소가 포함된 분위기에서 소정의 열처리를 통해 상기 노출된 제 2 도전막을 산화시켜 TiO로 이루어진 보호층을 형성하는 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제 1 도전막으로 기판 위에 형성된 게이트전극;상기 기판 위에 형성된 게이트절연막;상기 게이트절연막 위에 형성되며, 비정질 아연 산화물계 반도체로 이루어진 액티브층;상기 액티브층 위에 형성되어 상기 액티브층의 소정영역과 전기적으로 접속하며, 상기 비정질 아연 산화물계 반도체에 대해서 낮은 접촉저항을 가지는 제 2 도전막으로 이루어진 제 1 소오스/드레인전극;상기 제 1 소오스/드레인전극 위에 형성되며, 상기 비정질 아연 산화물계 반 도체와의 접촉저항에 상관없이 낮은 비저항을 가지는 제 3 도전막으로 이루어진 제 2 소오스/드레인전극; 및상기 액티브층의 백채널 상부에 형성되며, 상기 제 2 도전막이 산화되어 상기 액티브층의 백채널을 보호하는 보호층을 포함하는 산화물 박막 트랜지스터.
- 제 11 항에 있어서, 상기 기판은 유리기판 또는 플라스틱 기판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터.
- 제 11 항에 있어서, 상기 액티브층은 a-IGZO 반도체로 이루어진 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터.
- 제 11 항에 있어서, 상기 제 2 도전막은 티타늄, 몰리브덴 티타늄과 같은 티타늄 합금 등의 티타늄을 함유하는 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터.
- 제 11 항에 있어서, 상기 제 3 도전막은 구리, 금, 몰리브덴 등의 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터.
- 제 11 항에 있어서, 상기 제 2 도전막은 50 ~ 200Å 정도의 얇은 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터.
- 제 11 항에 있어서, 상기 제 2 도전막으로 티타늄을 적용하는 경우 상기 액티브층의 백채널 상부의 보호층은 상기 제 3 도전막의 습식식각 후 산소 플라즈마 처리 또는 산소가 포함된 분위기에서 소정의 열처리를 통해 산화된 TiO로 이루어진 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터.
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