JP5285024B2 - 薄膜トランジスタ及びこれを備えた有機電界発光表示装置 - Google Patents
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Description
本発明は薄膜トランジスタに関し、特に、酸化物半導体層を含む酸化物薄膜トランジスタ及びこれを備えた有機電界発光表示装置に関する。
液晶表示装置又は有機電界発光表示装置のようなアクティブマトリクス方式の平板表示装置には各画素別に少なくとも１つ以上の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が備えられる。
このとき、前記薄膜トランジスタはチャネル領域、ソース領域及びドレイン領域を提供する活性層と、チャネル領域の上部に形成され、ゲート絶縁膜により活性層と電気的に絶縁されるゲート電極とを含む。
このようになされた薄膜トランジスタの活性層は大体非晶質シリコン（Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ）やポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉｌｉｃｏｎ）のような半導体層で形成する。
このとき、前記活性層を非晶質シリコンで形成すれば、移動度が低くて高速で動作される駆動回路の実現が難しいという短所がある。
反面、活性層をポリシリコンで形成すれば、移動度は高いが、多結晶性に起因して閾値電圧が不均一となるという短所がある。
一方、低温ポリシリコン（ＬＴＰＳ：Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｐｏｌｙ−Ｓｉｌｉｃｏｎ）を活性層として用いる場合、高い移動度と安定したＤＣ ｓｔａｂｉｌｉｔｙの長所を有しているが、大型化技術が現在として難しく、製造工程時に高価の追加の結晶化装備などが必要であり、製造コストが高いという大きな短所がある。
このような問題を解決するために、最近はＺｎＯとＩｎＧａＺｎＯなどのような酸化物半導体を活性層として用いる研究が進められている。
しかしながら、上述した酸化物半導体の場合、非晶質シリコンより高い移動度と低温ポリシリコンより優れた均一度などにもかかわらず、現実的な量産品の製作には問題点がある。
即ち、ＴＦＴ素子の信頼性と関連するＤＣ ｓｔａｂｉｌｉｔｙが不安定であり、動作中に閾値電圧などが移動し続けて所望する素子の特性を再現し難いという短所がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、ＺｎＳｎＯで実現される酸化物半導体にＨｆなどのように酸素との電気陰性度の差が大きく、原子半径が前記Ｚｎ又はＳｎと類似する物質を添加して活性層を形成することで、キャリアの濃度を調節し、酸化物半導体の信頼性を向上させることにより、安定した信頼性及び電気的特性を実現する薄膜トランジスタ及びこれを備えた有機電界発光表示装置を提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明の第１側面による薄膜トランジスタは、ソース／ドレイン領域及びチャネル領域で構成される活性層としての酸化物半導体層と、前記チャネル領域と重なる領域に形成されるゲート電極と、前記酸化物半導体層とゲート電極との間に形成されるゲート絶縁膜と、前記酸化物半導体層のソース／ドレイン領域にそれぞれ電気的に連結されるソース／ドレイン電極とが含まれ、前記酸化物半導体層は亜鉛錫酸化物（ＺｎＳｎＯ）で実現される酸化物半導体に酸素との電気陰性度の差が２以上であり、原子半径が前記Ｚｎ又はＳｎと類似する物質Ｘが添加されて実現される。
また、前記酸化物半導体層を形成するカチオンＸ、Ｚｎ、Ｓｎの量を百分率に換算すると、前記Ｘが２〜２０％で含有されるように実現される。
更に、前記物質Ｘの電気陰性度は１．６未満であり、前記物質Ｘのイオン半径は０．００７〜０．００８ｎｍであり、前記物質ＸはＨｆ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇのうち１つであることを特徴とする。
また、前記酸化物半導体層とソース／ドレイン電極との間に保護層が形成され、前記薄膜トランジスタは下部ゲートの構造で実現されるか、上部ゲートの構造で実現される。
更に、本発明の他の側面による有機電界発光表示装置は、データ線、走査線の交差部毎に位置し、複数の薄膜トランジスタ及び有機発光素子をそれぞれ含む画素と、複数の薄膜トランジスタを含み、前記走査線に走査信号を供給する走査駆動部と、複数の薄膜トランジスタを含み、前記データ線にデータ信号を供給するデータ駆動部とが含まれ、前記画素、走査駆動部、データ駆動部のうち少なくとも１つ以上に備えられる薄膜トランジスタが、ソース／ドレイン領域及びチャネル領域で構成される活性層としての酸化物半導体層と、前記チャネル領域と重なる領域に形成されるゲート電極と、前記酸化物半導体層とゲート電極との間に形成されるゲート絶縁膜と、前記酸化物半導体層のソース／ドレイン領域にそれぞれ電気的に連結されるソース／ドレイン電極とが含まれ、前記酸化物半導体層は亜鉛錫酸化物（ＺｎＳｎＯ）で実現される酸化物半導体に酸素との電気陰性度の差が２以上であり、原子半径が前記Ｚｎ又はＳｎと類似する物質Ｘが添加されて実現される。
このような本発明によれば、ＺｎＳｎＯで実現される酸化物半導体にＨｆなどのように酸素との電気陰性度の差が大きく、原子半径が前記Ｚｎ又はＳｎと類似する物質を添加して活性層を形成することで、キャリアの濃度を調節し、酸化物半導体の信頼性を向上させることにより、ＴＦＴ素子の安定した信頼性及び電気的特性を実現できるという効果を奏する。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の実施形態による薄膜トランジスタの断面図である。
ここで、図１Ａに示す薄膜トランジスタは、下部ゲートの構造を有し、図１Ｂに示す薄膜トランジスタは上部ゲートの構造を有する。
まず、図１Ａを参照すれば、基板１０上にバッファ層１２が形成され、前記バッファ層１２上にゲート電極１４が形成される。
その後、前記ゲート電極１４を含む上部には絶縁膜１６が形成され、前記ゲート電極１４と重なる位置の絶縁膜１６上にチャネル領域１８ａ、ソース領域１８ｂ及びドレイン領域１８ｃを提供する活性層としての酸化物半導体層１８が形成される。
また、図示のように、前記酸化物半導体層１８の上部には保護層２２が形成され、前記保護層２２の所定領域（ソース、ドレイン領域に対応する領域）にビアホールが形成され、前記ビアホールを介して保護層上に形成されたソース及びドレイン電極２０ａ、２０ｂが前記酸化物半導体層１８の各ソース、ドレイン領域と接触することで、下部ゲート構造の薄膜トランジスタが完成する。
また、図１Ｂを参照すれば、基板１０上にバッファ層１２が形成され、前記バッファ層１２上にチャネル領域、ソース領域及びドレイン領域を提供する活性層としての酸化物半導体層１８が形成される。
その後、前記酸化物半導体層１８上に絶縁膜１６が形成され、前記酸化物半導体層のチャネル領域と重なる位置の絶縁膜上にゲート電極が形成される。
また、図示のように、前記ゲート電極の上部には保護層２２が形成され、前記保護層２２と、絶縁膜１６の所定領域（ソース、ドレイン領域に対応する領域）にビアホールが形成され、前記ビアホールを介して保護層上に形成されたソース及びドレイン電極２０ａ、２０ｂが前記酸化物半導体層１８の各ソース、ドレイン領域と接触することで、上部ゲート構造の薄膜トランジスタが完成する。
従来の場合、前記薄膜トランジスタの活性層として用いられる酸化物半導体は一般にＺｎＯ又はＩｎＧａＺｎＯで実現されるが、このような既存の酸化物半導体の場合、ＴＦＴ素子の信頼性と関連するＤＣ ｓｔａｂｉｌｉｔｙが不安定であり、動作中に閾値電圧などが継続して移動して所望する素子の特性を再現し難いという短所がある。
そのため、本発明の実施形態による酸化物半導体はこのような短所を克服するために亜鉛錫酸化物（ＺｎＳｎＯ）で実現される酸化物半導体に酸素との電気陰性度の差が大きく、原子半径が前記Ｚｎ又はＳｎと類似する物質を添加して活性層を形成することで、キャリアの濃度を調節し、酸化物半導体の信頼性を向上させることができることを特徴とする。
即ち、図１Ａ及び図１Ｂに示す本発明の実施形態による酸化物半導体は、従来のＺｎＳｎＯ酸化物半導体に原子半径が前記Ｚｎ又はＳｎと類似し、酸素との電気陰性度の差が大きい遷移金属物質Ｘをドーピングして前記ＺｎＳｎＯ酸化物半導体のキャリア濃度を調節し、前記酸化物半導体の信頼性を向上させるようにする酸化物半導体、即ち、[Ｘ]ＺｎＳｎＯ酸化物半導体である。
このとき、カチオンであるＸ、Ｚｎ、Ｓｎの量を百分率に換算する場合、即ち、（Ｘ＋Ｚｎ＋Ｓｎ）を１００％と仮定する場合、前記Ｘが２〜２０％で含有されなければならず、これは前記Ｘが２０％以上含まれる場合、薄膜トランジスタの性能低下、即ち、移動度及び閾値電圧以前の勾配を示すＳ値の劣化を起こす原因となるためである。
より具体的に、前記Ｘの量が増加すれば、本発明の実施形態による[Ｘ]ＺｎＳｎＯ半導体のキャリア濃度が減少する現象が発生するが、これはＸが酸素との電気陰性度の差が大きいことにより、前記酸化物半導体のマトリクス内部にある酸素と結合力を強化させて酸素ｖａｃａｎｃｙなどによって生成されるキャリア濃度を下げるためである。但し、このような現象は逆に半導体自らの信頼性の向上をもたらすが、特に、ＤＣ ｓｔａｂｉｌｉｔｙと工程温度（４００度まで可能）の２種類の信頼性向上をもたらす。
これにより、本発明の実施形態では酸化物半導体層を形成するカチオンＸ、Ｚｎ、Ｓｎの量を百分率に換算すると、前記Ｘが２〜２０％で含有されるように実現されることを特徴とし、これを介して前記本発明の実施形態による酸化物半導体層のキャリア濃度を１０１８／ｃｍ３以下に維持し、活性層としての特性発現が可能にする。
ここで、前記Ｘは前述したように、酸素との電気陰性度の差が大きく、イオン半径がＺｎ又はＳｎと類似する物質で実現されなければならず、このような物質としては、代表的にＨｆが挙げられ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇなどが候補群として可能である。
より具体的に、前記Ｘはイオン結合性を考慮して酸素との電気陰性度の差が２以上の元素で実現されることが好ましく、このような特性は酸素が脱落し難くする役割を果たすため、酸化物半導体の信頼性を向上させることができるようになる。
即ち、前記Ｘの電気陰性度は「酸素の電気陰性度（ＥＮｏ）-Ｘの電気陰性度（Ｅｎｘ）≧２」の式を満足させなければならず、このとき、酸素の電気陰性度が３．５であるので、前記Ｘは電気陰性度が１．６未満の物質の中で選択されることが好ましい。
また、前記物質Ｘのイオン半径の大きさが大きい場合、相互結合時に結晶半径の差によるｌａｔｔｉｃｅ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎが発生して内部ｓｔｒａｉｎ ｅｎｅｒｇｙが増加するようになるので、これによる結晶の不安定により酸素ｖａｃａｎｃｙの発生率が増加して信頼性が低下してしまうので、前記物質Ｘのイオン半径大きさはＺｎ又はＳｎと類似するか、小さな半径で実現されることが好ましい。
即ち、Ｚｎ及びＳｎのイオン半径は約０．００７〜０．００８ｎｍであるので、前記Ｘのイオン半径もこれと類似する物質の中で選択されることが好ましい。
前記のような条件、即ち、電気陰性度が１．６未満であり、イオン半径が約０．００７〜０．００８ｎｍの物質として代表的にＨｆ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇが挙げられる。
前記のような酸化物半導体層を備えた本発明の実施形態によるＴＦＴの特性は下記の図２Ａ〜図２Ｃを介して確認できる。
まず、図２Ａは１５ＶのゲートＤＣ ｓｔｒｅｓｓ下の時間によるＴＦＴ閾値電圧の変化を示すグラフであって、本発明の実施形態である[Ｘ]ＺｎＳｎＯ半導体ＺｎＳｎＯ酸化物半導体を活性層として活用した薄膜トランジスタが既存の酸化物（ＺｎＳｎＯ、ＩｎＧａＺｎＯ）薄膜トランジスタと対比してＴＦＴ素子の信頼性と関連するＤＣ ｓｔａｂｉｌｉｔｙが非常に優れていることが確認できる。
次に、図２Ｂは、本発明の実施形態による[Ｘ]ＺｎＳｎＯ半導体における前記Ｘの含有量によるＴＦＴの閾値電圧の変化−Ｖｔｈを示すグラフであり、図２Ｃは、本発明の実施形態による[Ｘ]ＺｎＳｎＯ半導体における前記Ｘの含有量によるＴＦＴの移動度及びＳ値の変化を示すグラフである。ここで、前記ＸはＨｆであることをその例とする。
図２Ｂ及び図２Ｃを参照すれば、前記Ｘの含有量が増加するほど閾値電圧の変化は減少して信頼性は改善されるが、その反面、移動度及びＳ値は劣化することが確認できる。
これにより、本発明の実施形態では前記Ｘの含有量を２〜２０％で実現することを特徴とし、前記範囲に該当する場合、ＴＦＴの信頼性を改善すると同時に、ＴＦＴとして動作可能な特性（移動度、Ｓ値）を確保できる。
即ち、Ｘの含有量が２％である場合、図２Ｂに示すように、-Ｖｔｈは１２．２１[Ｖ]であって、Ｘが含有されない場合である１６．１６[Ｖ]と比較すると、かなりの信頼性改善の効果を達成でき、前記Ｘの含有量が２０％である場合は-Ｖｔｈが１．６０[Ｖ]であって、信頼性の改善を最大化できることが確認できる。
反面、図２Ｃを参照すれば、Ｘの含有量が２０％である場合、移動度及びＳ値がそれぞれ０．２８[ｃｍ２／Ｖｓ]、２．１１[ｄｅｃ／Ｖ]であって、Ｘがそれ以上含有される場合、ＴＦＴとしての特性が確保し難くなることが確認できる。
図３Ａは、本発明の実施形態による有機電界発光表示装置の平面図である。図３Ｂは、本発明の実施形態による有機電界発光表示装置の断面図である。
即ち、前述した図１を介して説明した本発明の実施形態による薄膜トランジスタを備えた平板表示装置の一実施形態として有機電界発光表示装置を説明する。
図３Ａを参照すれば、基板２１０は、画素領域２２０と、画素領域２２０を取り囲む非画素領域２３０で定義される。画素領域２２０の基板２１０には走査線２２４及びデータ線２２６の間にマトリクス方式で連結された多数の画素３００が形成され、非画素領域２３０の基板２１０には画素領域２２０の走査線２２４及びデータ線２２６から延びた走査線２２４及びデータ線２２６、各画素３００の動作のための電源供給ライン（図示せず）、そしてパッド２２８を介して外部から提供された信号を処理して走査線２２４及びデータ線２２６に供給する走査駆動部２３４及びデータ駆動部２３６が形成される。
このとき、前記それぞれの画素３００は多数の薄膜トランジスタを含む画素回路と、画素回路に連結された有機発光素子ＯＬＥＤで構成され、前記走査駆動部２３４及びデータ駆動部２３６も多数の薄膜トランジスタを含む回路で構成される。
また、図３Ｂを参照すれば、前記のように、画素３００が形成された基板２１０の上部には画素領域２２０を封止させるための封止基板４００が配置され、封止材４１０により封止基板４００が基板２１０に貼り合わされて表示パネル２００が完成する。
このとき、基板２１０上に形成された多数の画素３００及び走査駆動部２３４、データ駆動部２３６は多数の薄膜トランジスタを含んで構成されるが、本発明の実施形態は、前記画素３００、走査駆動部２３４、データ駆動部２３６のうち少なくとも１つ以上に備えられる薄膜トランジスタが前述した図１及び図２を介して説明した本発明の実施形態による酸化物薄膜トランジスタで実現されることを特徴とする。
即ち、本発明の実施形態による有機電界発光表示装置は、画素３００、走査駆動部２３４及び／又はデータ駆動部２３６に備えられる薄膜トランジスタを、ＸＺｎＳｎＯで実現される酸化物半導体を有する薄膜トランジスタとして採用することにより、更に安定した動作を行う有機電界発光表示装置を実現できるようになる。
また、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
１０ 基板
１２ バッファ層
１４ ゲート電極
１６ 絶縁膜
１８ａ チャネル領域
１８ｂ ソース領域
１８ｃ ドレイン領域
１８ 酸化物半導体層
２２ 保護層
２０ａ、２０ｂ ソース及びドレイン電極
１２ バッファ層
１４ ゲート電極
１６ 絶縁膜
１８ａ チャネル領域
１８ｂ ソース領域
１８ｃ ドレイン領域
１８ 酸化物半導体層
２２ 保護層
２０ａ、２０ｂ ソース及びドレイン電極
Claims (9)
- ソース／ドレイン領域及びチャネル領域で構成される活性層としての酸化物半導体層と、
前記チャネル領域と重なる領域に形成されるゲート電極と、
前記酸化物半導体層とゲート電極との間に形成されるゲート絶縁膜と、
前記酸化物半導体層のソース／ドレイン領域にそれぞれ電気的に連結されるソース／ドレイン電極とが含まれ、
前記酸化物半導体層は亜鉛錫酸化物（ＺｎＳｎＯ）で実現される酸化物半導体に酸素との電気陰性度の差が２以上であり、原子半径が前記Ｚｎ又はＳｎと類似する物質Ｘが添加されて実現され、
前記物質Ｘは、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｍｇのうちの１つであり、
前記酸化物半導体層を形成するカチオンＸ、Ｚｎ、Ｓｎの量を百分率に換算すると、前記Ｘが２〜２０％で含有されるように実現されることを特徴とする薄膜トランジスタ。 - 前記物質Ｘの電気陰性度は１．６未満であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記物質Ｘのイオン半径は０．００７〜０．００８ｎｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記酸化物半導体層とソース／ドレイン電極との間に保護層が形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記薄膜トランジスタは下部ゲートの構造で実現されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタ。
- 前記薄膜トランジスタは上部ゲート構造で実現されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の薄膜トランジスタ。
- データ線、走査線の交差部毎に位置し、複数の薄膜トランジスタ及び有機発光素子をそれぞれ含む画素と、
複数の薄膜トランジスタを含み、前記走査線に走査信号を供給する走査駆動部と、
複数の薄膜トランジスタを含み、前記データ線にデータ信号を供給するデータ駆動部とが含まれ、
前記画素、走査駆動部、データ駆動部のうち少なくとも１つ以上に備えられる薄膜トランジスタが、
ソース／ドレイン領域及びチャネル領域で構成される活性層としての酸化物半導体層と、
前記チャネル領域と重なる領域に形成されるゲート電極と、
前記酸化物半導体層とゲート電極との間に形成されるゲート絶縁膜と、
前記酸化物半導体層のソース／ドレイン領域にそれぞれ電気的に連結されるソース／ドレイン電極とが含まれ、
前記酸化物半導体層は亜鉛錫酸化物（ＺｎＳｎＯ）で実現される酸化物半導体に酸素との電気陰性度の差が２以上であり、原子半径が前記Ｚｎ又はＳｎと類似する物質Ｘが添加されて実現され、
前記物質Ｘは、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｍｇのうちの１つであり、
前記酸化物半導体層を形成するカチオンＸ、Ｚｎ、Ｓｎの量を百分率に換算すると、前記Ｘが２〜２０％で含有されるように実現されることを特徴とする有機電界発光表示装置。 - 前記物質Ｘの電気陰性度は１．６未満であることを特徴とする請求項７に記載の有機電界発光表示装置。
- 前記物質Ｘのイオン半径は０．００７〜０．００８ｎｍであることを特徴とする請求項７または８に記載の有機電界発光表示装置。
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