KR101616368B1 - 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법은 비정질 아연 산화물(ZnO)계 반도체를 액티브층으로 사용한 박막 트랜지스터에 있어서, 코플라나(coplanar) 구조를 적용하는 동시에 산화물의 전도성을 조절하여 엘디디(Lightly Doped Drain; LDD)영역을 형성함으로써 소자의 신뢰성을 확보하는 효과를 제공한다. 또한, 이온주입공정 없이 상기의 엘디디영역을 형성함에 따라 공정을 단순화하는 동시에 상기 이온주입공정에 따른 문제점을 방지하는 효과를 제공한다.
산화물 박막 트랜지스터, 비정질 아연 산화물계, 코플라나, 엘디디영역
Description
본 발명은 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비정질 아연 산화물계 반도체를 액티브층으로 사용한 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 코플라나 구조의 산화물 박막 트랜지스터에 있어서, 산화물의 전도성을 조절하여 엘디디(Lightly Doped Drain; LDD)영역을 형성함으로써 소자의 신뢰성을 확보하는 동시에 제조공정을 단순화하도록 한 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 데스크 탑 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 소자였지만, 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 비정질 아연 산화물계 반도체를 이용하여 액티브층을 형성함에 따라 높은 이동도와 정전류 테스트 조건을 만족하는 한편 균일한 특성이 확보되어 대면적 디스플레이에 적용 가능한 장점을 가지고 있다.
한편, 종래의 다결정 실리콘 박막 트랜지스터는 고 신뢰성을 목적으로 엘디디 구조를 적용할 때 이온주입을 이용하여 액티브층의 저항을 조절하였는데, 액티브층에 엘디디영역을 정의하기 위해 추가적인 마스크 또는 사이드 월(sidewall) 구조를 적용하여야 하는 한편 이온주입의 추가적인 공정이 필요한 단점이 있다.
또한, 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 경우, 입계(粒界)의 존재로 인해 소자의 불안정성은 엘디디 구조를 적용하더라도 불균일의 문제를 가지고 있다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 비정질 아연 산화물계 반도체를 액티브층으로 사용한 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 코플라나 구조를 적용하는 동시에 산화물의 전도성을 조절하여 엘디디영역을 형성함으로써 소자의 신뢰성을 확보하도록 한 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 이온주입공정 없이 상기의 엘디디영역을 형성함에 따라 공정을 단순화하는 동시에 상기 이온주입공정에 따른 문제점을 방지하도록 한 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기의 코플라나 구조의 산화물 박막 트랜지스터를 3~4번의 마스크공정으로 제작하도록 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 절연막과 도전막을 선택적으로 식각하여 액티브층 위에 게이트절연막과 게이트전극을 형성하되, 산소 플라즈마 처리로 상기 절연막을 식각 할 때 상기 절연막이 제거되어 노출된 액티브층의 소정영역에 상기 산소 플라즈마 처리를 하여 n- 영역을 형성하는 단계와, 상기 게이트전극과 상기 게이트절연막 측면에 사이드 월을 형성하는 단계 및 표면 처리 또는 열처리를 하여 상기 게이트전극과 상기 사이드 월에 의해 가려지지 않고 노출된 액티브층의 소정영역에 n+ 영역을 형성하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법은 상기 사이드 월이 형성된 상기 기판 위에 보호막을 형성하는 단계와, 상기 보호막의 일부 영역을 선택적으로 식각하여 상기 액티브층의 일부를 노출시키는 제 1, 제 2 콘택홀을 형성하는 단계 및 상기 제 1, 제 2 콘택홀을 통해 상기 액티브층과 전기적으로 접속하는 소오스/드레인전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법은 상기 사이드 월이 형성된 상기 기판 위에 보호막을 형성하는 단계와, 상기 보호막의 일부 영역을 선택적으로 식각하여 상기 액티브층의 일부를 노출시키는 제 1, 제 2 콘택홀을 형성하는 단계 및 상기 제 1, 제 2 콘택홀을 통해 상기 액티브층과 전기적으로 접속하는 소오스/드레인전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법은 비정질 아연 산화물계 반도체를 액티브층으로 사용함에 따라 균일도가 우수하여 대면적 디스플레이에 적용 가능한 효과를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법은 코플라나 구조를 적용함에 따라 소오스/드레인전극 식각시 산화물 반도체에 손상을 주지 않아 우수한 소자특성을 확보할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법은 상기의 코플라나 구조를 적용하는 동시에 산화물의 전도성을 조절하여 엘디디영역을 형성함으로써 소자의 신뢰성을 확보하는 한편, 이온주입공정 없이 상기의 엘디디영역을 형성함에 따라 공정을 단순화하는 동시에 상기 이온주입공정에 따른 문제점을 원천적으로 방지할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법은 고성능의 박막 트랜지스터를 최소한의 마스크공정을 통해 형성함으로써 제조공정 및 비용을 절감시키는 효과를 제공하는 한편, 다양한 구조의 소자에 적용 가능한 이점을 제공한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도로써, 비정질 아연 산화물계 반도체를 액티브층으로 사용한 산화물 박막 트랜지스터의 구조를 개략적으로 나타내고 있다.
이때, 상기 본 발명의 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터는 액티브층 상부에 게이트전극과 소오스/드레인전극이 위치하는 코플라나 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터는 소정의 기판(110) 위에 형성된 버퍼층(미도시), 상기 버퍼층 위에 비정질 아연 산화물계 반도체로 형성된 액티브층(124), 게이트절연막(115a)을 사이에 두고 상기 액티브층(124) 상부에 형성된 게이트전극(121), 상기 게이트전극(121) 위에 형성되며 상기 액티브층(124)의 소오스/드레인영역(124a, 124b)을 노출시키는 보호막(115b) 및 상기 노출된 액티브층(124)의 소오스/드레인영역(124a, 124b)과 전기적으로 접속하는 소오스/드레인전극(122, 123)으로 이루어져 있다.
또한, 상기 본 발명의 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터는 상기 게이트절연막(115a)의 측면에 형성되어 그 하부의 액티브층(124)에 엘디디영역(124')을 정의하는 사이드 월(125)을 포함한다.
여기서, 도면부호 124c는 그 상부의 게이트전극(121)에 의해 정의되어 상기 소오스영역(124a)과 드레인영역(124b) 사이에 전도채널을 형성하는 채널영역을 의미하며, 도면부호 124"은 산화물 반도체의 전도성이 상기 엘디디영역(124')과 소오스/드레인영역(124a, 124b) 사이를 가지는 n+영역을 의미한다.
이때, 상기 본 발명의 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 액티브층으로 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 액티브층으로 적용한 산화물 박막 트랜지스터는 높은 이동도를 가지는 한편 저온에서 제작이 가능함에 따라 상기 투명 전자회로에 사용될 수 있는 장점이 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터는 상기 ZnO에 인 듐(indium; In)과 갈륨(gallium; Ga)과 같은 중금속이 함유된 a-IGZO 반도체로 액티브층을 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 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터는 액티브층 상부에 게이트전극과 소오스/드레인전극이 위치하는 코플라나 구조를 적용함에 따라 소오스/드레인전극 식각시 산화물 반도체의 채널영역에 손상을 주지 않아 우수한 소자특성을 확보할 수 있는 특징을 가진다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터는 상기의 코플라나 구조를 적용하는 동시에 산화물 반도체의 전도성을 조절하여 엘디디영역을 형성함 으로써 소자의 신뢰성을 확보하는 한편, 이온주입공정 없이 상기의 엘디디영역을 형성함에 따라 공정을 단순화하는 동시에 상기 이온주입공정에 따른 문제점을 원천적으로 방지할 수 있는 특징을 가진다. 즉, 산화물 반도체를 적용하여 산화물 박막 트랜지스터를 제작하는 경우, 산화물 반도체의 저항 특성은 산소농도에 의해서 조절이 가능하므로 게이트절연막을 식각하는 과정에서 산소 플라즈마 처리를 통해 액티브층에 엘디디영역을 형성할 수 있게 된다. 또한, 사이드 월을 형성한 후 산소 플라즈마와 같은 표면처리 또는 열처리를 통해 액티브층의 저항을 감소시킬 수 있으며, 추가로 보호막에 콘택홀을 형성할 때 표면처리 또는 열처리를 통해 저항이 감소된 소오스/드레인영역을 형성할 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터는 이온주입공정 없이 상기의 엘디디영역을 형성함에 따라 공정을 단순화하는 동시에 상기 이온주입공정에 따른 문제점을 원천적으로 방지할 수 있는 한편, 고성능의 박막 트랜지스터를 최소한의 마스크공정을 통해 형성함으로써 제조공정 및 비용을 절감시킬 수 있게 되는데, 이를 다음의 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법을 통해 상세히 설명한다.
도 3a 내지 도 3e는 상기 도 2에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 제조공정을 순차적으로 나타내는 단면도이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 투명한 절연물질로 이루어진 기판(110) 위에 소정의 산화물 반도체를 증착한 후, 포토리소그래피공정(제 1 마스크공정)을 통해 선택적으로 패터닝하여 상기 기판(110) 위에 상기 산화물 반도체로 이루어진 액티브 층(124)을 형성한다.
이때, 도면에 도시하지 않았지만, 상기 산화물 반도체를 증착하기 전에 상기 기판(110) 위에 버퍼층을 형성할 수도 있다.
여기서, 상기 버퍼층은 상기 기판(110) 내에 존재하는 나트륨(natrium; Na) 등의 불순물이 공정 중에 상부층으로 침투하는 것을 차단하는 역할을 하는데, 본 발명의 경우에는 산화물 반도체를 이용하여 액티브층(124)을 형성함에 따라 상기의 버퍼층을 제거할 수 있다.
상기 산화물 반도체는 비정질 아연 산화물계 반도체를 포함하며, 이때 상기 비정질 아연 산화물계 복합 반도체, 특히 a-IGZO 반도체는 갈륨산화물(Ga2O3), 인듐산화물(In2O3) 및 아연산화물(ZnO)의 복합체 타겟을 이용하여 스퍼터링(sputtering) 방법에 의해 형성될 수 있으며, 이외에도 화학기상증착이나 원자증착(Atomic Layer Deposition; ALD) 등의 화학적 증착방법을 이용하는 것도 가능하다.
여기서, 본 발명의 실시예의 경우에는 갈륨, 인듐, 아연의 원자비가 각각 1:1:1, 2:2:1, 3:2:1 및 4:2:1인 복합 산화물 타겟을 사용하여 비정질 아연 산화물계 복합 반도체를 증착할 수 있으며, 이때 상기 갈륨, 인듐, 아연의 원자비가 2:2:1인 복합 산화물 타겟을 사용하는 경우 상기 갈륨, 인듐, 아연의 당량(equivalent weight)비는 대략 2.8:2.8:1을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 본 발명의 실시예에 따른 비정질 아연 산화물계 복합 반도체는 다른 공정조건에 따라 변동이 가능하지만, 대략 1~200Å/sec의 증착속도에서 투입 되는 산소유량과 아르곤유량에 대한 산소유량의 비, 즉 산소농도를 대략 1~40%로 하여 증착할 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터에 적용되는 비정질 아연 산화물계 복합 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.
다음으로, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 액티브층(124)이 형성된 기판(110) 위에 소정의 절연막 및 제 1 도전막을 증착한 후, 포토리소그래피공정(제 2 마스크공정)을 통해 선택적으로 패터닝하여 상기 액티브층(124) 위에 상기 제 1 도전막으로 이루어진 게이트전극(121)을 형성한다.
이때, 상기 게이트전극(121)은 상기 절연막으로 이루어진 게이트절연막(115a)을 사이에 두고 상기 액티브층(124) 상부에 형성되게 되며, 상기 액티브층(124)과 게이트전극(121)은 회절마스크 또는 하프-톤 마스크를 이용함으로써 한번의 마스크공정을 통해 형성할 수도 있다.
이때, 상기 절연막은 실리콘질화막(SiNx), 실리콘산화막(SiOx)과 같은 무기절연막 또는 하프늄(hafnium; Hf) 옥사이드, 알루미늄 옥사이드와 같은 고유전성 산화막으로 이루어질 수 있으며, 그 식각에는 산소 플라즈마 처리와 같은 건식식각을 이용하는 것을 특징으로 한다. 그리고, SiOx, HfOx 또는 AlOx와 같은 산화물계열로 절연막을 형성하는 경우 상기 절연막의 증착 전 표면처리 또는 열처리를 진행할 수 있다.
이 경우 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 게이트절연막(115a)을 패터닝하기 위해 산소 플라즈마 처리를 통해 상기 절연막을 식각할 때 노출된 액티브층(124)이 산소 플라즈마에 의해 저항이 감소되어 상기 액티브층(124)에 소정의 n-영역, 즉 엘디디영역(124')을 형성하게 된다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 게이트절연막(115a)을 패터닝한 후 산소 플라즈마와 같은 표면처리 또는 열처리를 통해 노출된 액티브층(124)의 저항을 변화시킬 수도 있다.
이후, 상기 기판(110) 전면에 소정의 절연막을 증착한 다음 비등방성으로 식각하여 상기 게이트전극(121) 측면에 상기 절연막으로 이루어진 사이드 월(125)을 형성한다. 이때, 상기 사이드 월(125)을 구성하는 절연막은 산화물계열의 절연막을 포함한다.
그리고, 산소 플라즈마 처리와 같은 표면처리 또는 열처리를 통해 상기 액티브층(124)의 저항을 감소시켜 상기 게이트전극(121)과 사이드 월(125)에 의해 가려지지 않고 노출된 액티브층(124)에 소정의 n+영역(124")을 형성하게 된다. 이때, 상기 사이드 월(125) 하부의 액티브층(124)은 소정의 엘디디영역(124')을 구성하며, 상기 게이트전극(121) 하부의 액티브층(124)은 전도채널을 형성하는 채널영역(124c)을 구성하게 된다.
이하, 상기 본 발명의 실시예에 따른 제 2 마스크공정을 도 4a 내지 도 4e를 통해 상세히 설명한다.
도 4a 내지 도 4e는 상기 도 3b 및 도 3c에 도시된 제 2 마스크공정을 구체적으로 나타내는 단면도이다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 액티브층(124)이 형성된 기판(110) 전면에 소정의 절연막(115) 및 제 1 도전막(130)을 형성한다.
이때, 상기 절연막(115)은 실리콘질화막, 실리콘산화막과 같은 무기절연막 또는 하프늄 옥사이드, 알루미늄 옥사이드와 같은 고유전성 산화막으로 이루어질 수 있다. 이때, 예를 들어 상기 절연막(115)으로 실리콘산화막을 적용하는 경우에는 300 ~ 1000Å의 두께로 형성할 수 있으며, 그 식각에는 예들 들어 산소 플라즈마 처리와 같은 건식식각을 이용하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 절연막(115)은 화학기상증착(Chemical Vapour Deposition; CVD) 또는 플라즈마 화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition; PECVD)으로 형성할 수 있다.
그리고, 상기 제 1 도전막(130)으로 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 도전막(130)은 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.
그리고, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 기판(110) 전면에 포토레지스트와 같은 감광성물질로 이루어진 감광막(170)을 형성한 후, 마스크(180)를 통해 상기 감광막(170)에 선택적으로 광을 조사한다.
이때, 상기 마스크(180)에는 조사된 광을 모두 투과시키는 투과영역(I)과 조사된 모든 광을 차단하는 차단영역(II)이 마련되어 있으며, 상기 마스크(180)를 투과한 광만이 감광막(170)에 조사되게 된다.
이어서, 상기 마스크(160)를 통해 노광된 감광막(170)을 현상하고 나면, 도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 차단영역(II)을 통해 광이 차단된 영역에는 소정의 감광막패턴(170a)이 남아있게 되고, 모든 광이 투과된 투과영역(I)에는 상기 감광막이 완전히 제거되어 상기 제 1 도전막(130) 표면이 노출되게 된다.
이때, 상기 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 4d에 도시된 바와 같이, 상기와 같이 형성된 감광막패턴(170a) 을 마스크로 하여, 그 하부에 형성된 절연막 및 제 1 도전막을 선택적으로 제거하게 되면, 상기 기판(110) 위에 상기 제 1 도전막으로 이루어진 게이트전극(121)이 형성되게 된다. 이때, 상기 게이트전극(121)의 하부에는 상기 절연막으로 이루어지며, 상기 게이트전극(121)과 실질적으로 동일하게 패터닝된 게이트절연막(115a)이 형성되게 된다.
여기서, 상기 절연막의 식각에는 산소 플라즈마 처리를 이용하게 되는데, 이때 노출된 액티브층(124)은 상기 산소 플라즈마에 의해 저항이 감소되어 상기 액티 브층(124)에 소정의 n-영역(124')을 형성하게 된다. 그리고, 상기 게이트전극(121) 하부의 액티브층(124)은 상기 산소 플라즈마에 노출되지 않아 산화물 박막 트랜지스터의 전도채널을 형성하는 채널영역(124c)을 구성하게 된다.
이후, 도 4e에 도시된 바와 같이, 상기 기판(110) 전면에 소정의 절연막을 증착한 다음 비등방성으로 식각하여 상기 게이트전극(121) 측면에 상기 절연막으로 이루어진 사이드 월(125)을 형성한다.
여기서, 상기 사이드 월(125)을 형성할 때 또는 산소 플라즈마 처리와 같은 추가적인 표면처리 또는 열처리를 통해 상기 액티브층(124)의 저항을 감소시켜 상기 게이트전극(121)과 사이드 월(125)에 의해 가려지지 않고 노출된 액티브층(124)에 소정의 n+영역(124")을 형성하게 된다. 이때, 상기 사이드 월(125) 하부의 액티브층(124)은 소정의 엘디디영역(124')을 구성하게 되며, 상기 n+영역(124")은 상기 엘디디영역(124')보다 더 큰 전도성을 나타내게 된다.
다음으로, 도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 기판(110) 전면에 상기 게이트 전극(121)을 덮도록 보호막(115b)을 형성한 후, 포토리소그래피공정(제 3 마스크공정)을 이용하여 선택적으로 패터닝함으로써 상기 액티브층(124)의 소정영역을 노출시키는 제 1 콘택홀(140a)과 제 2 콘택홀(140b)을 형성한다.
이때, 산소 플라즈마 처리와 같은 표면처리 또는 열처리를 통해 상기 제 1 콘택홀(140a)과 제 2 콘택홀(140b)에 의해 노출된 액티브층(124)의 소정영역은 저항이 감소되어 소오스/드레인전극과의 콘택영역인 소오스/드레인영역(124a, 124b)을 형성하게 되며, 상기 소오스/드레인영역(124a, 124b)은 상기 n+영역(124")보다 더 큰 전도성을 나타내게 된다.
그리고, 도 3e에 도시된 바와 같이, 상기 보호막(115b)이 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 인듐-틴-옥사이드, 인듐-징크-옥사이드와 같은 투명한 도전물질을 사용할 수 있으며, 상기 도전물질이 두 가지 이상 적층된 다층구조로 형성할 수도 있다.
여기서, 제 2 도전막으로 몰리브덴이나 몰리브덴 합금 등의 도전물질을 직접 적용할 수 있으며, 수소나 아르곤 플라즈마 처리를 한 후 알루미늄이나 구리 등의 저저항 도전물질을 적용할 수도 있다.
그리고, 포토리소그래피공정(제 4 마스크공정)을 통해 상기 제 2 도전막을 선택적으로 패터닝함으로써 각각 상기 제 1 콘택홀(140a) 및 제 2 콘택홀(140b)을 통해 상기 액티브층(124)의 소오스영역(124a) 및 드레인영역(124b)과 전기적으로 접속하는 소오스전극(122) 및 드레인전극(123)을 형성하게 된다.
이와 같이 산화물 반도체를 적용하여 산화물 박막 트랜지스터를 제작하는 경우, 산화물 반도체의 저항 특성은 산소농도에 의해서 조절이 가능하므로 산소 플라즈마 처리와 같은 표면처리 또는 열처리를 통해 이온주입공정 없이 액티브층에 엘디디영역 및 소오스/드레인영역을 형성할 수 있게 된다.
특히, 사이드 월을 산소를 포함하는 절연막을 이용하여 형성함으로써 저항 조절이 가능하게 할 수 있으며, 산화물 반도체 내의 산소농도의 변화를 이용하여 액티브층의 저항을 영역에 따라 변화할 수 있어 다양한 소저구조에 적용할 수 있게 된다.
이하, 산소농도에 따른 저항 및 소자특성의 변화를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 5는 표면처리 시간에 따른 산화물 반도체의 저항값의 변화를 나타내는 그래프로써, 도시된 바와 같이 표면처리 시간이 증가할수록 산화물 반도체의 저항값이 줄어드는 것을 알 수 있다.
또한, 도 6a는 산화물 반도체의 표면처리에 있어서, 산소농도에 따른 산화물 반도체의 저항값의 변화를 나타내는 그래프이며, 도 6b는 산화물 반도체의 표면처리에 있어서, 산소농도에 따른 산화물 반도체의 전기적 특성의 변화를 나타내는 그래프이다.
이때, 도 6a는 산소유량을 각각 80, 100 및 150sccm으로 하여 산소농도에 따른 산화물 반도체의 저항값의 변화를 측정한 결과이며, 도 6b는 산소유량을 150sccm으로 고정한 상태에서 산소농도를 6.7, 13.3, 20 및 26.7%로 하여 산소농도에 따른 산화물 반도체의 전기적 특성의 변화를 측정한 결과이다. 여기서, 상기 도 6b의 전기적 특성은 채널영역의 W/L이 12/8인 소자에 드레인전압을 10V로 하여 측정한 결과이다.
도 6a를 참조하면, 산소유량에 크게 관계없이 산소농도가 줄어들수록 산화물 반도체의 저항값이 줄어드는 것을 알 수 있다.
또한, 도 6b를 참조하면, 산소유량이 150sccm일 때 산소농도가 6.7 및 13.3%인 경우, 특히 13.3%인 경우 산화물 반도체가 도전체에 가까운 저항특성을 가짐을 알 수 있다.
이와 같이 상기 본 발명의 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터는 높은 이동도 특성과 n+층의 증착이 필요 없어 다결정 실리콘 박막 트랜지스터에 적용되는 코플라나 구조를 이용할 수 있으며, 이온주입공정이 필요 없어 공정이 단순화되는 동시에 이온주입공정에 따른 문제점을 원천적으로 방지할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 산화물 박막 트랜지스터는 고성능의 박막 트랜지스터를 최소한의 마스크공정을 통해 형성함으로써 제조공정 및 비용을 절감시키는 효과를 제공하는 한편, 다양한 구조의 소자에 적용 가능한 이점을 제공한다.
또한, 코플라나 구조를 이용함에 따라 전기영동표시소자와 같은 반사형 모드의 적용에 있어서 외부의 광원으로부터 액티브층의 채널영역이 보호가 되어 광 누설전류가 감소하게되어 구동 특성 향상도 가능하게 된다.
상기 전기영동표시소자는 외부 광원이 필요 없고, 유연성(flexibility)과 휴대성(portability)이 뛰어나며, 기타 경량 등의 특성을 지닌 평판 디스플레이의 일종이다.
이러한 전기영동표시소자는 종이나 플라스틱과 같은 얇고 구부리기 쉬운 베이스 필름(base film)에 박막 트랜지스터 어레이 기판을 형성하고 투명 도전막을 입혀 전기영동 부유 입자(electrophoretic suspension)를 구동하는 반사형 디스플레이로써, 차세대 전자종이(electric paper)로서도 각광 받을 것으로 기대되는 표 시장치이다.
한편, 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 본 발명의 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 3a 내지 도 3e는 상기 도 2에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 제조공정을 순차적으로 나타내는 단면도.
도 4a 내지 도 4e는 상기 도 3b 및 도 3c에 도시된 제 2 마스크공정을 구체적으로 나타내는 단면도.
도 5는 표면처리 시간에 따른 산화물 반도체의 저항값의 변화를 나타내는 그래프.
도 6a는 산화물 반도체의 표면처리에 있어서, 산소농도에 따른 산화물 반도체의 저항값의 변화를 나타내는 그래프.
도 6b는 산화물 반도체의 표면처리에 있어서, 산소농도에 따른 산화물 반도체의 전기적 특성의 변화를 나타내는 그래프.
** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **
110 : 어레이 기판 121 : 게이트전극
122 : 소오스전극 123 : 드레인전극
124 : 액티브층 124' : 엘디디영역
124" : n+영역 124a,124b : 소오스/드레인영역
124c : 채널영역
Claims (9)
- 기판 위에 산화물 반도체로 이루어진 액티브층을 형성하는 단계;상기 액티브층이 형성된 상기 기판 위에 절연막과 도전막을 증착하는 단계;상기 절연막과 상기 도전막을 선택적으로 식각하여 상기 액티브층 위에 게이트절연막과 게이트전극을 형성하되, 산소 플라즈마 처리로 상기 절연막을 식각 할 때 상기 절연막이 제거되어 노출된 액티브층의 소정영역에 상기 산소 플라즈마 처리를 하여 n- 영역을 형성하는 단계;상기 게이트전극과 상기 게이트절연막 측면에 사이드 월을 형성하는 단계;표면 처리 또는 열처리를 하여 상기 게이트전극과 상기 사이드 월에 의해 가려지지 않고 노출된 액티브층의 소정영역에 n+ 영역을 형성하는 단계;상기 사이드 월이 형성된 상기 기판 위에 보호막을 형성하는 단계;상기 보호막의 일부 영역을 선택적으로 식각하여 상기 액티브층의 일부를 노출시키는 제 1, 제 2 콘택홀을 형성하는 단계; 및상기 제 1, 제 2 콘택홀을 통해 상기 액티브층과 전기적으로 접속하는 소오스/드레인전극을 형성하는 단계를 포함하는 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 액티브층은 a-IGZO 반도체로 형성하는 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 게이트전극과 상기 사이드 월에 의해 가려지지 않고 노출된 상기 액티브층의 소정영역에 상기 n+ 영역을 형성할 때,상기 사이드 월 하부의 액티브층은 엘디디영역을 형성하고, 상기 게이트전극 하부의 액티브층은 채널영역을 형성하는 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 액티브층은, 1~200Å/sec의 증착속도에서 투입되는 산소유량과 아르곤유량에 대한 산소유량의 비, 즉 산소농도를 1~40%로 하여 형성하는 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 게이트절연막과 상기 사이드 월은 산화물계열의 절연막으로 형성하는 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기판 위에 상기 절연막을 증착하기 전에, 상기 액티브층에 표면처리 또는 열처리를 진행하는 단계를 추가로 포함하는 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 게이트전극 하부에는 상기 게이트전극과 동일한 형태로 상기 게이트절연막이 패터닝되는 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 콘택홀을 형성한 후에, 표면처리 또는 열처리를 하여 상기 제 1, 제 2 콘택홀에 의해 노출된 액티브층의 소정영역에 상기 소오스/드레인전극과의 콘택영역인 소오스/드레인영역을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 n+ 영역은 상기 엘디디영역보다 더 큰 전도성을 가지도록 형성되고, 상기 소오스/드레인영역은 상기 n+ 영역보다 더 큰 전도성을 가지도록 형성되는 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법.
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