KR20110071641A - 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법은 AxByCzO(A, B, C = Zn, Cd, Ga, In, Sn, Hf, Zr; x, y, z ≥ 0)의 조합으로 이루어진 삼성분계 또는 사성분계 산화물 반도체를 액티브층으로 사용한 박막 트랜지스터에 있어서, 수소를 포함하지 않는 스퍼터(sputter) 장비로 실리콘을 증착한 후, 소정의 열처리를 통해 실리콘산화막(SiO2)을 형성하여 에치 스타퍼(etch stopper)로 사용함으로써 수소 도핑(hydrogen doping) 효과로 인한 산화물 반도체의 열화를 방지하기 위한 것으로, 기판 위에 게이트전극을 형성하는 단계; 상기 게이트전극이 형성된 기판 위에 게이트절연막을 형성하는 단계; 상기 게이트절연막 위에 산화물 반도체로 이루어진 액티브층을 형성하는 단계; 상기 액티브층이 형성된 기판 위에 스퍼터링을 통해 실리콘으로 이루어진 실리콘층을 형성하는 단계; 열처리를 통해 상기 실리콘을 산화시켜 SiO2로 이루어진 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층을 선택적으로 패터닝하여 상기 액티브층 상부에 상기 SiO2로 이루어진 에치 스타퍼를 형성하는 단계; 상기 액티브층과 에치 스타퍼가 형성된 기판 위에 상기 액티브층의 소오스/드레인영역과 전기적으로 접속하는 소오스/드레인전극을 형성하는 단계; 상기 소오스/드레인전극이 형성된 기판 위에 보호층을 형성하는 단계; 상기 보호층의 일부 영역을 제거하여 상기 드레인전극의 일부를 노출시키는 콘택홀을 형성하는 단계; 및 상기 콘택홀을 통해 상기 드레인전극과 전기적으로 접속하는 화소전극을 형성하는 단계를 포함 하며, 상기 액티브층은 AxByCzO(A, B, C = Zn, Cd, Ga, In, Sn, Hf, Zr; x, y, z ≥ 0)의 조합으로 이루어진 삼성분계 또는 사성분계 산화물 반도체로 이루어진 것을 특징으로 한다.
산화물 박막 트랜지스터, 스퍼터, 열처리, 실리콘산화막, 에치스타퍼
Description
본 발명은 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 AxByCzO(A, B, C = Zn, Cd, Ga, In, Sn, Hf, Zr; x, y, z ≥ 0)의 조합으로 이루어진 삼성분계 또는 사성분계 산화물 반도체를 액티브층으로 사용한 산화물 박막 트랜지스터의 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 형성된 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 확보가 어려워 대면적화가 어렵고 고온 공정이 필요하다.
이에 산화물 반도체로 액티브층을 형성한 산화물 박막 트랜지스터를 개발하고 있는데, 이때 산화물 반도체를 기존의 바텀 게이트(bottom gate) 구조의 박막 트랜지스터에 적용하는 경우 소오스/드레인전극의 식각공정, 특히 플라즈마를 이용한 건식식각 중에 산화물 반도체가 손상을 받아 변성을 일으키는 문제가 있다.
이를 방지하기 위해 배리어 층(barrier layer)으로 에치 스타퍼(etch stopper)를 액티브층 상부에 추가로 형성할 수 있는데, 이 경우에도 수소 도핑(hydrogen doping) 효과로 인한 산화물 반도체의 열화문제를 해결할 수 있는 것은 아니다.
도 2는 일반적인 산화물 박막 트랜지스터의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 일반적인 산화물 박막 트랜지스터는 기판(10) 위에 형성된 게이트전극(21), 상기 게이트전극(21) 위에 형성된 게이트절연막(15a), 상기 게이트절연막(15a) 위에 산화물 반도체로 형성된 액티브층(24), 상기 액티브층(24)의 소정영역과 전기적으로 접속하는 소오스/드레인전극(22, 23), 상기 소오스/드레인전극(22, 23) 위에 형성된 보호막(15b) 및 상기 드레인전극(23)과 전기적으로 접속하는 화소전극(18)으로 이루어져 있다.
이때, 일반적으로 상기 보호막 및 에치 스타퍼는 실리콘산화막(SiO2)으로 이 루어지며, 모노 실란(SiH4) 가스와 이산화질소(N2O) 가스를 증착가스로 하여 플라즈마 화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition; PECVD) 장비를 이용하여 형성하게 된다.
그런데, 상기 액티브층을 구성하는 산화물 반도체는 상기 플라즈마 화학기상증착 장비를 이용한 SiO2의 증착 중에 상기 SiH4 가스에서 유기된 수소 도핑 효과로 인해 산화물 반도체의 백 채널(back channel)영역이 도체로 변하게 된다. 즉, 일반적으로 산화물 반도체는 도체와 반도체의 2가지 특성을 모두 가지고 있으며, 박막 내 캐리어(carrier) 농도를 조절하여 전이시킬 수 있다. 그런데, 상기 SiH4 가스에서 유기된 수소 이온이 산화물 반도체 박막 내로 확산(diffusion)하게 되면 도너(donor)로 작용하게 되어 산화물 반도체를 도체로 전이시키는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, AxByCzO(A, B, C = Zn, Cd, Ga, In, Sn, Hf, Zr; x, y, z ≥ 0)의 조합으로 이루어진 삼성분계 또는 사성분계 산화물 반도체를 액티브층으로 사용한 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 절연층의 증착 중에 발생하는 수소 도핑 효과로 인한 백 채널영역이 도체로 전이되는 문제없이 단순공정으로 에치 스타퍼를 형성하도록 한 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적 및 특징들은 후술되는 발명의 구성 및 특허청구범위에서 설명될 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법은 기판 위에 게이트전극을 형성하는 단계; 상기 게이트전극이 형성된 기판 위에 게이트절연막을 형성하는 단계; 상기 게이트절연막 위에 산화물 반도체로 이루어진 액티브층을 형성하는 단계; 상기 액티브층이 형성된 기판 위에 스퍼터링을 통해 실리콘으로 이루어진 실리콘층을 형성하는 단계; 열처리를 통해 상기 실리콘을 산화시켜 SiO2로 이루어진 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층을 선택적으로 패터닝하여 상기 액티브층 상부에 상기 SiO2로 이루어진 에치 스타퍼를 형성하는 단계; 상기 액티브층과 에치 스타퍼가 형성된 기판 위에 상기 액티브층의 소오스/드레인영역과 전기적으로 접속하는 소오스/드레인전극을 형성하는 단계; 상기 소오스/드레인전극이 형성된 기판 위에 보호층을 형성하는 단계; 상기 보호층의 일부 영역을 제거하여 상기 드레인전극의 일부를 노출시키는 콘택홀을 형성하는 단계; 및 상기 콘택홀을 통해 상기 드레인전극과 전기적으로 접속하는 화소전극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 액티브층은 AxByCzO(A, B, C = Zn, Cd, Ga, In, Sn, Hf, Zr; x, y, z ≥ 0)의 조합으로 이루어진 삼성분계 또는 사성분계 산화물 반도체로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법은 비정질 산화물 반도체를 액티브층으로 사용함에 따라 균일도가 우수하여 대면적 디스플레이에 적용 가능한 효과를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법은 백 채널영역이 도체로 전이되는 문제없이 단순공정으로 에치 스타퍼를 형성함으로써 비용절감 및 신뢰성 있는 소자특성을 확보할 수 있는 효과를 제공한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도로써, AxByCzO(A, B, C = Zn, Cd, Ga, In, Sn, Hf, Zr; x, y, z ≥ 0)의 조합으로 이루어진 삼성분계 또는 사성분계 산화물 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(115a), 상기 게이트절연막(115a) 위에 산화물 반도체로 형성된 액티브층(124)과 SiO2로 형성된 에치 스타퍼(125) 및 상기 액티브층(124)의 소오스/드레인영역과 전기적으로 접속하는 소오스/드레인전극(122, 123)으로 이루어져 있다.
그리고, 상기 본 발명의 제 1 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터는 상기 소오스/드레인전극(122, 123)이 형성된 기판(110) 위에 형성된 보호층(115b) 및 상기 보호층(115b)에 형성된 콘택홀을 통해 상기 드레인전극(123)과 전기적으로 접속하는 화소전극(118)을 포함한다.
이때, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 게이트전극(121)은 소정의 게이트라인에 연결되고 상기 소오스전극(122)의 일부는 일방향으로 연장되어 데이터라인에 연결되며, 상기 게이트라인과 데이터라인은 기판(110) 위에 종횡으로 배열되어 화소영역을 정의하게 된다.
여기서, 상기 본 발명의 제 1 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터는 AxByCzO(A, B, C = Zn, Cd, Ga, In, Sn, Hf, Zr; x, y, z ≥ 0)의 조합으로 이루어진 삼성분계 또는 사성분계 산화물 반도체를 이용하여 액티브층(124)을 형성함에 따라 높은 이동도와 정전류 테스트 조건을 만족하는 한편 균일한 특성이 확보되어 액정표시장치와 유기전계발광 디스플레이를 포함하는 대면적 디스플레이에 적용 가능한 장점을 가지고 있다.
또한, 최근 투명 전자회로에 엄청난 관심과 활동이 집중되고 있는데, 상기 산화물 반도체를 액티브층으로 적용한 산화물 박막 트랜지스터는 높은 이동도를 가지는 한편 저온에서 제작이 가능함에 따라 상기 투명 전자회로에 사용될 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 산화물 반도체는 넓은 밴드 갭을 가질 수 있어 높은 색순도를 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.
이와 같은 특징을 가진 상기 본 발명의 제 1 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터는 상기 액티브층(124)의 채널영역 위의 상기 소오스전극(122)과 드레인전극(123) 사이에 상기 에치 스타퍼(125)가 형성되어 있는데, 상기 에치 스타퍼(125)는 후(後)공정의 플라즈마 처리에 의해 채널영역의 캐리어 농도가 변화하는 것을 방지하는 역할을 한다.
또한, 상기 상기 본 발명의 제 1 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터는 수소를 포함하지 않는 스퍼터 장비로 실리콘을 증착한 후, 소정의 열처리를 통해 SiO2를 형성하여 에치 스타퍼(125)로 사용함으로써 수소 도핑 효과로 인한 산화물 반도체의 열화를 방지할 수 있게 되는데, 이를 다음의 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법을 통해 상세히 설명한다.
도 4a 내지 도 4f는 상기 도 3에 도시된 산화물 박막 트랜지스터의 제조공정을 순차적으로 나타내는 단면도이다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 투명한 절연물질로 이루어진 기판(110) 위에 소정의 게이트전극(121)을 형성한다.
이때, 본 발명의 산화물 박막 트랜지스터에 적용되는 산화물 반도체는 저온 증착이 가능하여, 플라스틱 기판, 소다라임 글라스 등의 저온 공정에 적용이 가능한 기판(110)을 사용할 수 있다. 또한, 비정질 특성을 나타냄으로 인해 대면적 디스플레이용 기판(110)의 사용이 가능하다.
또한, 상기 게이트전극(121)은 제 1 도전막을 상기 기판(110) 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), 크롬(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 투명한 도전물질을 사용할 수 있으며, 상기 도전물질이 두 가지 이상 적층된 다층구조로 형성할 수도 있다.
다음으로, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 게이트전극(121)이 형성된 기판(110) 전면에 실리콘질화막(SiNx), 실리콘산화막(SiO2)과 같은 무기절연막 또는 하프늄(hafnium; Hf) 옥사이드, 알루미늄 옥사이드와 같은 고유전성 산화막으로 이루어진 게이트절연막(115a)을 형성한다.
그리고, 상기 게이트절연막(115a)이 형성된 기판(110) 전면에 소정의 산화물 반도체로 이루어진 산화물 반도체층을 형성한 후, 포토리소그래피공정(제 2 마스크공정)을 통해 선택적으로 패터닝함으로써 상기 게이트전극(121) 상부에 상기 산화물 반도체로 이루어진 액티브층(124)을 형성한다.
이때, 상기 산화물 반도체층은 예를 들어 AxByCzO(A, B, C = Zn, Cd, Ga, In, Sn, Hf, Zr; x, y, z ≥ 0)의 조합으로 이루어진 삼성분계 또는 사성분계 산화물 반도체로 형성할 수 있다.
다음으로, 도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 액티브층(124)이 형성된 기판(110) 전면에 스퍼터 장비를 이용하여 소정의 실리콘층을 형성한 후, 소정의 열처리공정을 진행하여 상기 실리콘층을 산화시킴으로써 SiO2로 이루어진 절연층을 형성한다.
이때, 상기 액티브층(124) 상부에 위치하는 절연층은 액티브층(124)의 백 채널을 보호하는 역할을 하며, 상기 실리콘층은 실리콘(silicone; Si) 타겟을 이용한 스퍼터링(sputtering) 중에 예를 들어 N2 가스만을 주입하여 증착함으로써 프로세스 중의 H2 가스에 의한 산화물 반도체의 열화를 방지할 수 있게 된다.
그리고, 포토리소그래피공정(제 3 마스크공정)을 통해 상기 절연층을 선택적으로 패터닝하게 되면, 상기 기판(110)의 액티브층(124) 위에 상기 SiO2로 이루어진 에치 스타퍼(125)가 형성되게 된다.
이때, 상기 절연층의 식각에는 산소 플라즈마 처리와 같은 건식식각을 이용할 수 있으며, 상기 절연층이 식각되는 동안 그 하부, 특히 액티브층(124)의 백 채널영역은 노출이 완전히 방지되어 노출에 의한 불안정성이 제거되는 동시에 에치 스타퍼(125)의 패터닝에 의한 손상을 방지할 수 있게 된다.
또한, 상기 에치 스타퍼(125)를 형성하기 위해 산소 플라즈마 처리를 통해 상기 절연층을 식각할 때 노출된 액티브층(124)의 소정영역은 산소 플라즈마에 의해 저항이 감소되어 후술할 소오스/드레인전극과의 콘택영역인 소오스/드레인영역을 형성하게 된다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 에치 스타퍼(125)를 형성한 후 산소 플라즈마와 같은 표면처리 또는 열처리를 통해 노출된 액티브층(124)의 저항을 감소시켜 콘택영역인 소오스/드레인영역을 형성할 수도 있다.
다음으로, 도 4d에 도시된 바와 같이, 상기 에치 스타퍼(125)가 형성된 기판(110) 전면에 제 2 도전막을 형성한다.
이때, 상기 제 2 도전막은 소오스전극과 드레인전극을 형성하기 위해 알루미늄, 알루미늄 합금, 텅스텐, 구리, 니켈, 크롬, 몰리브덴, 티타늄, 백금, 탄탈 등과 같은 저저항 불투명 도전물질을 사용할 수 있다. 또한, 상기 제 2 도전막은 인 듐-틴-옥사이드, 인듐-징크-옥사이드와 같은 투명한 도전물질을 사용할 수 있으며, 상기 도전물질이 두 가지 이상 적층된 다층구조로 형성할 수도 있다.
그리고, 포토리소그래피공정(제 4 마스크공정)을 통해 상기 제 2 도전막을 선택적으로 패터닝함으로써 상기 액티브층(124)의 소오스영역 및 드레인영역과 전기적으로 접속하는 소오스전극(122) 및 드레인전극(123)을 형성하게 된다.
다음으로, 도 4e에 도시된 바와 같이, 상기 소오스/드레인전극(122, 123)이 형성된 기판(110) 전면에 보호막(115b)을 형성한 후, 포토리소그래피공정(제 5 마스크공정)을 통해 선택적으로 제거함으로써 상기 기판(110)에 상기 드레인전극(123)의 일부를 노출시키는 콘택홀(140)을 형성한다.
그리고, 도 4f에 도시된 바와 같이, 상기 보호막(115b)이 형성된 기판(110) 전면에 제 3 도전막을 형성한 후, 포토리소그래피공정(제 6 마스크공정)을 통해 선택적으로 제거함으로써 상기 기판(110)에 상기 제 3 도전막으로 이루어지며, 상기 콘택홀(140)을 통해 드레인전극(123)과 전기적으로 접속하는 화소전극(118)을 형성한다.
이때, 상기 제 3 도전막은 상기 화소전극(118)을 구성하기 위해 인듐-틴-옥사이드 또는 인듐-징크-옥사이드와 같은 투과율이 뛰어난 투명한 도전물질을 포함한다.
한편, 상기 액티브층과 에치 스타퍼는 하프-톤 마스크 또는 회절마스크(이하, 하프-톤 마스크를 지칭하는 경우에는 회절마스크를 포함하는 것으로 한다)를 이용함으로써 한번의 마스크공정을 통해 형성할 수도 있는데, 이를 다음의 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 제조공정을 순차적으로 나타내는 단면도이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 투명한 절연물질로 이루어진 기판(210) 위에 소정의 게이트전극(221)을 형성한다.
이때, 상기 게이트전극(221)은 제 1 도전막을 상기 기판(210) 전면에 증착한 후 포토리소그래피공정(제 1 마스크공정)을 통해 선택적으로 패터닝하여 형성하게 된다.
다음으로, 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 게이트전극(221)이 형성된 기판(210) 전면에 게이트절연막(215a)과 산화물 반도체로 이루어진 산화물 반도체층 및 SiO2로 이루어진 절연층을 형성한 후, 포토리소그래피공정(제 2 마스크공정)을 통해 선택적으로 패터닝함으로써 상기 게이트전극(221) 상부에 상기 산화물 반도체로 이루어진 액티브층(224)과 상기 SiO2로 이루어진 에치 스타퍼(225)를 형성하게 된다.
이때, 상기 제 2 마스크공정은 하프-톤 마스크를 이용하게 되며, 이를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 6a 내지 도 6f는 상기 도 5b에 도시된 본 발명의 제 2 실시예에 따른 제 2 마스크공정을 구체적으로 나타내는 단면도이다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 상기 게이트전극(221)이 형성된 기판(210) 전면 에 소정의 절연물질로 이루어진 게이트절연막(215a)과 산화물 반도체로 이루어진 산화물 반도체층(220)을 형성한다.
이때, 상기 산화물 반도체층은 예를 들어 AxByCzO(A, B, C = Zn, Cd, Ga, In, Sn, Hf, Zr; x, y, z ≥ 0)의 조합으로 이루어진 삼성분계 또는 사성분계 산화물 반도체로 형성할 수 있다.
그리고, 상기 기판(210) 전면에 스퍼터 장비를 이용하여 소정의 실리콘층을 형성한 후, 소정의 열처리공정을 진행하여 상기 실리콘층을 산화시킴으로써 SiO2로 이루어진 절연층(215)을 형성한다.
이때, 상기 산화물 반도체층(220) 상부에 위치하는 상기 절연층(215)은 액티브층의 백 채널을 보호하는 역할을 하며, 상기 실리콘층은 실리콘 타겟을 이용한 스퍼터링 중에 예를 들어 N2 가스만을 주입하여 증착함으로써 프로세스 중의 H2 가스에 의한 산화물 반도체의 열화를 방지할 수 있게 된다.
다음으로, 도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 어레이 기판(210) 전면에 포토레지스트와 같은 감광성물질로 이루어진 감광막(270)을 형성한 후, 하프-톤 마스크(280)를 통해 상기 감광막(270)에 선택적으로 광을 조사한다.
이때, 상기 하프-톤 마스크(280)에는 조사된 광을 모두 투과시키는 제 1 투과영역(I)과 광의 일부만 투과시키고 일부는 차단하는 제 2 투과영역(II) 및 조사된 모든 광을 차단하는 차단영역(III)이 마련되어 있으며, 상기 하프-톤 마스크(280)를 투과한 광만이 상기 감광막(270)에 조사되게 된다.
이어서, 상기 하프-톤 마스크(280)를 통해 노광된 상기 감광막(270)을 현상하고 나면, 도 6c에 도시된 바와 같이, 상기 차단영역(III)과 제 2 투과영역(II)을 통해 광이 모두 차단되거나 일부만 차단된 영역에는 소정 두께의 제 1 감광막패턴(270a) 내지 제 3 감광막패턴(270c)이 남아있게 되고, 모든 광이 투과된 제 1 투과영역(I)에는 상기 감광막이 완전히 제거되어 상기 절연층(215) 표면이 노출되게 된다.
이때, 상기 차단영역(III)에 형성된 제 1 감광막패턴(270a)은 상기 제 2 투과영역(II)을 통해 형성된 제 2 감광막패턴(270b)과 제 3 감광막패턴(270c)보다 두껍게 형성된다. 또한, 상기 제 1 투과영역(I)을 통해 광이 모두 투과된 영역에는 상기 감광막이 완전히 제거되는데, 이것은 포지티브 타입의 포토레지스트를 사용했기 때문이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 네거티브 타입의 포토레지스트를 사용하여도 무방하다.
다음으로, 도 6d에 도시된 바와 같이, 상기와 같이 형성된 제 1 감광막패턴(270a) 내지 제 3 감광막패턴(270c)을 마스크로 하여, 그 하부에 형성된 산화물 반도체층과 절연층 선택적으로 패터닝하게 되면, 상기 어레이 기판(210)의 게이트전극(221) 상부에 상기 산화물 반도체로 이루어진 액티브층(224)이 형성되게 된다.
이때, 상기 액티브층(224) 상부에는 상기 SiO2로 이루어지며 상기 액티브층(224)과 실질적으로 동일한 형태로 패터닝된 절연막패턴(215')이 형성되게 된다.
이후, 상기 제 1 감광막패턴(270a) 내지 제 3 감광막패턴(270c)의 두께 일부 를 제거하는 애싱(ashing)공정을 진행하게 되면, 도 6e에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 투과영역(II)의 제 2 감광막패턴과 제 3 감광막패턴이 완전히 제거되게 된다.
이때, 상기 제 1 감광막패턴은 상기 제 2 감광막패턴과 제 3 감광막패턴의 두께만큼이 제거된 제 4 감광막패턴(270a')으로 상기 차단영역(III)에 대응하는 채널영역에만 남아있게 된다.
이후, 도 6f에 도시된 바와 같이, 상기 남아있는 제 4 감광막패턴(270a')을 마스크로 하여 그 하부에 형성된 절연막패턴을 선택적으로 패터닝하게 되면, 상기 어레이 기판(210)의 액티브층(224) 상부에 상기 SiO2로 이루어진 에치 스타퍼(225)가 형성되게 된다.
이때, 상기 절연막패턴의 식각에는 산소 플라즈마 처리와 같은 건식식각을 이용할 수 있으며, 상기 절연막패턴이 식각되는 동안 그 하부, 특히 액티브층(224)의 백 채널영역은 노출이 완전히 방지되어 노출에 의한 불안정성이 제거되는 동시에 에치 스타퍼(225)의 패터닝에 의한 손상을 방지할 수 있게 된다.
또한, 상기 에치 스타퍼(225)를 형성하기 위해 산소 플라즈마 처리를 통해 상기 절연막패턴을 식각할 때 노출된 액티브층(224)의 소정영역은 산소 플라즈마에 의해 저항이 감소되어 후술할 소오스/드레인전극과의 콘택영역인 소오스/드레인영역을 형성하게 된다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 에치 스타퍼(225)를 형성한 후 산소 플라즈마와 같은 표면처리 또는 열처리를 통해 노출된 액티브층(224)의 저항을 감소시켜 콘택영역인 소오스/드레인영역을 형성할 수도 있 다.
다음으로, 도 5c에 도시된 바와 같이, 상기 에치 스타퍼(225)가 형성된 기판(210) 전면에 제 2 도전막을 형성한다.
그리고, 포토리소그래피공정(제 3 마스크공정)을 통해 상기 제 2 도전막을 선택적으로 패터닝함으로써 상기 액티브층(224)의 소오스영역 및 드레인영역과 전기적으로 접속하는 소오스전극(222) 및 드레인전극(223)을 형성하게 된다.
다음으로, 도 5d에 도시된 바와 같이, 상기 소오스/드레인전극(222, 223)이 형성된 기판(210) 전면에 보호막(215b)을 형성한 후, 포토리소그래피공정(제 4 마스크공정)을 통해 선택적으로 제거함으로써 상기 기판(210)에 상기 드레인전극(223)의 일부를 노출시키는 콘택홀(240)을 형성한다.
그리고, 도 5e에 도시된 바와 같이, 상기 보호막(215b)이 형성된 기판(210) 전면에 제 3 도전막을 형성한 후, 포토리소그래피공정(제 5 마스크공정)을 통해 선택적으로 제거함으로써 상기 기판(210)에 상기 제 3 도전막으로 이루어지며, 상기 콘택홀(240)을 통해 드레인전극(223)과 전기적으로 접속하는 화소전극(118)을 형성한다.
도 7은 산화물 박막 트랜지스터의 트랜스퍼 특성을 나타내는 그래프로써, 일반적인 산화물 박막 트랜지스터(a)와 본 발명의 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터(b)의 트랜스퍼 특성을 비교하여 나타내고 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 일반적인 산화물 박막 트랜지스터(a)는 플라즈마 화학기상증착 장비를 이용한 SiO2의 증착 중에 SiH4 가스에서 유기된 수소 도핑 효과로 인해 산화물 반도체의 백 채널영역이 도체로 전이되었음을 알 수 있다.
이에 비해 본 발명의 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터(b)는 산화물 반도체의 열화가 방지되는 한편, 콘택영역의 저항이 감소됨에 따라 트랜스퍼 곡선의 기울기가 급하고 온 전류도 높아 트랜스퍼 특성이 향상되었음을 알 수 있다.
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 4a 내지 도 4f는 상기 도 3에 도시된 산화물 박막 트랜지스터의 제조공정을 순차적으로 나타내는 단면도.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 제조공정을 순차적으로 나타내는 단면도.
도 6a 내지 도 6f는 상기 도 5b에 도시된 본 발명의 제 2 실시예에 따른 제 2 마스크공정을 구체적으로 나타내는 단면도.
도 7은 산화물 박막 트랜지스터의 트랜스퍼 특성을 나타내는 그래프.
** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **
110,210 : 기판 115a,215a : 게이트절연막
115b,215b : 보호막 118,218 : 화소전극
121,221 : 게이트전극 122,222 : 소오스전극
123,223 : 드레인전극 124,224 : 액티브층
125,225 : 에치 스타퍼
Claims (8)
- 기판 위에 게이트전극을 형성하는 단계;상기 게이트전극이 형성된 기판 위에 게이트절연막을 형성하는 단계;상기 게이트절연막 위에 산화물 반도체로 이루어진 액티브층을 형성하는 단계;상기 액티브층이 형성된 기판 위에 스퍼터링을 통해 실리콘으로 이루어진 실리콘층을 형성하는 단계;열처리를 통해 상기 실리콘을 산화시켜 SiO2로 이루어진 절연층을 형성하는 단계;상기 절연층을 선택적으로 패터닝하여 상기 액티브층 상부에 상기 SiO2로 이루어진 에치 스타퍼를 형성하는 단계;상기 액티브층과 에치 스타퍼가 형성된 기판 위에 상기 액티브층의 소오스/드레인영역과 전기적으로 접속하는 소오스/드레인전극을 형성하는 단계;상기 소오스/드레인전극이 형성된 기판 위에 보호층을 형성하는 단계;상기 보호층의 일부 영역을 제거하여 상기 드레인전극의 일부를 노출시키는 콘택홀을 형성하는 단계; 및상기 콘택홀을 통해 상기 드레인전극과 전기적으로 접속하는 화소전극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 액티브층은 AxByCzO(A, B, C = Zn, Cd, Ga, In, Sn, Hf, Zr; x, y, z ≥ 0)의 조합으로 이루어진 삼성분계 또는 사성분계 산화물 반도체로 이루어진 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 액티브층은 비정질 아연 산화물계 반도체로 형성하는 것을 특징으로 하는 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, 실리콘 타겟을 이용한 스퍼터링을 통해 실리콘으로 이루어진 실리콘층을 형성하는 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 절연층의 패터닝은 산소 플라즈마 처리와 같은 건식식각을 이용하는 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 절연층을 패터닝할 때 상기 에치 스타퍼에 의해 가려지지 않고 노출된 액티브층은 산소 플라즈마에 의해 저항이 감소되어 상기 소오스/드레인전극과의 콘택영역인 소오스/드레인영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 에치 스타퍼의 형성 후 표면처리 또는 열처리를 진행하여 노출된 상기 액티브층의 저항을 감소시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 액티브층과 에치 스타퍼는 하프-톤 마스크를 이용하여 한번의 마스크공정으로 형성하는 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법.
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