KR0147867B1

KR0147867B1 - 2단자 비선형 소자

Info

Publication number: KR0147867B1
Application number: KR1019940002033A
Authority: KR
Inventors: 도시유끼 요시미주; 마사히로 끼시다; 도시아끼 후꾸야마; 요시히사 이시모또; 다께시 세이께; 마사까주 마또바
Original assignee: 쓰지 하루오; 샤프 가부시끼가이샤
Priority date: 1993-02-03
Filing date: 1994-02-03
Publication date: 1998-09-15
Also published as: TW300963B; US5442224A; JP3034155B2; JPH0749508A; EP0610082A2; EP0610082A3; DE69430602T2; DE69430602D1; EP0610082B1; KR940020807A

Abstract

본 발명의 의한 2단자 비선형 소자는 기판 상에 형성되어 있고 질소로 도핑된 Ta 박막의 하부전극과, 상기 하부전극의 표면을 양극산화하여 형성된 양극산화막 및 상기 양극산화막 상에 형성된 금속박막의 상부 전극을 구비하여, 상기 Ta 박막은 제1부분과 제2부분이 교호적으로 형성된 구조를 포함하고, 상기 제1부분은 상기 제2부분에 함유된 질소의 양과 상이한 양의 질소를 함유한다.

Description

2단자 비선형 소자 (Two terminal nonlinear device)

제1도는 본 발명의 제1실시예의 MIM(metal-insulator-metal)형 2단자 비선형 소자들이 스위칭 소자들로서 형성되는 액티브 매트릭스 기판(active matrix substrate)을 나타낸 평면도.

제2도는 제1도의 A-A' 선을 따라 절단된 단면도.

제3도는 본 발명의 제1실시예의 Ta 박막((Ar + N₂) 가스에 대한 N₂의 유량 속도비(flow rate ratio) : 4.3%)(Ta 박막의 두께방향으로 Ta 박막 내의 질소의 분포)으로부터의¹⁴N⁺2차 이온방출의 프로파일(profile)을 나타낸 도면.

제4도는 종래의 Ta 박막(N₂가스의 유량 속도비 : 5%)으로부터의¹⁴N⁺2차 이온방출 프로파일을 나타낸 도면.

제5도는 본 발명의 제1실시예의 MIM 소자의 비선형성과 N₂가스의 유량속도비 사이의 관계를 나타낸 도면.

제6도는 본 발명의 제1실시예의 Ta 박막(N₂가스의 유량속도비 : 4.3%)의 X-선 회절 강도의 프로파일을 나타낸 도면.

제7도는 본 발명의 제1실시예의 Ta 박막(N₂가스의 유량속도비 : 8.3%)의 X-선 회절 강도의 프로파일을 나타낸 도면.

제8도는 본 발명의 제1실시예의 MIM 소자((Ar + N₂) 가스에 대한 N₂가스의 유량속도비 : 4.3%)의 전류-전압 특성을 나타낸 도면.

제9도는 본 발명의 제1실시예의 MIM 소자((Ar + N₂) 가스에 대한 N₂가스의 유량속도비 : 4.3%)를 이용하는 액정표시장치의 광전특성(1/480 듀티, 70Hz)을 나타낸 도면.

제10도는 본 발명의 제2실시예의 2단자 비선형 소자가 형성되는 액티브 매트릭스 기판의 투시도.

제11도는 제10도의 액티브 매트릭스 기판을 포함하는 액정표시장치의 단면도.

제12도는 본 발명의 제2실시예의 MIM 소자의 전류-전압 특성을 나타낸 도면.

제13도는 본 발명의 제2실시예의 MIM 소자와 비교예의 MIM 소자의 전류-전압 특성을 나타낸 도면.

제14도는 본 발명의 제2실시예의 MIM 소자와 비교예의 MIM 소자의 풀-프렌켈 도(Poole-Frenkel plot).

제15도는 제2실시예의 MIM 소자들을 포함하는 액정표시장치와 비교예의 MIM 소자들을 포함하는 액정표시장치의 콘트라스트비(contrastratio)의 온도 의존성을 나타낸 도면.

제16도는 소결된(sintered) TaN 내에서의 질소의 양과 소결된 TaN을 타켓으로 이용하여 형성된 MIM 소자의 비선형성(B) 사이의 관계를 나타낸 도면.

제17도는 질소의 도핑없이 형성된 ß상 구조에서의 Ta 막의 스퍼터링 파워(sputtering power)와 비저항(specific resistance)을 나타낸 도면.

제18도는 질소의 도핑없이 형성된 ß-Ta 막을 이용하여 형성된 MIM 소자의 스퍼터링 파워, 전도성, 비선형성 사이의 관계를 나타낸 도면.

제19도는 소결된 TaN 을 타겟으로 이용하는 스퍼터링에 의해 Ta막으로 형성된 MIM 소자의 스퍼터링 파워와 전도성 사이의 관계를 나타낸 도면.

제20도는 본 발명의 제3실시예의 2단자 비선형 소자들을 포함하는 액정표시장치의 단면도.

제21도는 제20도의 액정표시장치의 평면도.

제22도는 제21도의 액정표시장치의 액티브 매트릭스 기판을 선 A-A'을 따라 절단한 단면도.

제23a도는 인-라인(in-line)스퍼터링 장치의 개략적인 정면도.

제23b도는 회전(rotary)스퍼터링 장치의 개략적인 평면도.

제24도는 (Ar + N₂) 가스에 대한 N₂의 유량 속도비와 제3실시예의 2단자 비선형 소자의 비선형성(B) 사이의 관계를 나타낸 도면.

제25a도~제25d 도는 제3실시예와 제1비교예~제3비교예 각각에서의 Ta 박막의 면저항(sheet resistivity)에 있어서 비평탄성을 나타낸 도면.

제26도는 단위 면적에 대한 스퍼터링 파워와 제3실시예의 2단자 비선형 소자의 전도성 1nA 사이의 관계를 나타낸 도면.

제27도는 제3실시예의 2단자 비선형 소자를 갖는 액정표시장치의 콘트라스트비의 온도 의존성을 나타낸 도면.

제28도는 본 발명의 제4실시예의 2단자 비선형 소자를 포함하는 액정표시장치의 액티브 매트릭스 기판의 평면도.

제29도는 제28도의 액정표시장치의 단면도.

제30도는 (Ar + N₂) 가스에 대한 N₂가스의 유량 속도비와 3조각의 Ta 타겟을 이용하는 리액티브 스퍼터링(reactive sputtering)에 의해 형성된 Ta 박막의 비저항 사이의 관계를 나타낸 도면.

제31도는 소결된 TaN속에 함유된 질소의 양과 소결된 TaN을 타겟으로 이용하여 형성된 Ta박막의 비저항 사이의 관계를 나타낸 도면.

제32도는 (Ar + N₂) 가스에 대한 N₂가스의 유량 속도비와 3조각의 Ta 타겟을 이용하는 리액티브 스퍼터링에 의해 형성된 Ta 박막의 비저항 사이의 관계를 나타낸 도면.

제33도는 소결된 TaN속에 함유된 질소의 양과 소결된 TaN을 타겟으로 이용하는 리액티브 스퍼터링에 의해 형성된 Ta 박막의 비저항 사이의 관계를 나타낸 도면.

제34도는 ß-Ta 막을 이용하여 형성되는 종래의 MIM 소자의 비선형성을 각 단계별로 나타낸 도면.

제35도는 종래의 MIM 소자의 비선형성과 Ta 박막을 형성하는 동안의 (Ar + N₂) 가스에 대한 N₂가스의 유량 속도비 사이의 관계를 나타낸 도면.

제36도는 종래의 MIM 소자들을 포함하는 액정표시장치의 콘트라스트비의 온도 의존성을 나타낸 도면.

본 발명은 2단자 비선형 소자에 관한 것이다. 그러한 소자는, 예를들어, 액정표시장치(liquid crystal display apparatus)에서 스위칭 소자(switching element)로 이용되기도 한다.

최근, 액정표시장치는 오디오 표시 분야(audio visual field)와 사무 자동화(office automation) 분야와 같은 다양한 분야에서 광범하게 이용되고 있나, 특히, 고품질을 요하지 않는 제품들에는 트위스티드 네마틱(twisted nematic; TN) 또는 슈퍼(super) 트위스티드 네마틱(STN) 패시브형(passive type) 액정표시장치들이 장치되고, 고품질의 제품들에는 3단자 비선형 소자인 박막 트랜지스터들(TFTs)을 이용하는 액티브 매트릭스 형(active matrix type) 액정표시장치들이 장치된다.

액티브 매트릭스 액정표시장치는 색상 재현성(color reproducibility), 소형, 경량, 저전력 특성 면에서 CRT(cathod ray tube)보다 더 우수하다. 이와 같은 특성 때문에 그러한 액티브 매트릭스 액정표시장치의 응용은 급속도로 개발되고 있다. 그러나, TFT들을 스위칭 소자들로 이용하는 경우에는 6~8배 이상의 박막제조공정과 포토리소그래피 공정이 TFT들을 형성하는 데에 필요하게 되어 생산비가 증가한다. 한편으로, 스위칭 소자들로서 2단자 비선형 소자들을 이용하는 액정표시장치는 TFT들을 이용하는 액정표시장치들에 비해 가격절감 면에서 보다 우수하고, 화질 면에 있어서는 패시브형 액정표시장치에 비해 우수하다. 따라서, 2단자 비선형 소자들을 이용하는 액정표시장치는 급속도로 개발되어 왔다.

상술한 2단자 비선형 소자로서 종래에는 쇼트키 다이오드(Schottky diode)형, 배리스터(varistor)형, MIM(metal-insulator-metal)형의 2단자 비선형 소자들이 알려져 있었다. 최근에는 D²R(double diode plus reset)형과 유기유전성 박막(organic ferroelectric thin film)형의 2단자 비선형 소자들이 널리 연구되어 왔다. 그러나, MIM과 D²R 2단자 비선형 소자들만이 실제로 이용되고 있다. MIM 2단자 비선형 소자(이하, MIM 소자라고 약칭함)는 사이에 절연체가 삽입된 상부전극과 하부전극을 포함한다. 예로서, 일본국 특허 공고 61-32673 호와 61-32674호 및 미국 특허 4,413,883호에 개시된 MIM소자를 설명한다. 기판 위에, 또는 그 위에 형성된 베이스 피복막 위에 하부전극이 탄탈륨(이하, Ta라고 약칭함)박막으로 형성된다. 절연체가 하부전극의 표면의 양극산화(anodization)에 의해 형성된다. 이 경우에 절연체는 Ta₂O5 층이 된다. Ta, Cr, Ti 및 A1중 하나로 상부전극이 절연체 위에 형성된다. TFT를 제조하는 데에 요구되는 공정들의 1/3 이하의 공정으로 MIM소자를 생산할 수 있다. 따라서, MIM소자들은 2단자 비선형 소자들을 이용하는 액정표시장치에 주로 이용된다.

MIM소자들을 이용하는 액정표시장치는, MIM 소자들과 화소전극(pixel electrode)들이 형성되는 액티브 매트릭스 기판과 ITO 투명 전도성 막(transparent conductive film) 등의 배선이 스트라이프 형태(stripe shape)로 형성되어 액티브 매트릭스 기판 위에 구성되는 배선과 직각으로 교차하는 대향기판(counter substrate)을 포함한다. 두 기판은 압력과 열에 의해 상호 접속되어서 액정 셀(liquid crystal cell)을 만든다.

액정 셀은 다음과 같은 공정으로 제조된다.

먼저, 액티브 매트릭스 기판과 대향기판 각각에 폴리이미드형 유기 중합체(polymide type organic polymer)로 형성되는 배향막(orientation film)을 도포하고, 액정분자들을 배열(align)하기 위해 러빙처리(rubbing treatment)를 수해한다. 계속해서, 하나의 기판 위에 밀봉제(sealing agent)를 도포하여 스페이서(spacer)가 다른 기판에 퍼져 나가게 한다. 이 상태에서 두 기판들을 상호 접착시키고 열을 가하면서 누른다. 그 다음, 기판들 사이에 액정을 주입하고 밀봉한다. 이런 방식으로 액정 셀은 제작된다.

고품질의 표시를 실현하기 위해서는 하부전극으로 양전압과 음전압이 인가될 때에 MIM 소자는 전류-전압 특성 곡선에 있어서 대칭선을 가져야 한다. 더우기, MIM 소자이 커패시티(capacity)는 액정의 커패시티보다 더 작아져야 한다. 전류-전압 특성의 비대칭적 곡선은 표시화면 상의 잔류화상(residualimage)의 발생원인이 된다. MIM소자의 커패시티가 액정의 커패시티보다 충분히 작지 않을 경우에, 누화(crosstalk)면에서 문제가 발생한다.

잔류화상과 누화를 막기 위해서 다양한 기술들이 연구되고 있다. 예를 들면, 절연체는 대개 하부전극을 양극산화시킴으로써 형성된다. 일본국 특허공보 46-17267 호에 기재된 바와 같이, 양극산화는 종래에 구축된 방법이다. 높은 처리량(high through-put)과 보다 우수한 생산성을 갖는 절연체는 양극산화에 의해 얻어질 수 있다. 더욱이, 보다 더 크고 고품질의 표시장치를 얻기 위해 배선의 저항성을 줄이는 기술에 대한 연구가 진행되고 있다. 예를 들면, 배선으로서 이용되는 Ta박막에 질소를 도핑(doping)하여 비저항을 줄인다.

그러나, 액정 셀을 형성할 때 액티브 매트릭스 기판과 대향기판은 상대적으로 높은 온도(약 150~200℃ 범위)의 열처리에 의해 입력을 받아 상호 접착된다. 제34도에 도시된 바와 같이, 열처리 시간이 증가함에 따라 MIM소자의 비선형성은 점차 줄어들게 된다. 특히, ß 구조를 갖는 Ta의 박막(이하, ß-Ta막이라 약칭함)이 하부전극으로 이용되는 경우에 MIM소자의 비선형성의 상당한 저하가 관찰된다.

ß-Ta 막은 여러 분야에서 이용되어 오고 있다. 이 ß-Ta 막은 아르곤(Ar)가스의 분위기에서 99.99%의 순도를 갖는 순수 Ta 타겟을 이용하는 스퍼터링에 의해 퇴적된다. 즉, ß-Ta 막은 타겟을 이용하는 리액티브 스퍼터링 방법으로 퇴적된다. ß-Ta 막을 MIM소자의 하부전극으로 이용하는 경우에 있어서 MIM소자가 형성된 직후, 그 MIM 소자의 비선형은 만족스럽지만, MIM소자가 형성되는 액티브 매트릭스 기판이 상술한 바와 같이 열처리되기 때문에 MIM 소자 생성 후의 그 소자의 비선형성은 대단히 크게 저하된다. 따라서, 열처리의 온도를 줄여야 한다. 그러나, 액티브 매트릭스 기판과 대향기판이 저온으로 가열되어 압력에 의해 상호 충분히 접속되지 않으므로 액정표시장치의 신뢰성이 저하된다.

반면, Ta 박막으로 질소를 도핑함으로써 Ta 박막의 고유저항이 줄어들게 되는데, 이것은 MIM 소자 의 비선형성의 저하를 막을 수 있다. 본 발명의 발명자들은 질소로 도핑되고 (Ar +N₂) 가스 분위기에서 타겟을 이용하는 리액티브 스퍼터링에 의해 퇴적되는 Ta 박막을 갖는 MIM 소자를 제조하였고, 그 MIM 소자 의 비선형성을 조사하였다. 제35도는 질소로 도핑된 Ta 박막이 N₂가스의 다양한 종류의 유량 속도비로 퇴적되는 경우에 있어서 MIM 소자 의 비선형성의 변화를 나타낸다.

질소가스의 밀도가 더 작아지게 됨에 따라(즉, Ta 박막 내의 질소의 양이 더 작아짐에 따라), MIM 소자 의 비선형성이 일반적으로 더 작아진다는 것을 제35도로부터 알수 있다. 이와 반대로, 질소가스의 밀도가 더 커지게 될 때(즉, 질소의 양이 더 커지게 될 때)에는 MIM 소자 의 비선형성의 저하는 방지 될 수 있다. 그러나, N₂가스의 유량 속도비가 높은 경우에는 MIM 소자 의 비선형성이 불균일하게 됨에 따라 고온에서 불안정하다는 문제점이 있다.

절연체의 두께가 균등하지 않은 것도 MIM 소자의 비선형성이 불안정하게 만드는 요인들 중 하나로서 여겨지고 있다.

절연체의 두께가 불균등한 이유는 다음과 같은 원인들 때문이다.

예를 들면, (Ar +N₂) 가스 분위기에서의 리액티브 스퍼터링 방법에 있어서, N₂가스내의 질소가, 퇴적되어 있는 Ta 박막으로 흡수된다. 따라서, N₂가스가 스퍼터링 챔버(sputtering chamber) 내로 균일하게 유입된다는 것은 중요하다. 그러나, 본 발명자들의 연구는 Ar 가스에 대한 N₂가스의 유량 속도비가 약 4% 이상일 때에 Ta 박막으로 흡수되는 질소 원자들의 수는 균일하지 않게 되어 Ta박막에 흡수되는 질소 원자들의 수를 균일하게 조절하는 것을 극도로 어렵게 만든다는 것을 나타내고 있다. 이 때문에, 질소가 도핑된 Ta 막을 양극산화시킴으로써 형성되는 절연체의 두께는 균일하게 되지 않는다.

표1은 리액티브 스퍼터링에 의해 질소가 도핑된 Ta막을 형성하는 경우에 있어서, (Ar +N₂) 가스 분위기에서 N₂가스의 유량 속도비와, Ta박막을 이용하는 MIM 소자의 비선형성과, Ta박막의 저항값의 관계를 나타낸다. 표1로부터 이해되는 바와 같이, N₂가스의 유량 속도비가 약 4% 이상일 때, Ta 박막 내의 질소량은 균일하지 않게 되고, 그렇게 됨으로써 Ta 박막의 저항값도 균일하지 않게 된다. 이런 경우에 있어서, Ta 박막이 양극 산화될 때에는 Ta 박막의 저항값이 균일하지 않기 때문에 불균일한 두께를 갖는 절연체가 형성될 것이다.

여기서, ☆☆☆☆☆는 매우 좋음을 나타내고, ☆☆☆☆는 좋음을 나타내고, ☆☆는 나쁨을 나타냄.

MIM 소자를 이용하는 액정표시장치에서는 질소의 양이 MIM 소자의 특성 특히, 소자의 비선형성의 열적 안정성에 기여한다. 게다가, 제36도에 도시된 바와 같이, Ta 박막에 있어서의 질소량은 콘트라스트의 열적 의존성을 개선하는 데에 도움이 된다. N가스의 유량 속도비가 2.9vol%(파선)인 조건하에서 형성된 Ta박막을 이용하는 액정표시장치는 N가스의 유량 속도비가 4.3vol%(점선)인 조건하에서 형성된 Ta박막을 이용하는 액정표시장치의 콘트라스트보다 더 작게 변화된 콘트라스를 갖는다. 그러나, 도핑된 질소의 양이 증가함에 따라 Ta박막에 함유된 질소의 양은 더 작아지게 된다.

본 발명에 의한 2단자 비선형 소자는 기판 상에 형성되어 있고 질소로 도핑된 Ta박막의 하부전극과, 상기 하부전극의 표면을 양극산화하여 형성된 양극산화막 및 상기 양극산화막 상에 형성된 금속박막의 상부전극을 구비하여, 상기 Ta박막은 제1부분과 제2부분이 교호적으로 형성된 구조를 포함하고, 상기 제1부분은 상기 제2부분에 함유된 질소의 양과 상이한 양의 질소를 함유하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1부분과 제2부분은 상기 Ta박막의 두께방향으로 차례차례 교대로 형성되어 있다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 제1부분에 있어서의Ta에 대한Ta의 2차 이온 강도비의 피크값과, 상기 제2부분에 있어서의Ta에 대한Ta의 이온강도비의 피크값과의 비는 실질적으로 1:1.54 에서 1:1.71의 범위내이다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 Ta 박막의 (110)의 x선 회절강도 대(002)의 x선 회절강도의 비는 실질적으로 1:0.248이다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 Ta 박막은 두 개 이상의 99.99%의 순도를 갖는 Ta 타겟을 이용하여 아르곤 가스와 질소가스의 혼합가스 중에 리액티브방식의 스퍼터링 법에 의해 형성되고, 상기 혼합가스의 유량에 대한 상기 질소가스의 유량의 비는 실제적으로 3%~7%이며, 상기 두 개 이상의 Ta타겟은 상기 기판이 반송되는 방향에 직렬로 배열된다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 Ta 박막의 비저항은 실제적으로 90μΩcm~165μΩcm의 범위 내이다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 Ta 박막의 비저항은 실제적으로 105μΩcm~150μΩcm의 범위 내이다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 Ta 박막은 두 개 이상의 소결된 TaN타겟을 이용하여 아르곤 가스와 질소가스의 혼합가스 중에 스퍼터링 법에 의해 형성되고, 상기 혼합가스의 유량에 대한 상기 질소가스의 유량의 비는 실제적으로 4%이하이며, 상기 두 개 이상의 소결된 Ta타겟은 상기 기판이 반송되는 방향에 직렬로 배열되어 있다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 두 개의 소결된 TaN타겟 각각은 5mol% 이하의 양으로 질소를 함유한다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 Ta 박막은 상기 소결된 TaN 타겟의 단위면적당 4W/㎠의 스퍼터링 파워로 형성된다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 Ta 박막의 비저항은 실제적으로 80μΩcm~165μΩcm의 범위 내이다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 Ta 박막의 비저항은 실제적으로 95μΩcm~150μΩcm의 범위 내이다.

본 발명의 2단자 비선형 소자는 기판 상에 형성되고, 질소로 도핑된 Ta 박막의 하부전극과, 상기 하부전극의 표면을 양극산화하여 형성된 양극산화막 및 상기 양극산화막 상에 형성된 금속박막의 상부전극을 구비하여, 상기 질소로 도핑된 Ta 박막은 4mol%~7mol%량의 질소를 함유한 소결된 TaN 타겟을 이용하여 스퍼터링법에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 질소로 도핑된 Ta 박막은 소정의 스퍼터링 파워에서 DC 스퍼터링법에 의해 상기 하부전극과 상기 상부전극 사이에서 흐르는 풀-프렌켈 전류로 표현되는 저항 계수 1nA이 실제로 -32~-28의 범위로 되도록 형성된다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 질소로 도핑된 Ta박막은 스퍼터링 파워를 2.2KW~3.2KW의 범위로, 상기 기판의 가열온도를 100℃로, 상기 기판의 가열시간을 180초로, 상기 기판의 반송속도를 100mm/min으로, 상기 기판과 상기 소결된 TaN 타겟 사이의 거리를 77mm로, 스퍼터링 가스압을 0.40pa로 하는 조건하에서 형성된다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 Ta 박막의 비저항은 실제적으로 70μΩcm~165 μΩcm 의 범위 내이다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 Ta 박막의 비저항은 실제적으로 85μΩcm~150 μΩcm 의 범위 내이다.

본 발명에 의한, 하부전극과, 절연막 및 상부전극을 구비한 2단자 비선형 소자의 제작방법은 기판 상에 상기 하부전극을 형성하는 공정과, 상기 하부전극을 양극산화하여 양극산화막을 형성하는 공정과, 상기 양극산화막 상에 상기 상부전극을 형성하는 공정을 포함하고, 상기 하부전극을 형성하는 상기 공정은, 상기 기판을 소정의 방향으로 반송하면서 두 개 이상의 Ta 의 타겟을 이용하여 아르곤 가스와 질소가스의 혼합가스 중에 리액티브 스퍼터링법에 의해 질소로 도핑된 Ta 박막을 형성하되 상기 두 개 이상의 Ta 타겟은 상기 기판이 반송되는 방향에 직렬로 배치되어 있는 공정과, 상기 Ta 박막을 소정의 형상으로 패턴닝하여 상기 하부전극을 형성하는 공정을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 Ta의 타겟은 99.99% 순도의 Ta 타겟이고, 상기 혼합가스의 유량에 대한 질소가스의 유량의 비는 3%~7%의 범위 내이다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 Ta 의 타겟은 상기 혼합가스의 유량에 대한 질소가스의 유량의 비는 실제적으로 4%이하이다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 소결된 TaN 타겟에 함유된 질소의 양은 5mol% 이하이다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 Ta 박막은 상기 소결된 TaN 타겟의 단위면적당 4W/cm의 스퍼터링 파워에서 형성된다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 Ta 박막은 인-라인 스퍼터링 장치를 이용하여 형성된다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 Ta 박막은 회전반송방식 스퍼터링 장치를 이용하여 형성된다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 양극산화막을 형성하는 공정은 암모늄기를 함유하는 용액 중에서 수행된다.

본 발명에 의한, 하부전극과, 절연막 및 상부전극을 구비한 2단자 비선형 소자의 제작방법은 기판상에 상기 하부전극을 형성하는 공정과, 상기 하부전극을 양극산화하여 양극산화막을 형성하는 공정과, 상기 양극산화막 상에 상기 상부전극을 형성하는 공정을 포함하고, 상기 하부전극을 형성하는 상기 공정은, 상기 기판을 반송하면서 실제적으로 4mol%~7mol%의 범위의 양으로 질소를 함유한 소결된 TaN 의 타겟을 이용하여 스퍼터링법에 의해 상기 기판상에 질소로 도핑된 Ta 박막을 형성하는 공정과, 상기 Ta 박막을 소정의 형상으로 패턴닝하여 상기 하부전극을 형성하는 공정을 포함한다.

이 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 Ta 박막을 형성하는 공정은 DC스퍼터링법에 의해서 상기 상부전극과 상기 하부전극 사이에서 풀-프렌켈 전류로 표현되는 비저항계수 InA가 실제적으로 -32~-28의 범위 내가 되도록 하는 스퍼터링 파워에서 수행된다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 Ta 박막을 형성하는 공정은 스퍼터링 파워를 2.2KW~3.2KW의 범위로, 상기 기판의 가열온도를 100℃로, 상기 기판의 가열시간을 180초로, 상기 기판의 반송속도를 100mm/min으로, 상기 기판과 상기 소결된 TaN 타겟 사이의 거리를 77mm로, 스퍼터링 가스압을 0.40pa로 하는 조건하에서 형성된다.

그러므로, 여기에서 설명된 본 발명은 (1)균일하고 열적으로 안정된 비선형성을 갖는 MIM타입의 2단자 비선형성소자를 제공할 수 있고, 그리고 (2)표시상에 잔상이 발생되지 않는 MIM 소자를 스위칭소자로서 이용하는 액정표시장치를 제공할 수 있는 이점이 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 바람직한 실시예들을 통하여 본 발명에 대해 상세히 기술하겠다.

[제1실시예]

제1도는 본 발명의 제1실시예로서 MIM형의 2단자 비선형 소자(이하, MIM소자라 약칭함)가 형성된 액티브 매트릭스 기판의 평면도를 나타내고, 제2도는 제1도에서 A-A'선을 따라 절단된 단면도를 나타낸다. 이 실시예에서는 MIM소자들이 액정표시장치의 스위칭 소자들로서 이용되고, 더우기, 제1도는 하나의 화소를 위한 액티브 매트릭스 기판을 나타낸다.

액티브 매트릭스 기판의 구조에 대해 제2도를 참조하여 기술하겠다. 액티브 매트릭스 기판은 유리 등으로 형성되는 기판(6)을 포함한다. 베이스 피복절연체(7)가 유리 기판(6)위에 구성되고, 제1도에 도시된 바와 같이 Ta 박막으로 형성되는 복수의 신호선들(1)이 병렬로 그 위에 구성됨과 아울러, 신호선들(1)로부터 분기되는 하부전극들(2)은 베이스 피복 절연체(7)위에 형성된다. 신호선들(1)과 하부전극들(2)의 표면들을 양극산화 시키는 것에 의해 신호선들(1)과 하부전극들(2)위에 절연체들(3)이 형성된다. 이 절연체들(3)위에는 Ta, Cr, Ti, Al막 등으로 상부 전극들(4)이 형성된다. MIM소자는 하나의 하부전극(2)과 하나의 상부 전극(4)과 그들 사이에 끼워지게 되는 하나의 절연체(3)를 포함한다. 상부 전극(4)은 ITO 투명 전도성 막으로 형성되는 화소 전극들(5) 중 당해 하나의 전극과 전기적으로 연결된다. 나아가, 신호선(1) 및 하부전극(2)용으로 이용되는 Ta 박막은 그 박막의 두께 방향으로 작은 양의 질소를 갖는 부분들(이하, 결핍부분들(poor portions)이라 약칭함)과 많은 양의 질소를 갖는 부분들(이하, 충만부분들(rich portions)이라 약칭함)이 번갈아 퇴적되는 구조를 갖는다.

제1도 및 제2도에 도시된 액티브 매트릭스 기판은, 액정 셀이 160 × 160 도트(dot)와 0.25mm 피치(pitch)를 갖는 리플렉티브 모노크롬(reflective monochrome) TN액정모드를 갖고, 각 신호선(1)의 폭은 30㎛이고, MIM 소자의 크기는 5㎛×5㎛ 이며, 액정 커패시티 대 MIM 소자 커패시티의 비가 1:10인 조건 하에서, 다음과 같이 제조된다.

먼저, TaO로 이루어지는 베이스 피복 절연체(7)가 유리 기판(6)위에 5000Å의 두께를 갖도록 형성된다. 이 유리 기판(6)으로서는 무알칼리(No-alkali) 유리, 규소화붕소(borosilicate)유리 및 소오다(soda) 유리가 상용될 수 있다. 이 실시예에서는 유리 기판(6)으로서 #7059 퓨전 필렉스 유리(Fusion Pilex Glass; 일본 코닝 주식회사가 생산함)가 이용된다. 이 베이스 피복 절연체(7)는 생략될 수도 있지만, 그 절연체(7)는 이 베이스 피복 절연체(7)위에 형성되는 박막들이 기판에 의해 오염되는 것을 방지할 수 있다. 그렇게 하면, 더욱 우수한 특성의 장치를 얻을 수 있게 된다.

이어서, 리액티브 스퍼터링에 의해 Ta 막이 유리 가판(6)위에 3000Å 두께로 퇴적된다. 리액티브 스퍼터링에서는 99.99%의 순도를 갖는 3조각의 Ta타겟이 기판이 이송되는 방향으로 직렬로 배열되고, 아르곤(Ar) 가스와 질소(N)가스가 리액티브 가스로서 이용된다. 퇴적된 Ta박막에 함유되는 질소의 양은 (Ar +N) 가스에 대한 N가스의 유량 속도비에 따라서 변화될 수 있다. 본 실시예에서는 스퍼터링을 위한 (Ar +N) 가스에 대한 N가스의 유량 속도비는 2.2%, 2.9%, 3.6%, 4.1%, 4.3%, 5.7%, 및 8.3%로 조절된다. 나아가, 결핍 부분들과 충만부분들의 두께들은 Ta 타겟들과, 스퍼터링 파워 및 유리 기판(6)의 반송속도(conveyance rate)와 같은 조건들 간의 간격을 대략적으로 조절하는 것에 의해 변화될 수 있다. 본 실시예에서, 스퍼터링은 각 타겟이 5인치 x 16인치 크기를 갖고, 각 타겟 사이의 각 간격은 10cm 이고, 스퍼터링 파워는 4.5KW(전류 : 8.5A, 전압 : 530V)이며, 기판의 반송속도는 460mm/분이고, 온도는 100℃이며, 스퍼터링 율은 200mm/분인 조건들 하에서 수행된다.

이렇게 얻어진 Ta 박막을 SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)에 의해 분석된다. 제3도는 Ta 박막으로부터의 2차 이온 방출의 프로파일을 나타낸다. 이 도면에는Ta방출의 강도와 관련하여N방출의 강도가 도시되어 있다. 제3도에 도시된 바와 같이, Ta 박막은 그 두께 방향으로 결핍부분들과 충만부분들이 교대로 퇴적되고, 그 막의 표면에는 형성되지 않는 구조를 갖는다. 반면, 질소를 균일하게 함유하는 Ta 박막은 제4도에 도시된 바와 같이 단일 조각의 Ta 타겟을 이용하는 종래의 리액티브 스퍼터링에 의해 얻어진다.

이와 같이 얻은 이 Ta 박막은 포토리소그라피에 의해 소망하는 형상으로 패터닝(pattering)되어서 신호선들(1)과 하부전극들(2)을 형성된다. 그 후 외부 구동 회로에 연결되는 단자 부분들을 제외한 신호선들(1)과 하부전극들(2)의 노출된 부분들은 1wt%의 암모늄 주석산염(ammonium tartrate)으로 양극산화됨으로써, 양극산화된 산화막(절연체)(3)을 형성한다. 이 실시예에서는 전해물(electrolyte) 즉, 1wt% 의 암모늄 주석산염의 온도, 전압, 전류가 각각 25℃, 27V, 0.7A 정도인 조건들 하에서 양극산화가 수행됨으로써, 600Å두께의 TaO로 형성되는 양극산화된 산화막(3)을 얻는다.

이 양극 산화막(3)을 형성한 후에는 스퍼터링 등에 의해 기판(6)에 걸쳐 금속 박막을 퇴적한다. 퇴적된 금속 박막은 포토리소그라피에 의해 소망하는 형태로 패터닝됨으로써 상부 전극들(4)을 형성하게 된다. 일반적으로, 상부 전극(4)용 물질은 Ta, Cr, Ti, Al 등을 포함한다. 본 실시예에서 Ti막은 4000Å 두께를 갖도록 퇴적되어 상부전극을 형성하도록 패터닝된다. 이 상부 전극들(4) 각각은 20㎛의 길이와, 5㎛의 폭을 갖는 직사각형태이다.

또한, ITO등으로 형성된 투명전도성막은 상기를 형성하기 위해서 이 결과적인 기판(6)위에 퇴적하여 패턴한다. 이 방법으로, 이 액티브 매트릭스 기판을 제조한다.

액티브 매트릭스 기판과 대향기판을 상호 접착하여서 액정 셀을 형성한다. 복수의 투명전도성막의 스트립은 대향기판 위에 형성하여 각 스트립들이 대향기판이 이 액티브 매트릭스 기판에 부착할 때 직각으로 신호선들(1)을 교차한다. 이 실시예에서, 이 스트립들은 0.25mm피치에서 형성된다. 이 대향기판이 이 제조과정에서 만약 컬러 필터층이 대향기판 위에 형성된다면 컬러를 표시(displaly)할 수 있는 액정표시장치를 얻는다.

전술한 바와 같은 액정 셀은 다음과 같이 제조한다.

먼저, 배향막은 약 200℃ 온도에서 각 액티브 매트릭스 기판과 대향기판의 면 위에 형성한다. 그리고 나서, 배향막을 포함하는 양 기판들은 액정분자 배열을 하기 위해서 미리 정렬된 방향으로 문지른다.

다음, 밀봉제를 하나의 기판 상에 피복하고, 스페이서는 타기판 위에 균일하게 분산하고, 결과적인 기판들은 배선들을 갖는 이 결과적인 기판들의 면들이 상호 마주하도록 상호 접착한다. 이 기판들은 정렬되어 액정분자들이 한 기판에서 타기판까지 90℃ 비틀리도록 한다. 이 경우에, 이 대향기판 위에 형성한 투명전도성막의 스트립(strip)들과 액티브 매트릭스 기판 위에 형성한 신호선들(1)은 상호 직각으로 교차해야 한다. 이 접착된 기판들은 기판을 가압하는 동안에 밀봉제를 처리하기 위해 약 150℃~200℃ 온도에서 가열한다. 그 후에, 액정은 기판들 사이에 주입하고서 결과적인 기판들은 밀봉한다. 이 방법으로, 액정셀을 제조한다.

추가로, 44.5% 의 투과율, 96.5% 의 편광도의 투과편광기는 액정 셀의 앞면위에 제공하고, 이 앞면 위에 형성한 편광기와 동일한 편광기 위에 A1 반사기판을 형성하여서 얻은 반사편광기는 이 액정셀의 뒷면 위에 제공한다. 이 방법으로, 전기-광학 특성이 이 액정셀에 부가되어서 액정표시장치를 완성한다.

제5도 및 표2는 전술한 방법대로 얻은 MIM 장치의 비선형성을 나타낸다.

표2는 또한 비교예처럼 Ta 박막을 형성한 하부전극들이 단일조각의 Ta타겟을 이용하는 종래의 리액티브 스퍼터링에 의한 형성을 제외한 이 실시예에서와 같은 방법에 의해서 얻은 액정장치의 MIM장치의 비선형성을 나타낸다. MIM장치의 비교예의 비선형성은 제35도에 나타낸 바와 같다. 비교예에서, 스퍼터링은 N가스 대 (Ar + N) 가스의 유량비는 0%, 3.8%, 7.4%, 10.7%, 13.8%, 16.7%, 20.0%, 25.0%, 그리고, 33.0%로 설정한다. 본 발명의 발명자의 분석은 질소가 비교예에서의 N가스의 유량비에 대한 양만큼 5% 더 갖는 Ta 박막에 포함된 것을 나타낸다.

제1상태 : MIM 장치 제조후의 상태

제2상태 : 액정표시장치가 완성되었을 때의 상태

표2에서, 제1상태는 MIM 장치가 제조된 직후의 상태를 의미하고 제2상태는 액정표시장치를 완성한 상태를 의미한다.

제35도 및 표2에서 알 수 있듯이, MIM 장치 비교예의 비선형성은 N가스 대(Ar + N) 가스의 유량비가 낮을 경우(즉, Ta 박막에 함유한 질소량)에 만족하지 못한다. 이 경우에, β상 구조 및 α 상 구조가 이 Ta 박막에 공존하거나 α 상 구조가 이 Ta 박막에 독점하기 때문에 비선형성의 저하가 일어난다. 이와는 대조적으로, MIM 장치의 비선형성은 N가스의 높은 유량비의 경우에는 비교적 만족하다. 그렇지만, 이 비선형성은 각 MIM 장치에서 크게 다르고, 균일한 비선형성을 갖지 못하는 MIM 장치를 얻는다. 이 경우에, 스퍼터링에 의해 퇴적한 막은 TaN 박막이 된다. 또한, N가스의 유량비가 0%인 경우에, β상 구조(이후, a, β-Ta라고 약칭함)의 Ta 박막이 형성되고 그런 Ta 박막을 이용하여 제조된 MIM 장치의 비선형은 우수하다. 하지만, 이 비선형성은 이 MIM 장치가 제조된 경우(제1상태)의 비선형성과 비교하여 가열처리(제2상태)를 통하여 액정표시장치의 제조 후에 크게 저하된다.

한편, 이 실시예의 MIM 장치는 제5도 및 표2에서 나타낸 바와 같이 우수한 비선형성 및 열적안정성을 갖는다. 또한, 균일한 비선형성을 이 MIM 장치들 간에 얻을 수 있다. 특히, MIM 장치의 비선형성은 이 Ta 박막이 N가스 대 (Ar + N) 가스의 유량비를 3%~7% 범위로 조정함으로써 퇴적되는 경우에 이 β-Ta 박막을 하부전극으로서 이용하여 제조된 MIM장치의 비선형성과 마찬가지이거나 보다 좋다. 이 경우에, 이 비선형성은 가열처리로 인하여 저하되지 않고, 제2상태에서조차 우수한 비선형성을 얻는다. 또한, 가장 우수한 비선형성 및 열적안정성을 갖는 MIM 장치들은 N가스 대 (Ar + N) 가스의 유량비가 4.3%~5.7%인 경우에 얻는다.

제6도 및 제7도는 N가스대 (Ar + N) 가스의 유량비가 각각 4.3% 및 8.3%인 조건하에서 얻어지는 이 Ta 박막에 대한 X-선 연구의 결과를 나타낸다. 이들 도면에서, 프로파일(profile) 피크(peak) 110은 α상(이후, an α-Ta 라고 약칭함)의 Ta 구조를 의미하고, 프로파일의 피크 002는 β-Ta을 의미한다. 제6도에서 나타낸 바와 같이, 110의 X-선 강도 대 002의 X-선 강도의 비가 1: 0.248이고, 이 경우에 N가스의 유량비는 4.3%이다. 또한, 제7도에서 나타낸 바와 같이, 110의 X-선 강도 대 002의 X-선 강도의ㅡ 비가 N가스의 유랑비가 8.3%인 경우에 1:0.064이다.

제3도에서 SIMS에 의한 연구의 결과에 나타난 바와 같이, 부족부분으로부터 방출된N의 피크 강도 대 충만부분의 피크 강도의 1:1.54~1:1.71의 범위인데, 이 경우는 이 Ta 박막이 N가스 대 (Ar + N) 가스의 유량비가 4.3%인 조건하에서 퇴적된 경우이다.

제8도는 본 실시예의 MIM 장치의 전압-전류특성을 나타낸다. 제8도에서 알 수 있듯이, 음의 안가전압 및 양의 인가전압의 전류곡선의 대칭은 또한 본 실시예의 MIM 장치에서 얻을 수 있다.

제9도는 MIM 장치들을 스위칭소자로서 이용하는 액정표시장치에서 전기-광학 특성(바이어스 비에 따른 콘트라스트비)을 나타낸다. 제9도에서 알 수 있듯이, 이 액정표시장치는 1/8 및 1/13의 바이어스 비의 경우에서 콘트라스트비가 20이다. 또한, 액정표시장치는 70msec의 대응비율(=r +d)과 위아래 방향으로 40시각 및 좌우 방향 (Co2)으로 100이상의 시각과 같은 우수한 특성이 있다. 더우기, 잔류화상이 일어나지 않으므로, 우수한 표시는 2진 화상을 표시하는 경우에 얻을 수 있다. 이것 때문에 2단자 비선형 소자들을 스위칭소자로서 이용하는 액정표시장치에서는 가장 중요한 문제가 된다. 이것은 전술한 전압-전류특성의 비선형성이 우수하기 때문이다.

이 실시예에서, 스퍼터링(sputtering)이 3종의 Ta 타겟을 이용하는 대기가스 (Ar + N₂) 에서 수행하여 퇴적된 Ta 박막은 부족부분 및 충만부분이 교대로 Ta 박막의 두께 방향으로 퇴적되는 구조를 갖는다. 하지만, 다른 방법을 이용하여 이런 구조를 갖는 Ta 박막을 얻을 수 있다. 예를 들면, 몇몇 종의 소량의 질소를 포함하는 소결된 TaN 타겟과 대량의 질소를 포함하는 소결된 TaN 타겟을 교대로 연속하여 정렬하고서 스퍼터링하여 이 실시예와 같은 교대구조를 갖는 Ta 박막을 얻을 수 있다.

전술한 바와 같이, 2단자 비선형 소자의 하부전극은 부족부분(소량의 질소를 포함)과 충만부분(대량의 질소를 포함)이 교대로 퇴적되는 구조이므로, 이 실시예의 2단자 비선형 소자는 β-Ta 박막을 하부전극으로서 이용하는 2단자 비선형 소자의 비선형성보다 같거나 좋은 초기 비선형성을 갖고, TaN 박막을 이용하는 2단자 비선형 소자와 가까운 우수한 열적 안정성을 갖는다. 또한, 이 비선형성은 2단자 비선형 소자들간에는 균등하다. 더우기, 이 실시예의 2단자 비선형 소자는 전압-전류 특성에 있어서 우수하다. 따라서, 2단자 비선형성장치를 액정표시장치에서 스위칭 소자로서 이용할 때 잔류화상의 발생을 크게 경감하여서 높은 콘트라스트 및 높은 품질을 갖는 표시를 얻는다.

[제2실시예]

본 발명의 제2실시예를 설명한다.

이 실시예에서는 Ta 박막은 제1실시예와 같은 3종의 순수한 Ta타겟을 이용한 대기가스(Ar + N₂) 에서 리액티브 스퍼터링과는 다른 소결된 TaN 타겟을 이용한 스퍼터링을 함으로써 퇴적한다.

제10도는 MIM 장치들이 액정표시장치의 스위칭소자로서 이용되는 경우에 MIM 형(이후, MIM 장치라 칭함) 2단자 비선형 소자들을 포함한 액티브 매트릭스 기판의 투시도를 나타낸다. 제11도는 제10도의 이 액티브 매트릭스기판을 포함한 액정표시의 단면도를 나타낸다.

이 액티브 매트릭스 기판의 구조는 제10도 및 제11도를 참조하여 설명한다. 액티브 매트릭스 기판은 유리 등을 형성한 기판(15)을 포함한다. 베이스 피복 절연체(16)는 유리기판(15)위에 형성하고 Ta를 형성한 복수의 신호선들(11)은 병렬로 이 위에 구성한다. 또한, 이 신호선들(11)에서 분기한 하부 전극들(12)은 베이스 피복 절연체(16)위에 형성한다. 이 신호선들(11)과 이 하부전극들(12) 위에 절연체들을 형성한다. 절연체들은 신호선들(11)과 하부전극들(12)의 노출부분을 양극산화함으로써 얻는다. Ta, Cr, Ti, Al 등의 상부전극들(13)은 절연체 위에 형성된다. MIM 장치는 그 사이에 삽입한 하나의 하부전극(12), 하나의 상부전극(13)과 하나의 절연체를 포함한다. 상부전극(13)은 ITO 투명전도성막 등을 형성한 화소전극들(14)중 대응한 하나에 전기적으로 접속한다.

제10도에 나타낸 액티브 매트릭스 기판은 액정 셀(Liquid Crystal Cell)이 640 × 480 도트(dot)들과 0.3mm피치(pitch), 각 신호선(11)의 폭이 40㎛, MIM 장치의 크기가 6㎛ × 5㎛ , 그리고 MIM 용량 대 액정용량의 비가 약 1 : 10를 갖는 리플렉티브 모노크롬(reflective monochrome) TN 액정모드를 갖는 조건하에서 제조한다.

먼저, Ta₂O₅등을 형성한 베이스 피복절연체(16)는 5000Å두께를 갖도록 스퍼터링 등으로 유리기판(15) 위에 퇴적한다. 이 유리기판(15) 재료들의 예들로는 무알칼리 유리, 보로-실리케이트(Boro-Silicate) 유리 및 소오다-석회(soda-lime) 유리를 포함한다. 이 실시예에서 #7059 퓨전 필렉스 유리(fusion Pilex Glass)(Corning Japan Co., Ltd 제조) 인 이 유리기판(15)을 이용한다. 베이스 피복절연체(16)는 생략한다. 그렇지만, 베이스 피복절연체(16)위에 형성한 박막은 유리기판(15)이 오염되는 것을 방지하므로 더욱 우수한 장치의 특성을 얻는다.

또한, 이 Ta 박막은 DC(직류) 스퍼터링에 의해 3000Å 두께를 갖도록 유리기판(15)위에 퇴적한다. 이 예로서, 질소의 5mol%를 포함한 소결된 TaN을 타겟으로서 이용한다. 또한, 이 DC 스퍼터링은 대기 아르곤(Ar)가스에서 가스압이 4 ×10^-1Pa; DC 전원이 2.6Kw; 기판을 가열하는 온도 및 시간은 각각 100℃ 및 180초, 이 기판의 반송속도는 100mm/min, 그리고 기판과 타겟 사이의 간격은 77mm인 조건으로 수행한다.

이렇게 얻은 Ta 박막은 포토리소그라피(photolithography)에 의해 바라는 형상으로 패턴되어서 신호선(11)과 하부전극(12)을 형성한다. 그리고 나서, 외부구동회로에 접속된 단자부분들을 제외한 신호선(11)및 하부전극(12)의 표면은 전해물로서 암모늄주석산염의 1wt%으로 양극 산화함으로써 양극산화막을 형성한다. 이 실시예에서, 양극화성은 전해물의 온도가 약 25℃, 전압이 약 27V; 그리고 전류가 0.7mA 인 조건으로 수행하여 600Å 두께에 양극산화막 Ta₂O₅를 얻는다.

양극화성 후에 금속박막은 스퍼터링 등으로 유리기판(15)위에 퇴적한다. 이 결과 기판(15)은 포토리소그라피에 의해 바라는 형상으로 패턴하여서 상부 전극(13)을 형성한다. 이 방법으로, 상부전극(13)의 예들로는 Ta, Cr, Ti, Al 등을 포함한다. 이 실시예에서, Ti 막은 4000Å 두께를 갖도록 퇴적하여 하부전극(13)을 형성하기 위해 패턴한다. 각 상부전극(13)은 길이 20㎛ 및 폭 6㎛을 갖는 직사각형 형상이다.

또한, ITO 등의 투명전도성막은 이 결과에 따른 기판(15) 위에 형성하고 화소전극들(14)을 형성하기 위해서 공지의 방법으로 패턴한다. 이 방법으로, 액티브 매트릭스 기판을 제조한다.

액티브 매트릭스 기판 및 대향기판을 상호 부착하여서 액정 셀을 구성한다.

복수의 투명전도성막의 스트립(strips)은 각 스트립이 직각으로 이 액티브 매트릭스 기판(15)위에 신호선들(11)과 교차하도록 이 대향기판(21)위에 형성한다. 이 스트립들은 대향전극으로서 작용한다. 이 실시예에서, 1000Å두께의 투명전도성막의 스트립들은 0.3mm 피치에서 형성된다. 이 대향전극의 제조에서 만약 컬러필터층을 대향기판위에 형성한다면 컬러(color)를 표시할 수 있는 액정표시장치를 얻을 수 있다.

대향기판과 대향기판을 포함하는 액정 셀은 다음과 같이 제조한다.

먼저, 배향막(19)을 약 200℃의 온도에서 이 액티브 매트릭스 기판과 이 대향기판 각각의 표면 위에 형성된다. 그리고, 양 배향막(19)들을 미리 정렬된 방향으로 러빙(rubbing)한다. 이 실시예에서, 이 배향처리는 액정분자들의 비틀림 각이 90°인 조건으로 수행한다.

그리고, 열경화성 밀봉제를 하나의 기판 상에 피복하고, 스페이서(spacer)는 타 기판위에 균일하게 분산하고, 이 결과로 생긴 기판들은 배선을 포함하는 기판의 표면들이 상호 마주하도록 상호 접착된다. 액티브 매트릭스 기판과 대향기판은 배항막(19)의 러빙방향이 상호에 관한여 90°이고 액정분자들은 하나의 기판에서 타 기판까지 90비틀리도록 정렬한다. 이 경우에, 이 액티브 매트릭스 기판 위에 배선들과 대향기판 위에 대향전극들(18)은 상호 교차하도록 해야한다. 이 부착한 기판들은 기판들을 누르면서 밀봉제로 처리하기 위해 약 150℃~200℃의 온도에서 가열한다. 그 후에, 액정은 이 기판들사이에 주입되어서 결과적인 기판들은 밀폐된다. 이 방법으로, 액정셀을 제조한다.

추가로, 44.5%의 투과율, 96.5%의 편광도를 갖는 투과편광기(22)는 액정 셀의 앞면위에 구성하고, 이 편광기(22)와 동일한 편광기 위에 Al 반사판을 형성함으로써 얻는 반사편광기(23)는 액정셀의 뒷면 위에 구성한다. 이 방법으로, 전기광학특성은 액정셀에 부가되어서 액정표시장치를 완성한다.

제12도는 이 실시예의 MIM 장치의 전류-전압특성을 나타낸다. 제12도에서, 양의 전압은 전류가 하부전극(12)에서 상부전극(13)으로 흐르는 경우에 얻는다. 또한, 제13도는 곡선(24)으로 전류-전압특성을 나타낸다. 제13도는 제1및 제2비교예들로서 MIM 장치의 두 가지형의 전류-전압특성들은 Ta 박막이 대기가스(Ar +N₂)에서 액티브 스퍼터링에 의해 퇴적되는 것을 제의한 이 실시예에서처럼 동일한 방법으로 얻었다. N₂가스대(Ar +N₂)가스의 유량비는 제1및 2 비교예들에서 각각 2.9vol% 및 4.3vol% 로 설정한다. 제1및 2비교예들의 전류-전압 특성은 각각 제13도의 곡선들(25 및 26)처럼 나타내었다.

MIM 장치에서 하부전극과 상부전극사이에 끼워진 절연체에 전류용량, 또는 이 전극들과 이 절연체들 사이에 계면들(interfaces)을 통하는 전류유량은 지금부터 설명한다. 전류는 다음 공식(1)과 같이 나타낸 풀-프렌켈(Poole-Frenkel)전류에 의해 나타낸다.

이 I 및 V는 각각 전류 및 전압을 의미하고, 계수 A 및 B는 MIM 장치의 전도성및 비선형성을 의미한다. 이 경우에, A가 증가할 때 MIM 장치의 저항은 감소하고, B가 증가할 때, 문턱전압 부근에서의 ON(온)전압 대 OFF(오프)전압(V_ON/V_OFF)의 비는 증가하여 액정표시장치가 높은 콘트라스트를 얻도록 하는 것이 가능하다.

제14도는 곡선들(24, 25 및 26)에 관한 MIM 장치의 풀 프렌켈도(Poole-Frenkel Plot)를 나타낸다. 선들(27, 28 및 29)은 각각 이 실시예(곡선 24), 비교예 1(곡선 25), 그리고 제2비교예(곡선 26)의 풀 프렌켈 도이다. Y인터셉트(intercept)는 MIM 장치(lnA)의 전도성을 의미하고 선의 기울기는 MIM 장치의 비선형성을 의미한다. 제14도는 또한 이 실시예 및 제1및 제2비교예들의 MIM 장치의 계수(A 또는B)의 값을 나타낸다.

제14도에서 알 수 있듯이, 소결된 TaN 를 타겟으로서 이용하는 스퍼터링으로 퇴적된 Ta 박막을 이용한 이 실시예의 MIM 장치는 대기 가스 (Ar + N₂)에서 리액티브 스퍼터링에 의해 퇴적된 Ta 박막을 이용한 제1 및 제2비교예의 MIM 장치와 비교하여 더 적은 계수 A 및 더 큰 계수 B를 갖는다. 다시 말하면, 이 실시예의 MIM 장치는 작은 도전율 및 더 큰 저항을 가짐으로 더 작은 누설전류를 유도한다. 더우기, 우수한 비선형성을 얻는다.

또한, 이 실시예에서, Ta박막이 소결된 TaN 을 타겟으로 이용하는 DC스퍼터링에 의해서 퇴적되므로, 질소는 Ta박막으로 도핑된다. 결과적으로, 액정셀을 제조하는 동안에 열처리에 의해 발생한 MIM 장치의 특성의 저하를 방지할 수 있다.

제15도는 제1,2 및 3비교예들의 액정표시장치들의 전기-광학 특성과 함께 이 실시예의 MIM 장치를 갖는 액정표시장치의 전기-광학특성(콘트라스트비의 온도 의존성)을 나타낸다. 제1,2 및 3의 비교예들에서, 대기가스 (Ar + N₂)에서 리액티브 스퍼터링에 의해 퇴적된 각 Ta 박막들은 하부전극들로서 이용한다. N₂가스 대 (Ar + N₂)가스의 유량비가 각각 2.9vol%, 4.3vol% 및 2.2vol% 이다(여기서, 파선, 쇄선, 2점 쇄선은 각각 제1,2 및 비교예들의 콘트라스트비들을 의미한다)

제15도에서 알 수 있듯이, 제1,2 및 3비교예들에서 콘트라스트비는 온도가 룸(room)온도를 초과할 때 감소한다. 다시 말하면, 이 실시예의 MIM 장치를 이용하는 액정표시장치는 온도에 대해 안정된 표시 특성을 갖는다.

하지만, N₂가스 대 (Ar + N₂)가스의 유량비가 제1,2 및 3비교예들에서 6vol%만큼 클 경우에 이 MIM 장치의 비선형성은 우수하다. 더우기, 높은 온도에서 조차 콘트라스트비는 MIM 장치의 비선형성의 저하로 인하여 감소하지는 않는다. 하지만, N₂가스의 유량비가 증가할 경우에 이 Ta 막을 포함한 질소의 양은 균일하지 못하여 이 MIM장치의 비선형성에서 커다란 차이가 생긴다.

결과적으로, 균일한 표시를 얻을 수 없다.

이 실시예에서 질소 5mol%를 포함하는 소결된 TaN 은 타겟으로 이용한다. 그렇지만, 질소의 양은 제한을 두지 않는다. 어떤 소결된 TaN 은 소결된 TaN이 질소를 함유하지 않게 도핑된 β-Ta 막을 이용하는 MIM 장치의 비선형성과 같거나 더 나은 비선형성을 얻는 데에 필요한 질소량을 포함하는 동안은 Ta 박막을 형성하기 위한 타겟으로 이용한다.

제16도는 타겟으로서 이용한 소결된 TaN 에 질소량과 소결된 TaN 을 타겟으로서 이용하여 얻어진 Ta 박막을 갖는 MIM 장치의 비선형성 사이에 관계를 나타낸다. 제16도에서 알 수 있듯이, 4mol%~7mol% 의 범위로 질소를 포함한 단일 조각의 소결된 TaN 타겟을 이용하여 얻는 MIM 장치의 비선형성은 질소가 도핑되지 않은 β-Ta 막을 이용하는 MIM 장치의 비선형성과 마찬가지이거나 더 낳다. 하지만, 이 범위 이외의 질소를 포함한 단일 조각의 소결된 TaN 타켓을 이용하여 얻은 MIM 장치의 비선형성은 β-Ta 막을 이용한 MIM 장치의 비선형성과는 마찬가지가 아니다.

제17도는 질소를 도핑하지 않은 β-Ta 막의 소정 저항(9)의 변화를 나타낸다. 제18도는 풀-프렌켈(Poole-Frenkel) 특성들, 즉, 스퍼터링 파워레 대해 질소를 도핑하지 않은 β-Ta 막을 이용한 MIM 장치의 전도성 lnA 및 비선형성 B를 나타낸다.

제17 및 18도에서 알 수 있듯이 MIM 장치의 스퍼터링, 전도성 lnA 및 비선형성에 의해 얻은 Ta 막의 소정 저항(9)은 스퍼터링 파워의 변화에 의해서 변한다. 이런 변화는 다음과 같은 때 발생한다. 스퍼터링 비가 증가된 스퍼터링 파워에 의해 높아질 경우에 퇴적된 Ta 막에서 Ta 격자의 간격은 Ta막의 형성동안에 확장하고, 자유전자들은 움직일 것이고, 전류는 쉽게 흐를 것이다.

이 실시예에서, 스퍼터링 전력은 2.6KW로 설정한다. 하지만, 스퍼터링 파워는 표3에서 보는 바와 같이 1.7KW 로 감소할 때에 MIM 장치의 저항은 증가하고 비선형성 B는 감소한다. 또한, 콘트라스트는 액정표시장치에 의해서 실현하지 못한다. 전술한 바와 같이, 높은 스퍼터링 파워가 바람직하다.

제19도는 단일조각의 소결된 TaN타겟을 이용하는 DC 스퍼터링에 있어 스퍼터링 파워와 MIM 장치의 전도성을 의미하는 계수 lnA 간의 관계를 나타낸다. 일반적으로, 계수 lnA가 -32~-28의 범위의 값일 경우 MIM장치는 우수한 특성을 갖는다. 제19도는 스퍼터링 파워가 이 실시예의 MIM 장치가 전술한 범위로 전도성을 갖도록 2.2KW~3.2KW의 범위로 설정한 것을 나타낸다. 따라서, 이 실시예에서, Ta 박막은 2.2KW~3.2KW의 범위의 스퍼터링 파워를 설정함으로써 높은 스퍼터링비를 갖게 퇴적하여서 전류흐름에 있어 문제점을 Ta의 균일하고 미세한 구조로 인하겨 방지할 수 있다. 또한, 이와 같이 얻은 Ta 박막은 N가스를 이용하지 않기 때문에 질소를 균일하게 포함하며, 리액티브 스퍼터링을 이용하는 제1실시예와는 다르다.

전술한 바와 같이 , 본 발명의 실시예에 따른 적절한 질소량은 2단자 비선형소자의 하부전극들로 이용된 Ta 박막에 균일하게 도핑한다. 따라서, β-Ta 박막을 Ta 박막의 제조 후, 즉시 이용하는 MIM 장치의 비선형성과 마찬가지이거나 더 낳은 비선형성을 갖는 2단자 비선형소자를 얻을 수 있다. 또한, 우수한 열적 안정성을 갖는 MIM 장치를 얻을 수 있다. 더우기 균일한 비선형성을 갖는 2단자 비선형 소자들은 단일 조각의 Ta타겟을 이용하는 리액티브 스퍼터링에 의해서 얻는 Ta 박막을 갖는 2단자 비선형 소자들과 비교하여 얻는다. 또한, 이 실시예의 2단자 비선형 표시 장치들을 스위칭 소자로서 이용하는 액정표시장치에서 콘트라스트비는 온도에 무관하므로 높은 콘트라스트 및 높은 품질의 표시를 얻을 수 있다.

[제3실시예]

본 발명의 제3실시예를 설명한다.

이 실시예에서. Ta 박막은 N가스의 유량비가 4%이하인 대기가스(Ar +N) 에서 질소 5mol% 이하를 포함하는 소결된 TaN타겟을 이용하는 리액티브 스퍼터링에 의해 형성한다.

제20도는 이 실시예의 MIM 형(이후, MIM 장치들이라고 약칭함)의 2단자 비선형 소자들을 스위칭 소자로서 이용하는 액정표시장치의 단면도이다. 제21도는 액정표시장치를 포함하는 액티브 매트릭스 기판의 평면도이다. 제22도는 선 A-A'을 따라 도시된 제21도의 단면도이다. 액정표시장치는 액티브 매트릭스 기판(50), 대향기판(51)과 이들 사이에 삽입된 액정층(40)을 포함한다.

액티브 매트릭스 기판(50)의 구조는 제22도를 참조하여 설명한다. 이 액티브 매트릭스 기판(50)은 유리기판(36)을 포함한다. 베이스 피복 절연체(37)를 대체로 이 유리기판(36) 위에 형성한다. 이 베이스 피복막(37)위에 이 신호선들(31)로부터 분기한 복수의 Ta 신호선들(31)과 복수의 하부전극들(32)을 형성한다. 절연체들(33)은 신호선들(31)과 하부전극들(32)위에 퇴적하고, Ta, Ti, Cr, Al 등의 하부전극들(34)은 그 위에 형성한다. MIM 장치는 하나의 하부전극(32), 하나의 상부 전극(34) 그리고 이들 사이에 삽입된 하나의 절연체(33)을 포함한다. 이 하부전극(34)은 ITO 투명전도성막 등의 화소전극(35)의 대응된 하나에 전기적으로 접속한다.

액티브 매트릭스 기판은 액정 셀이 640 × 480 도트들과 0.3mm 피치, 각 신호선(31)의 폭이 40㎛, MIM 소자의 크기가 6㎛ × 5㎛ , 그리고 MIM 소자용량 대 액정용량의 비가 약 1 : 10인 리플렉티브 모노크룸 TN 액정모드를 갖는 조건하에서 수행되어 형성한다.

먼저, TaO베이스 피복 절연체(37)는 5000Å 두께를 갖도록 스퍼터링하여 이 유리기판(36)위에 퇴적한다. 무알칼리, 보로 실리케이트 유리, 그리고 소오다 석회 유리를 이 유리가판(36)으로 이용할 수 있다. 이 실시예에서, #7059 퓨전 팔렉스 유리(Corning Japan Co., Ltd 제조)를 이용한다. 또한, 베이스 피복 절연체(37)는 생략한다. 그렇지만, 베이스 피복 절연체(37)위에 형성된 박막은 유리기판(36)으로 오염되는 것을 막을 수 있으므로, 더욱 우수한 MIM 장치의 특성을 얻을 수 있다.

계속하여, Ta 박막은 3000Å 두께를 갖도록 스퍼터링에 의해서 이 베이스 피복 절연체(37) 위에 퇴적한다. 이 실시예에서, 스퍼터링은 대기가스 (Ar 및 N)에서 질소 3mol% 를 포함하는 3개 조각의 소결된 TaN 타겟을 이용한 인-라인 스퍼터링 장치 제23a도에 나타난 바와 같이)에서 수행한다. Ar 가스 및 N가스를 스퍼터링 장치의 챔버(chamber)(54) 각각으로 도입한다. N가스가 탱크(53)에 보관되고 이 가스의 유량비는 N가스가 탱크(53)로부터 챔버(54)에 도입될 때 N가스 대 (Ar + N) 가스의 흐름비가 2%가 되도록 밸브(53a)를 조정한다. 추가로, 이 실시예에서, 스퍼터링은 챔버(54)에서 가스압이 0.4Pa, DC 전력 5.3W/cm, 기판을 가열하기 위한 온도 및 시간이 100℃ 및 180초, 기판의 반응속도가 100mm/min , 그리고 기판과 타겟(52)사이의 간격이 77mm 인 조건하에서 수행한다. 이 경우에 이 스퍼터링비는 약 300Å/min~600Å/min 의 범위 내이다.

이와 같이 퇴적된 이 Ta 박막은 MIM 장치의 신호선(1)과 하부전극(2)을 형성하기 위해 포토리소그라피에 의해서 바라는 형상으로 패턴한다.

부가적으로, Ta 박막은 인-라인 스퍼터링 장치의 장소에서 제23b도에 나타낸 회전 반송방식 스퍼터링 장치로서 형성한다. 회전 반송방식 스퍼터링 장치를 이용하는 경우에 있어서, 스퍼터링은 스퍼터링 압력이 9.3×10~1.3Pa범위, DC 전력이 5W/cm, 기판 가열온도가 240℃, 회전율이 160sec/time, 이 타겟(52)과 기판간의 간격이 20mm인 조건하에서 수행한다. 이 회전 반송방식 스퍼터링 장치에서, 4개 조각의 타겟(52)은 제23b도에 나타낸 바와 같이 기판의 회전 영역 안팎에 제공한다. 하지만, 하나 이상의 조가들의 타겟(52)은 이 회전 영역 안 또는 밖에만 제공할 수 있다.

그 후에, 외부 구동회로에 접속된 신호선(31) 및 하부전극(32)의 각각의 단자부분을 제외한 이 신호선(31) 및 하부전극(32) 각각의 노출부분을 전해물인 암모늄 주석산염 용액의 1wt%에서 양극산화함으로써 양글산화막을 형성한다. 이 실시예에서, 양극화성은 온도가 약 25℃인 전해물, 전압이 약 27V, 전류가 약 0.7mA인 조건하에서 수행하여 600Å 두께의 TaO양극산화막을 형성한다.

다음, 금속박막을 스퍼터링에 의해서 이 유리기판(36)위에 퇴적하여 이 상부전극(34)을 형성하기 위해서 포토리소그라피에 의해 바라는 형상으로 패턴한다. 이 상부전극(34)에 대한 재료들의 예는 Ta, Ti, Cr 및 Al 를 포함한다. 이 실시예에서, 4000Å 두께의 Ti 박막은 이 상부전극들(34)을 형성하기 위해서 바라는 형상으로 패턴한다. 각 전극은 길이 20㎛ 및 폭 6㎛의 직사각형 형상을 갖는다.

이 상부전극들(34)의 제조과정 후에, ITO 등의 투명전도성막은 유리기판(36)위에 퇴적하고서 화소전극들(35)을 형성하기 위해 패턴한다. 이 방법으로, 이 액티브 매트릭스 기판(50)을 완성한다.

대향기판(51)은 다음과 같이 제조한다.

대향기판(51)은 유리기판(41)을 또한 포함한다. 복수의 ITO 투명전도성막의 스트립들은 각 스트립들이 직각으로 이 액티브 매트릭스 기판(50) 위에 신호선들(31)과 교차하도록 유리기판(41) 위에 0.3mm 피치로 형성한다. 이 스트립들은 대향기판(38)으로서의 작용한다. 각 스트립의 두께는 1000Å이다. 만약 컬러필터층을 대향기판(51) 위에 형성하면 컬러를 표시할 수 있는 액정표시장치를 얻을 수 있다. 추가로, 이 액티브 매트릭스기판(50) 및 이 대향기판(51)은 전술한 제조과정과 비교하여 역순으로 제조할 수 있다.

배향막(39)은 약 200℃온도에서 배선들을 포함하는 각 액티브 매트릭스 기판(50) 및 대향기판(51)의 표면 위에 퇴적한다. 그 후에, 배향막들(39)을 포함한 이 양 기판들은 액정분자 배열을 하도록 미리 정렬한 방향으로 문지르다.

다음에, 열경화성 밀봉제는 기판들(50 및 51)중의 어느 한쪽 상에 피복하고, 스페이서는 타 기판 위에 균일하게 분산한다. 결과적인 기판들은 배향막들이 상호 마주하도록 상호간에 접착하고서 약 150℃~200℃의 온도에서 밀봉제를 처리하기 위해 가열하고 기판들을 가압한다. 이 기판들은 액정분자들이 한 기판에서 타기판까지 90°비틀리도록 하여 정렬한다.

액정을 이 부착된 기판들 사이에 주입하고 결과적인 기판들은 밀봉된다. 이 방법으로 액정 셀을 완성한다.

44.5의 투과율 및 96.5%의 편광도의 투과편광기(42)는 액정 셀의 앞면 위에 제공하고, 이 투과편광기(42)와 동일한 투과편광기 위에 Al 반사기판을 제공하여서 얻은 반사 편광기(43)는 뒷면에 제공하여서 액정표시장치를 완성한다.

이 실시예에서, 질소를 함유한 소결된 TaN 타겟은 스퍼터링에 의해서 Ta 박막의 퇴적을 이용한다. 이와 같이, N가스 대 (Ar + N) 가스의 유량비는 약 4% 아래로 유지할 수 있고, 이 N가스의 유량비를 쉽게 조정할 수 없다. 따라서, N가스를 균일하게 스퍼터링 챔버로 도입하는 것이 가능하여 스퍼터링 장치에서 질소량을 균일하게 조정할 수 있다. 이로 인하여 Ta 박막에 포함한 질소량은 균일하게 된다. 결과적으로, Ta 박막의 양극산화성에 의해 얻은 절연체의 두께의 불균일을 막을 수 있어 MIM 장치들간에 비선형성의 불균일을 크게 감소시킬 수 있다.

또한, 제24도에서 알 수 있듯이, Ta 박막이 리액티브 스퍼터링에 의해 형성한 경우에, β-Ta 막을 하부전극으로서 이용하는 MIM 장치의 비선형성 정도와 동일한 MIM 장치의 비선형성 정도를 얻기 위해서 N가스 대(Ar + N)가스의 유량비는 3%~7% 범위로 설정해야 한다. 이 실시예에서 질소는 대기 가스(Ar + N)의 소결된 TaN 타겟과 N가스로부터 얻는다. 이와 같이, Ta 박막은 액정 셀을 제조하는 동안에 가열처리에 의해서 발생한 MIM 장치의 비선형성 저하를 막도록 충분한 질소량을 취해야 한다. 또한, 아주 작은 소량의 질소를 함유한 소결된 TaN 타겟을 이 실시예에서 이용하여 퇴적된 Ta 박막의 Ta격자의 간격을 확대한다. 그러므로, 하부전극용 β-Ta 막을 이용하는 MIM 장치의 비선형성보다 우수하거나 우수한 이상인 2단자 비선형 소자의 비선형성을 얻는다.

이 실시예에서, 스퍼터링은 제23a 및 23b도에 나타낸 스퍼터링 장치에서 몇몇 조각의 TaN타겟을 이용하여 수행한다. 몇몇 조각들의 TaN 타겟을 이용하여서 이 Ta 박막이 퇴적된 위에 기판은 교대로 이 기판이 TaN 타겟(52)의 조각들에 마주하는 영역과 이 기판이 TaN 타겟(52)의 조각들에 마주하지 않는 영역을 가로지른다. 따라서, Ta 박막은 결핍부(소량의 질소를 포함)와 충만부(대량의 질소를 포함)가 교대로 유리 기판(36)의 측면에서 퇴적되는 제1실시예의 구조와 같은 동일한 구조를 가진다. Ta 박막의 양극산화에 의해 형성된 절연체는 어느 정도까지 그러한 구조를 가진다. 즉 절연체 역시 유리 기판에 교대로 퇴적된 결핍부와 충만부를 가진다. 이 절연체에 존재하는 충만부에 의해 MIM 장치의 비선형성은 열적으로 쉽게 안정될 수 있다; 그리고 이 절연체에 존재하는 결핍부에 의해 전류가 쉽게 흐를 수 있다. 또한, MIM 장치는 제8도(리액티브 스퍼터링이 3조각의 타겟을 사용하여 수행되는)에 도시된 바와 같이 전류-전압 특성에 대칭곡선을 만족한다.

제25a는 이 실시예의 Ta 박막의 면적저항에서 비평탄성을 나타낸다. Ta박막은 소결된 TaN 타겟에 포함된 질소량이 3mol% 이고 N가스 대(Ar + N)가스의 유량 속도비가 2%인 조건하에 형성된다. 제25b도는 Ta 박막이 대기의 Ar가스 중에 5mol%의 질소를 함유한 소결된 TaN 타겟을 이용한 스퍼터링에 의해 형성되는 제3비교예를 나타낸다. 제25c도 제25d도는 제4비교예 및 제5비교예를 각각 나타낸다. 제4비교예에 있어서, Ta 박막은 N가스의 유량 속도비가 2.9%인 대기의 (Ar + N)중에 99.99%의 순도를 가지는 Ta 타겟을 이용한 리액티브 스퍼터링에 의해 형성된다. 제5비교예에 있어서, N가스 대(Ar + N)가스의 유량 속도비가 4.3%인 것을 제외한 제4비교예 같은 동일한 방법으로 Ta 박막이 퇴적된다.

제25a~제25d도에서 이해된 바와 같이, 이 실시예에서 얻은 Ta 박막은 제3비교예, 4비교예 및 제5비교예에서의 Ta 박막과 비교될 때보다 그 이상의 균일한 면적 저항을 가진다. 이 실시예들에서 Ta 박막이 양극 산화되어 균일한 두께를 가지는 절연체가 형성된다. 따라서 MIM 장치의 비선형성의 비평탄성이 이 실시예에서 크게 감소된다.

제26도는 단위면적당 스퍼터링 파워와 전도성(lnA)의 계수 사이의 관계를 나타낸다. 제26도에서 이해된 바와 같이, lnA이 -32보다 더 작은 경우, 전류-전압 특성의 대칭곡선이 얻어지지 않고, MIM 장치의 특성 면에서 바람직하지 못하다. 따라서, 스퍼터링 파워가 4W/cm이상에서 설정된다. 그러나, lnA 이 너무 크게 될 경우, 스퍼터링 파워도 너무 크게 되어, 스퍼터링 장치가 손상되게 될 것이다. 이와는 반대로, 계수 B 가 이 실시예에서 MIM 장치의 비선형성을 나타내기 때문에 임계전압의 근처에서 더 큰 전압비(V/V) 는 B를 더 크게 설정하여 얻을 수 있어, 액정표시장치의 큰 콘트라스트가 실현될 수 있다.

표4는 이 실시예의 MIM장치의 비선형성 및 이 실시예의 MIM 장치를 이용한 액정표시장치의 콘트라스트비를 나타낸다. 이 실시예에 있어서, 대기의 (Ar + N)가스에서 소결된 TaN 타겟을 이용한 스퍼터링이 수행되어 Ta 박막을 형성한다. 또한, 제3-1 실시예에서, 인-라인 스퍼터링 장치가 스퍼터링 장치로서 이용되고; 그리고 실시예3-2에서 회전반송방식 스퍼터링 장치가 이용되었다. 제6비교예에서, 대기의 Ar 가스의 소결된 TaN 타겟을 이용한 스퍼터링이 수행되고, β-Ta 막을 형성하기 위한 대기의 Ar 가스에서 순수한 Ta 타겟을 이용한 스퍼터링이 수행된다.

표4에서 이해된 바와 같이, 이 실시예의 MIM 장치는 제6비교예~제9비교예보다 더 작은 전도성(lnA)을 가진다. 즉, 이 실시예의 MIM 장치는 작은 누설전류를 가진다. 또한, 이 실시예의 MIM 장치의 비선형성을 나타내는 계수 B의 값은 제9비교예의 MIM 장치에 가깝다. 따라서, 이 실시예의 MIM 장치는 β-Ta 막의 양극산화에 의해 얻어진 절연체를 포함하는 MIM 장치와 같은 좋은 비선형성을 가진다.

제27도는 실선에서 이 실시예의 MIM 장치를 이용한 액정표시장치의 콘트라스트비의 온도 의존을 나타낸다. 또한, 2점 쇄선, 파선 및 1점 쇄선은 제6실시예, 제7실시예 및 제8실시예의 MIM 장치의 콘트라스트비를 나타낸다. 제27도에서 이해된 바와 같이, 이 실시예의 콘트라스트비는 온도에 의한 나쁜 영향을 받지 않으므로 우수하다.

이 실시예에 있어서, 질소의 3mol%를 포함하는 소결된 TaN 타겟의 조각이 이용된다. 그러나, 소결된 TaN 타겟의 질소량이 3mol%로 제한되지 않는다. 소결된 TaN 타겟의 질소량이 5mol%이하가 바람직하고, 3mol% 이하인 것은 더 바람직하다. 또한, N가스는 N가스 대 (Ar + N)가스의 유량 속도비가 2%가 되도록 챔버 54로 도입된다. N가스의 유량 속도비가 4%이하가 바람직하고, 2%이하는 더 바람직하다.

이 실시예에 따라서, Ta 박막은 소결된 TaN 타겟과(Ar + N)가스에 포함된 질소를 이용하여 형성될 수 있다. 따라서, N가스의 유량 속도비가 조절될수 없는 범위에 N가스의 유량 속도비가 낮게 설정된다 할지라도, 충분한 질소량이 MIM 장치의 비선형성의 비평탄성을 저하시키도록 Ta 박막을 퇴적시킬 수 있다. 또한, 열처리에 의해 MIM 장치의 비선형성의 저하를 방지하는 질소량을 얻을 수 있다. 따라서, 비선형성이 더 균일하고 열적으로 더 안정한 MIM 장치를 확실하게 얻을 수 있다. 또한, 이 실시예에서 대기의 (Ar + N)가스에서 소결된 TaN 타겟을 이용하여 스퍼터링이 수행되기 때문에 퇴적된 Ta 박막의 Ta격자의 사이가 대기의 Ar 가스에서 소결된 TaN타겟을 이용하여 스퍼터링이 수행된 제2실시예와 비교되어 확대된다. 때문에, 전류는 Ta박막의 양극산화에 의해 형성된 절연체에서 쉽게 흐를 수 있다. 더욱, 온도와 관계없이 높은 콘트라스트비와 고품질을 가지는 디스플레이, 스위칭 소자로서 이 실시예의 MIM 장치를 이용한 액정장치를 얻을 수 있다.

[제4실시예]

본 발명의 제4실시예가 다음에 설명된다.

이 실시예에 있어서, 균일하고 열적으로 안정한 MIM 장치가 형성된다. 이 MIM 장치가 액정표시장치의 스위칭 소자로 이용된 경우, 디스플레이 상의 잔류화상의 발생을 방지할 수 있다.

제28도는 MIM 장치가 형성된 액티브 매트릭스 기판을 나타낸는 평면도이다. 제29도는 A-A'선에 따른 단면도이다. 제28도는 하나의 화소동안의 액티브 매트릭스 기판을 나타낸다.

제28도 및 제29도를 참조하여 액티브 매트릭스 기판의 구조를 다음에 설명한다. 액티브 매트릭스 기판은 유리 기판(66)을 포함한다. 베이스 피복 절연체(67)는 유리 기판(66)상에 거의 퇴적된다. 베이스 피복 절연체(67), 복수의 Ta 의 신호선(61) 및 이 신호선(61)에서 분기된 복수의 하부전극(62)이 형성된다. 신호선(61)상에 형성된 절연체(63) 및 하부전극(62) 그리고 Ta, Ti, Cr, Al 등등의 상부 전극(64)이 그 위에 형성된다. MIM 장치는 하나의 하부전극(62), 하나의 상부 전극(64) 그리고 그 사이에 삽입된 하나의 절연체(63)를 포함한다. 상부 전극(64)은 ITO투명 도전막등의 하나의 화소 전극(65)에 대응되도록 전기적으로 접속된다.

액티브 매트릭스 기판은 액정셀이 640 × 480 도트 및 0.3mm 피치를 가지는 리플렉티브 모노크룸 TN 액정 모드이고; 각 신호선(61)의 폭이 40㎛이고; MIM 장치의 크기가 6㎛ × 5㎛이고; MIM 장치의 용량 대 액정 용량이 약 1: 10인 조건하에서 제조된다.

우선, TaO의 베이스 피복 절연체(67)는 5000Å의 두께를 가지도록 스퍼터링에 의해 유리 기판(66)상에 퇴적된다. 무알칼리, 붕규산 유리 및 소다-라임 유리는 유리 기판(66)으로서 이용된다. 이 실시예에 있어서, #7059 퓨전 필렉스 유리(일본 코닝 사에 의해 제조됨)가 이용되었다. 또한, 베이스 피복 절연체(67)는 생략될 수 있다; 그러나, 이 베이스 피복 절연체(67)상에 형성된 박막들은 유리 기판(66)으로부터 오염되는 것을 방지할 수 있어 MIM형(이하, MIM 장치로 한다.)의 2단자 비선형 장치의 우수한 특성을 부가하여 얻을 수 있다.

계속해서, 3000Å~3500Å의 두께를 가지도록 리액티브 스퍼터링에 의해 유리 기판(66)상에 Ta 박막이 퇴적된다. 상기한 경우에 있어서, 순도 99.99%의 3조각의 Ta 타겟은 기판(66)이 반송된 방향으로 연속적으로 배향된다. 또한, 아르곤(Ar) 가스 및 질소(N)가스가 리액티브 가스로 이용되었다. N가스대 (Ar + N)가스의 유량 속도비는 스퍼터링 동안 2.2%, 2.9%, 3.6% 및 8.3%에서 설정된다. 또한, Ta박막의 결핍부(소량의 질소를 포함)와 충만부(대량의 질소를 포함)의 두께는 3조각의 Ta 타겟 사이의 간격들과 스퍼터링 파워및 유리 기판(66)의 반송속도와 같은 스퍼터링의 조건을 변화시킬 수 있다. 이 실시예에 있어서, 스퍼터링은 각 타겟이 5inches × 16inches 의 크기를 가지고; 타겟의 조각사이의 간격들이 10cm이고; 스퍼터링 파워가 3.5KW~4.5KW(전류 : 8.5A, 전압 : 410V~530V), 기판의 반송속도가 460mm/min이고; 기판을 가열하는 동안의 온도는 100℃인 조건하에서 수행된다.

다음, 퇴적된 Ta 박막은 신호선(61) 및 하부전극(62)을 형성하기 위해 포토리소그라피에 의해 소망하는 형태로 패턴된다. 그 다음, 외부 구동 회로에 접속된 것의 단자부를 포함하는 신호선(61) 및 하부전극(62)의 각 노출된 부분은 암모늄 주석산염의 1wt%에서 양극산화하여 양극산화막을 형성한다. 이 실시예에 있어서, 양극산화는 전해질 즉, 암모늄 주석산염의 1wt%의 온도, 전압 및 전류 각각은 대략적으로 25℃, 27V, 및 0.7mA인 조건하에 수행되어 600Å의 두께를 갖는 TaO의 양극산화막을 얻는다.

전해질의 예들은 암모늄 주석산염뿐만 아니라 구연산, 암모늄 붕산염을 포함한다. 표5는 이 전해질을 이용한 양극산화에 의해 형성된 절연체를 가지는 MIM 장치의 전류-전압 특성의 대칭 곡선을 나타낸다. 표5에서 이해된 바와 같이, 암모늄기 즉, 암모늄 붕산염 또는 암모늄 주석산염을 포함하는 용액에 형성된 양극산화막을 가지는 MIM 장치는 우수한 전류-전압 특성 곡선을 가진다. 가장 좋은 전류-전압 특성 곡선은 제1~3예에 적용된 암모늄 주석산염의 1wt% 을 이용하여 얻을 수 있다.

다음, 금속 박막이 양극 산화막을 포함하는 유리 기판(66) 상에 퇴적된 다음 상부 전극(64)을 형성하기 위하여 패턴된다. 상부 전극(64)에 대한 예들의 물질은 Ta, Ti, Cr 및 Al을 포함한다. 이 실시예에 있어서, Ti 박막은 4000Å의 두께를 가지도록 스퍼터링된 다음 상부 전극(64)을 형성하기 위하여 소망하는 형태로 포토리소그라피에 의해 패턴된다. 상부 전극(64) 각각은 20㎛의 길이와 6㎛의 폭을 가지는 직사각형의 형태를 가진다. 이 방법에 있어서, 하나의 하부전극(62), 하나의 상부전극(64)그리고 사이에 삽입된 절연체인 양극산화막(63)을 포함하는 MIM 장치가 형성된다.

또한, IlTO 투명전도성막은 이 유리 기판(66)상에 퇴적한 다음 화소전극(65)을 형성하기 위해 패턴된다. 이 방법에 있어서, 액티브 메트릭스 기판이 형성된다. 액티브 매드릭스 기판은 액정셀을 구성하는 대향기판에 접착된다. 이 대향기판 역시 투명전도성막의 복수의 스트립들이 신호선(61)을 가로지르는 각각의 스트립들이 직각의 액티브 메트릭스 기판상에 형성되도록 형성된 기판을 포함한다. 투명전도성막의 스트립들은 대향전극과 같은 역할을 한다. 이 실시예에 있어서, 1000Å의 두께를 가진 스트립들은 0.3mm피치에 형성된다. 또한, 컬러필터층이 대향기판상에 형성되면 컬러를 표시하는 액정표시장치 용량을 얻을 수 있다.

상술한 셀은 다음과 같이 제조한다.

우선, 배향막은 약 200℃의 온도에서 각각의 액티브 매드릭스 기판과 대향기판의 표면상에 퇴적된다. 그 다음, 배향막을 가진 기판들 모두는 액정정렬을 얻기 위해 소정의 배열된 방향으로 러빙처리 된다.

다음, 하나의 기판과 스페이서 상에 피복된 밀봉제는 다른 기판 상에 균일하게 분산된다. 이 실시예에 있어서 열경화제는 밀봉제로서 이용되었다. 이 결과로 생긴 기판들은 배선을 갖는 각 표면들이 상호 직면하도록 상호 접착된 다음 기판들이 압축되는 동안 밀봉제를 경화시키기 위하여 약 150℃~200℃의 온도에서 가열된다. 이 기판들과 이 결과로 생긴 기판들 사이에 주입된 액정이 밀봉된다. 이 기판들은 액정분자가 하나의 기판에서 다른 기판까지 90°뒤틀리도록 정렬된다. 이러한 방식으로, 액정셀이 제조된다.

44.5%의 투과율과 96.5%의 편광도를 가지는 투과하는 편광기는 액정 셀의 앞면위에 제공되고; 그리고 투과 편광기와 같은 동일한 편광기상의 Al 반사판에 제공하는 것에 의해 얻어진 반사 편광기는 그것의 뒷면 상에 제공되어, 액정 표시장치가 제조된다.

제30도는 이 방법과 동일하게 대기의 (Ar + N) 가스에서 리액티브 스퍼터링에 의해 형성된 Ta 박막의 비저항과 N가스의 유량 속도비 사이의 관계를 나타내는 도면이다. 또한, 제30도는 Ta 박막을 이용하여 얻어진 MIM 장치를 이용한 액정 셀의 광효율과 Ta 박막의 비저항사이의 관계를 나타낸다. 제30도에서 이해도는 바와 같이, 잔류화상은 Ta 박막의 비저항이 90μΩcm 이하(이 경우에 있어서, 면적 저항이 2.73Ω/?이하)인 경우 MIM장치를 이용한 액정표시장치의 디스플레이 상에 발생한다. 또한, MIM 장치의 비선형성은 비저항이 165μΩcm 이상(고유 저항;5.00Ω/?이상)에서 설정되는 경우 가열하여 저하된다. 제30도의 파선에 의해 나타난 바와 같이, MIM 장치의 안정한 비선형성은 비저항이 105μΩcm ~150μΩcm(비저항 ; 3.18Ω/?~4.55Ω/?의 범위에서)인 경우, 얻을 수 있다. 따라서, 가열에 의해 발생한 비선형성의 저하와 잔류화상의 발생은 90μΩcm ~165μΩcm범위(면적 저항 ; 2.73Ω/?~5.00Ω/?의 범위)의 비저항을 설정하여 방지할 수 있고, 105μΩcm ~150μΩcm의 범위(면적 저항 : 3.18Ω/?~4.55Ω/?의 범위)에서 더 바람직하다. 또한, N가스~(Ar + N)가스의 유량 속도비가 8.3%인 경우에 있어서, Ta 박막의 비저항은 약 82.5μΩcm(면적 저항 ; 2.48Ω/?)가 된다. 이 경우에 있어서, 디스플레이 상의 잔류화상의 발생이 자주 관측된다.

이 실시예에 있어서, Ta 박막은 신호선(61) 및 하부전극(62)을 형성하기 위해 순도 99.99%의 3조각의 타겟을 이용한 스퍼터링에 의해 퇴적된다; 그러나, Ta 박막은 소결된 TaN 타겟을 이용한 스퍼터링에 의해 퇴적된다. 이하, Ta 박막이 소결된 TaN 타겟을 이용하여 퇴적된 이 실시예의 변형예가 다음에서 설명된다.

변형된 실시예의 액티브 매트릭스 기판이 다음과 같이 제조된다.

우선, 베이스 피복 절연체(67)는 유리 기판(66)상에 퇴적되고, Ta 박막은 3000Å~3500Å 범위의 두께를 가지도록 그 위에 퇴적된다. 이 경우에 있어서, 3mol%, 5mol%, 7mol% 및 15mol%의 질소를 포함하는 소결된 TaN 이 스퍼터링 타겟으로서 이용되었다. Ar 가스만이 스퍼터링 가스로서 이용되었다. 가스 압력, DC 파워(각 타겟의 단위면적당 스퍼터링 파워), 온도 및 기판을 가열하는 시간, 기판의 반송속도, 그리고 기판과 타겟 사이의 각 간격이 0.4Pa, 5.3W/cm, 100℃ 180초, 100mm/min 및 77mm인 조건하에서 인-라인 스퍼터링 장치에 스퍼터링이 수행된다. 이 경우에 있어서, 스퍼터링율은 약 300Å/min~600Å/min이다.

제31도는 Ta 박막의 비저항과 소결된 TaN타겟에 포함된 질소량 사이의 관계와 더불어 Ta 박막을 이용하여 얻어진 MIM 장치를 이용한 액정표시장치의 광효율을 나타낸다. 소결된 TaN 에서 질소량은 0mol%, 3mol%, 7mol% 및 15mol%에서 변화한다.

제31도에서 이해되는 바와 같이, Ta 박막의 비저항이 70μΩcm 이하( 면적 저항 ; 2.12Ω/?이하)에서 설정되는 경우에 액정표시장치의 디스플레이 상에 잔류화상이 발생한다. 또한, 비저항이 인 경우165μΩcm 이상(고유 저항;5.00Ω/?이상)에서 설정되는 경우 가열하여 발생한 MIM 장치의 비선형성이 저하된다. 제30도의 파선에 의해 나타난 바와 같이, 비저항이 85μΩcm ~150μΩcm(비저항 ; 2.58Ω/?~4.55Ω/?의 범위)의 범위에서 설정되는 경우 MIM 장치의 안전한 비선형성을 얻을 수 있다. 따라서, 가열에 의한 비선형성의 저하와 잔류화상의 발생은 70μΩcm ~165μΩcm(면적 저항 ; 2.12Ω/?~5.00Ω/?의 범위)의 범위에서 비저항을 설정하여 방지할 수 있으며, 85μΩcm ~165μΩcm(면적 저항 : 2.58Ω/?~4.55Ω/?)의 범위에서는 더 바람직하다.

제30도 및 제31도에서 이해되는 바와 같이, 잔류화상의 발생에 의한 Ta 박막의 비저항과 가열에 의한 MIM 장치의 비선형성의 저하는 리액티브 스퍼터링이 N가스를 이용하여 수행된 경우와 스퍼터링이 소결된 TaN 타겟을 이용하여 수행 경우사이에 약간의 차이가 나타난다. 이것은 퇴적된 Ta 박막의 Ta격자의 사이의 간격들과 스퍼터링 조건이 2형의 스퍼터링의 사이에 약간의 차이가 나기 때문이다.

이 실시예와 변형된 실시예에 있어서, 하부전극은 N가스를 이용한 리액티브 스퍼터링 또는 소결된 TaN 타겟을 이용한 스퍼터링에 의해 형성된다; 그러나 Ta 박막은 대기의 (Ar + N)가스에서 소결된 TaN 타겟을 이용한 리액티브 스퍼터링에 의해 형성될 수 있다.

제32도는 N가스 대 (Ar + N)가스의 유량 속도비와 대기의 (Ar + N)가스에 소결된 TaN 타겟을 이용한 리액티브 스퍼터링에 의해 얻어진 Ta박막의 비저항사이의 관계를 나타낸다. 소결된 TaN에 포함된 질소량은 3mol% 및 5mol%에서 변한다. 제33도는 소결된 TaN에 함유된 질소량과 이 제 32도와 같은 동일한 방식으로 형성된 Ta 박막의 비저항사이의 관계를 나타낸다. 이 제33도의 경우에 있어서, N가스 대 (Ar + N)가스의 유량 속도비가 2% 및 4%에서 설정된다. 또한, 제32도 및 제33도는 Ta 박막을 이용하여 얻어진 MIM 장치를 이용한 액정표시장치의 광효율을 나타낸다.

제32도 및 제33도에서 이해된 바와 같이, 대기의 (Ar + N) 가스에서 소결된 TaN을 이용한 리액티브 스퍼터링에 의한 Ta 박막을 형성하는 경우에 있어서, Ta 박막의 비저항이 MIM 장치의 비선형성의 저하와 잔류화상의 발생을 방지하도록 80μΩcm ~165μΩcm(면적 저항 ; 2.42Ω/?~5.00Ω/?)의 범위에 설정되는 것이 바람직하다. 또한, MIM 장치의 더 안전한 비선형성은 95μΩcm ~150μΩcm(면적 저항 ; 2.88Ω/?~4.55Ω/?)의 범위의 고유 저항을 설정하여 얻을 수 있다.

이 실시예에 따라서, 2단자 비선형 장치를 구성하는 하부전극의 비저항이 이 범위에 설정되고, 잔류화상의 발생은 2단자 비선형장치를 이용한 액정표시장치에서 방지될 수 있다. 또한, 2단자 비선형장치의 비선형성의 저하는 열적으로 방지될 수 있다.

또한, 이 실시예의 Ta 박막이 제1실시예에서 같이 순도 99.99%의 3조각의 TaN 타겟을 이용한 어떤 하나의 리액티브 스퍼터링들, 제2실시예에서 소결된 TaN 타겟을 이용한 스퍼터링과 제3실시예에서 대기의 (Ar + N) 가스에서 TaN 타겟을 이용한 리액티브 스퍼터링에 의해 형성되었기 때문에 제1~3실시예에서 언급한 바와 같이 균일한 Ta 박막을 얻을 수 있다. 따라서, Ta 박막의 양극산화에 의해 형성된 절연체의 두께 또한 균일하여 2단자 비선형 장치 사이의 비평탄성이 크게 저하된다. 더욱, 우수한 전류-전압 특성의 대칭 곡선은 암모늄 주석산염의 1wt% 의 양극산화에 의해 얻을 수 있다. MIM 장치를 포함하는 액정표시장치에 있어서, 높은 콘트라스트비와 고품질의 디스플레이는 콘트라스트비의 온도에 의존하지 않고 얻을 수 있다.

또한, 이 실시예에 있어서, 크립톤 가스가 Ar 가스 대신에 스퍼터링 동안 이용되었다. 이 경우에 있어서도, 동일한 효과를 얻을 수 있다.

상기에서 언급한 바와 같이, 본 발명에 따라서 2단자 비선형장치의 하부전극은 Ta 결핍부(소량의 질소를 포함)와 Ta 충만부(대량의 질소를 포함)가 교대로 퇴적되는 구조를 가진다. Ta결핍부의 구조는 β-Ta 박막과 가깝고 Ta 충만부의 구조는 TaN 막과 가깝다. 따라서, 그러한 Ta 박막의 양극산화에 의해 얻어진 절연체를 포함하는 MIM 장치는 β-Ta 박막의 양극산화에 의해 얻어진 절연체를 포함하는 MIM 장치만큼 우수한 비선형성을 가진다. 또한, 질소가 Ta 박막을 취하여 MIM 장치의 비선형성이 열적으로 안정하게 된다. 이러한 Ta 박막은 N가스를 이용한 리액티브 스퍼터링과 연속적으로 정렬된 복수 조각의 타겟(실질적으로 3또는 4조각의 타겟)에 의해 얻을 수 있다.

또한, 이 제2실시예에서 언급한 바와 같이 Ta 박막이 4mol%~7mol%의 범위의 질소량을 함유하는 소결된 TaN을 이용한 스퍼터링에 의해 얻을 수 있어, β-Ta 막들과 α-Ta막들이 서로 공존하는 구조를 Ta박막이 가지게 된다. 따라서, Ta 박막의 양극산화에 의해 얻어진 절연체를 포함하는 MIM장치는 우수하고 열적으로 안정한 비선형성을 가진다. Ta 박막이 질소를 포함하기 때문에 Ta 박막의 구조는 균일하고 우수하다. Ta 박막이 -32~-28의 범위의 저항 계수(lnA)에 의해 형성되는 경우, 스퍼터링율은 보통보다 크게 1.3~1.9타임이 된다. 결과적으로, Ta박막이 균일하고 우수한 구조를 가진다 할지라도, Ta 격자의 간격이 크게 되어 전류가 쉽게 흐른다.

Ta 박막을 소결된 TaN 타겟과 N가스를 이용한 이 2개의 스퍼터링 방법들의 조합에 의해서 형성한 경우, 비록 소결된 TaN 에 함유된 질소량이 감소한다 할지라도, 안정한 비선형성을 얻는데 충분한 질소량이 이 Ta 박막에 포함된다. 이로 인하여, 이 Ta 박막의 구조에 있어 Ta격자의 간격이 확대되어, 전류가 더욱 용이하게 흐른다. 또한, N가스의 유량 속도비는 정밀하게 조정되어 균일한 Ta박막을 얻을 수 있다.

게다가, 이 Ta박막의 비저항을 상기한 범위로 설정할 때, MIM 장치의 비선형성의 저하 및 잔류화상의 발생을 방지 할 수 있다.

더더욱, 전류-전압 특성의 더 큰 대칭곡선은 암모늄기를 함유한 용액에서 양극산화에 의해 얻는다.

제1실시예, 제3실시예 및 제4실시예에 있어서, 타겟의 3조각이 이용되었다. 타겟의 조각수가 3개로 제한되지 않는 것을 알 수 있다. 둘 이상의 타겟 조가들이 이용되는 한, 제1실시예, 제3실시예 및 제4실시예에서와 같은 동일 한 효과를 얻을 수 있다.

다양한 다른 변형이 명백할 것이며 본 발명의 범위 및 사상에 벗어나지 않고 기술에 숙련된 사람들에 의해 쉽게 이루어질 수 있다. 따라서, 다음에 첨부되는 청구항들의 범위가 상기에 설명한 바와 같은 설명에 제한되지 않으며, 청구항들이 폭넓게 해석되기를 바란다.

Claims

기판 상에 형성되어 있고 질소로 도핑된 Ta 박막의 하부전극; 상기 하부전극의 표면을 양극산화하여 형성된 양득산화막; 및 상기 양극산화막 상에 형성된 금속박막의 상부전극을 구비하는 2단자 비선형 소자에 있어서, 상기 Ta 박막이 제1부분과 제2부분이 교호적으로 형성된 구조를 포함하고; 상기 제1부분은 상기 제2부분에 함유된 질소의 양과 상이한 양의 질소를 함유하는 것을 특징으로 하는 2단자 비선형 소자.
제1항에 있어서, 상기 제1부분과 상기 제2부분은 상기 Ta 박막의 두께 방향으로 교호적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 2단자 비선형 소자.
제1항에 있어서, 상기 제1부분에 있어서의¹⁸¹Ta⁺에 대한¹⁴N⁺의 2차 이온강도비의 피크값과 상기 제2부분에 있어서의¹⁸¹Ta⁺에 대한¹⁴N⁺의 2차 이온강도비의 피크값의 비가 실질적으로 1:1.54~1:1.71의 범위 내인 것을 특징으로하는 2단자 비선형 소자.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 Ta 박막의(110)의 x선 회절의 강도 대 (002)의 x선 회절의 강도의 비가 실질적으로 1:0.248인 것을 특징으로 하는 2단자 비선형 소자.
제1항에 있어서, 상기 Ta박막은 99.99%순도를 갖는 두 개 이상의 Ta 타겟을 이용하여 아르곤 가스와 질소가스의 혼합가스 속에서 리액티브 방식의 스퍼터링 법에 의해 형성되고; 상기 혼합가스의 유량에 대한 상기 질소가스의 유량의 비는 실제적으로 3%~7%이며, 상기 두 개 이상의 Ta 타겟은 상기 기판이 반송되는 방향에 직렬로 배열되는 것을 특징으로 하는 2단자 비선형 소자.
제1항에 있어서, 상기 Ta 박막의 비저항이 실제적으로 90μΩcm~165μΩcm의 범위 내인 것을 특징으로 하는 2단자 비선형 소자.
제6항에 있어서, 상기 Ta 박막의 비저항이 실제적으로 105μΩcm~150μΩcm의 범위 내인 것을 특징으로 하는 2단자 비선형 소자.
제1항에 있어서, 상기 Ta 박막이 두 개 이상의 소결된 TaN 타겟을 이용하여 아르곤 가스와 질소가스의 혼합가스 중에 스퍼터링 의해 형성되고; 상기 혼합가스의 유량에 대한 상기 질소가스의 유량의 비가 실제적으로 4%이하이며, 상기 두 개 이상의 소결된 TaN 타겟은 상기 기판이 반송되는 방향에 직렬로 배열되는 것을 특징으로 하는 2단자 비선형 소자.
제8항에 있어서, 상기 두 개 이상의 소결된 TaN 타겟 각각이 5mol%이하의 양으로 질소를 함유하는 것을 특징으로 하는 2단자 비선형 소자.
제8항에 있어서, 상기 Ta박막이 상기 소결된 TaN 타겟의 단위면적당 4W/㎠의 스퍼터링 파워로 형성된 2단자 비선형 소자.
제8항에 있어서, 상기 Ta박막의 실제적으로 80μΩcm~165μΩcm의 범위 내인 것을 특징으로 하는 2단자 비선형 소자.
제11항에 있어서, 상기 Ta 박막의 비저항이 실제적으로 95μΩcm~150μΩcm의 범위 내인 것을 특징으로 하는 2단자 비선형 소자.
기판 상에 형성되고 질소로 도핑된 Ta 박막의 하부전극; 상기 하부전극의 표면을 양극산화하여 형성된 양극산화막; 및 상기 양극산화막 상에 형성된 금속박막의 상부전극을 구비하며, 상기 질소로 도핑된 Ta박막이 4mol%~7mol%의 질소를 함유한 소결된 TaN 타겟을 이용하여 스퍼터링 의해 형성된 것을 특징으로 하는 2단자 비선형 소자.
제13항에 있어서, 상기 질소로 도핑된 Ta 박막이 소정의 스퍼터링 파워에서 DC 스퍼터링 의해 상기 하부전극과 상기 상부전극 사이에서 흐르는 풀-프렌켈 전류로 표현되는 저항 계수 lnA가 실제로 -32~-28의 범위로 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 2단자 비선형 소자.
제14항에 있어서, 상기 질소로 도핑된 Ta박막이, 스퍼터링 파워를 2.2KW~3.2KW 의 범위로, 상기 기판의 가열온도를 100℃로, 상기 기판의 가열시간을 180초로, 상기 기판의 반송속도를 100mm/min 으로, 상기 기판과 상기 소결된 TaN 타겟 사이의 거리를 77mm로, 스퍼터링 가스압을 0.40pa로 하는 조건하에서 형성되는 것을 특징으로하는 2단자 비선형 소자.
제13항에 있어서, 상기 Ta 박막의 비저항이 실제적으로 70μΩcm~165μΩcm의 범위 내인 것을 특징으로 하는 2단자 비선형 소자.
제16항에 있어서,상기 Ta 박막의 비저항이 실제적으로 85μΩcm~150μΩcm의 범위 내인 것을 특징으로 하는 2단자 비선형 소자.
하부전극과, 절연막과, 상부전극을 구비한 2단자 비선형 소자의 제작방법에 있어서, 기판상에 상기 하부전극을 형성하는 공정; 상기 하부전극을 양극산화하여 양극산화막을 형성하는 공정; 및 상기 양극산화막 상에 상기 상부전극을 형성하는 공정을 포함하고, 상기 하부전극을 형성하는 상기 공정이, 상기 기판을 소정의 방향으로 반송하면서 두 개 이상의 Ta 의 타겟을 이용하여 아르곤 가스와 질소가스의 혼합가스 속에서 리액티브 스퍼터링 의해 질소로 도핑된 Ta박막을 형성하되, 상기 두 개 이상의 Ta 타겟은 상기 기판이 반송되는 방향에 직렬로 배치되는 단계; 및 상기 Ta 박막을 소정의 형상으로 패터닝하여 상기 하부전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2단자 비선형 소자의 제작방법.
제18항에 있어서, 상기 Ta의 타겟은 99.99% 순도의 타겟이고; 상기 혼합가스의 유량에 대한 질소가스의 유량의 비는 3%~7%의 범위내인 것을 특징으로 하는 2단자 비선형 소자의 제작방법.
제18항에 있어서, 상기 Ta 의 타겟은 소결된 TaN 타겟이고; 상기 혼합가스의 유량에 대한 질소가스의 유량의 비는 실제적으로 4%이하인 것을 특징으로 하는 2단자 비선형 소자의 제작방법.
제20항에 있어서,상기 소결된 TaN 타겟에 함유된 질소의 양이 5mol% 이하인 것을 특징으로 하는 2단자 비선형 소자의 제작방법.
제21항에 있어서, 상기 Ta 박막이 상기 소결된 TaN 타겟의 단위면적당 4W/㎠의 스퍼터링 파워에서 형성되는 것을 특징으로 하는 2단자 비선형 소자의 제작방법.
제18항에 있어서, 상기 Ta 박막이 인-라인 스퍼터링 장치를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 2단자 비선형 소자의 제작방법.
제18항에 있어서, 상기 Ta 박막이 회전반송방식 스퍼터링 장치를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 2단자 비선형 소자의 제작방법.
제18항에 있어서, 상기 양극산화막을 형성하는 공정이 암모늄기를 함유하는 용액 속에서 수행되는 것을 특징으로 하는 2단자 비선형 소자의 제작방법.
하부전극과, 절연막과, 상부전극을 구비한 2단자 비선형 소자의 제작방법에 있어서, 기판 상에 하부전극을 형성하는 공정; 상기 하부전극을 양극산화하여 양극산화막을 형성하는 공정; 및 상기 양극산화막에 상에 상기 상부전극을 형성하는 공정을 포함하고, 상기 하부전극을 형성하는 상기 공정이, 상기 기판을 반송하면서 실제적으로, 4mol%~7mol%의 범위의 양으로 질소를 함유한 소결된 TaN의 타겟을 이용하여 스퍼터링 의해 상기 기판 상에 질소로 도핑된 Ta 박막을 형성하는 단계; 및 상기 Ta 박막을 소정의 형상으로 패터닝하여 상기 하부전극을 형성하는 단계를 포함하는 2단자 비선형 소자의 제작방법.
제26항에 있어서, 상기 Ta 박막을 형성하는 단계가, DC 스퍼터링 의해서 상기 상부전극과 상기 하부전극 사이에서 풀-프렌켈 전류로 표현되는 저항계수 lnA 가 실제적으로 -32~-28의 범위 내가 되도록 하는 스퍼터링 파워에서 수행되는 것을 특징으로 하는 2단자 비선형 소자의 제작방법.
제27항에 있어서, 상기 Ta 박막을 형성하는 단계가, 스퍼터링 파워를 2.2KW~3.2KW의 범위로, 상기 기판의 가열온도를 100℃로, 상기 기판의 가열시간을 180초로, 상기 기판의 반송속도를 100mm/min으로, 상기 기판과 상기 소결된 TaN 타겟 사이의 거리를 77mm로, 스퍼터링 가스압을 0.40pa로 하는 조건하에서 형성되는 것을 특징으로 하는 2단자 비선형 소자의 제작방법.