KR102050955B1 - 산화물 박막 트랜지스터 제조장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산화물 박막 트랜지스터 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 채널층의 이동도가 향상된 산화물 박막 트랜지스터를 제조할 수 있는 산화물 박막 트랜지스터 제조장치에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터 제조장치는 게이트와 게이트 절연층이 형성된 기판 상에 제1 산화물층을 증착하는 제1 증착부; 상기 제1 산화물층 상에 전자빔을 조사하는 전자빔 조사부; 및 전자빔이 조사된 상기 제1 산화물층 상에 제2 산화물층을 증착하는 제2 증착부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터 제조장치는 게이트와 게이트 절연층이 형성된 기판 상에 제1 산화물층을 증착하는 제1 증착부; 상기 제1 산화물층 상에 전자빔을 조사하는 전자빔 조사부; 및 전자빔이 조사된 상기 제1 산화물층 상에 제2 산화물층을 증착하는 제2 증착부;를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 산화물 박막 트랜지스터 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 채널층의 이동도가 향상된 산화물 박막 트랜지스터를 제조할 수 있는 산화물 박막 트랜지스터 제조장치에 관한 것이다.
디스플레이 시장의 발전과 발맞추어 박막 트랜지스터의 연구도 고효율, 차세대 디스플레이로의 적용을 위하여 각각의 요구되는 성능에 맞게 변화를 거듭하고 있다. 그 중 대표적으로 산화물 반도체를 이용한 투명 박막 트랜지스터에 대한 연구가 국내외에서 활발히 진행되고 있다.
산화물을 채널로 이용하는 박막 트랜지스터(즉, 산화물 박막 트랜지스터)는 채널층의 재질로서 ZnO(Zinc Oxide), IZO(Indium-Zinc Oxide), SZO(Silicon-Zinc Oxide), IGO(Indium-Gallium Oxide), IGZO(Indium-Gallium-Zinc Oxide) 등과 같은 산화물을 사용하며, 종래의 ZnO 기반 또는 IGZO 기반의 산화물 박막 트랜지스터는 약 10 ㎠/Vs의 이동도(mobility)를 나타내고 있어서, 비산화물(예를 들어, Si, SiC 또는 GaN)을 채널로 이용하는 박막 트랜지스터에 비해서 이동도가 1 ~ 2 오더(order) 정도 낮기 때문에 산화물 박막 트랜지스터의 특성 향상을 위해서는 보다 높은 이동도가 요구된다.
종래에는 산화물 박막 트랜지스터의 특성 향상을 위해서 300 ℃가 넘는 고온에서 산화물 채널층을 열처리하여 채널층의 이동도를 향상시켰으며, 이러한 경우에 300 ℃가 넘는 고온으로 인해 산화물 박막 트랜지스터의 다른 구성(예를 들어, 기판)에 영향(또는 손상)을 주는 문제가 발생하였다. 특히, 유리 기판을 사용하는 경우에는 300 ℃가 넘는 고온에서 유리 기판이 손상되는 문제가 있었다.
또한, 종래에는 산화물층을 증착하는 장비와 열처리 장비가 분리되어 있어서, 산화물층을 열처리하기 위해서는 증착된 산화물층이 외부 공기와 접촉하게 되는 문제도 있었다.
본 발명은 상이한 전기 전도도를 갖는 이중 채널(dual channel)을 통해 채널층의 이동도가 향상된 산화물 박막 트랜지스터를 제조할 수 있는 산화물 박막 트랜지스터 제조장치를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터 제조장치는 게이트와 게이트 절연층이 형성된 기판 상에 제1 산화물층을 증착하는 제1 증착부; 상기 제1 산화물층 상에 전자빔을 조사하는 전자빔 조사부; 및 전자빔이 조사된 상기 제1 산화물층 상에 제2 산화물층을 증착하는 제2 증착부;를 포함할 수 있다.
상기 제1 증착부, 상기 전자빔 조사부 및 상기 제2 증착부는 상기 기판을 가로지르는 제1 방향으로 연장되는 선형으로 이루어지며, 상기 제1 방향으로 나란히 배치되고, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 상기 기판을 이송하는 기판이송부;를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 증착부, 상기 전자빔 조사부 및 상기 제2 증착부는 상기 기판의 이송 방향에 따라 순서대로 배열되고, 상기 전자빔 조사부는 전자빔 조사를 통해 상기 제1 산화물층을 활성화시켜 제1 산화물 반도체층을 형성할 수 있다.
상기 제2 산화물층을 활성화시켜 제2 산화물 반도체층을 형성하는 후처리부;를 더 포함할 수 있다.
상기 후처리부는 200 내지 300 ℃의 온도에서 열처리하여 상기 제2 산화물층을 활성화시킬 수 있다.
상기 후처리부는 상기 전자빔 조사부의 전자빔보다 낮은 세기의 전자빔을 조사하여 상기 제2 산화물층을 활성화시킬 수 있다.
상기 제1 산화물 반도체층과 상기 제2 산화물 반도체층은 적층되어 채널층을 형성하고, 상기 제1 산화물 반도체층은 상기 제2 산화물 반도체층보다 전기 전도도가 높을 수 있다.
상기 제1 증착부, 상기 전자빔 조사부 및 상기 제2 증착부는 상기 기판의 이송 방향에 따라 순서대로 배열되어 단위 공정모듈을 이루며, 상기 단위 공정모듈은 복수개로 구성되어 상기 제2 방향으로 배열될 수 있다.
상기 제1 증착부와 상기 제2 증착부는 인듐, 갈륨, 아연을 포함하는 타겟 재료를 갖는 스퍼터링 캐소드를 포함할 수 있다.
상기 제1 증착부와 상기 제2 증착부의 스퍼터링 캐소드에 각각 전원을 공급하는 전원부;를 더 포함하고, 상기 전원부는 상기 제1 증착부의 스퍼터링 캐소드에 상기 제2 증착부의 스퍼터링 캐소드보다 작은 세기의 전원을 공급할 수 있다.
상기 제1 증착부와 상기 제2 증착부의 스퍼터링 캐소드 각각은 동일한 성분으로 이루어진 상기 타겟 재료를 가질 수 있다.
상기 제2 증착부와 상기 전자빔 조사부 사이의 간격은 상기 제1 증착부와 상기 전자빔 조사부 사이의 간격보다 넓을 수 있다.
상기 제1 증착부와 상기 제2 증착부는 상온 내지 200 ℃의 온도에서 산화물층을 증착할 수 있다.
상기 제1 증착부는 상기 제2 산화물층보다 얇은 두께로 상기 제1 산화물층을 증착할 수 있다.
상기 기판은 투명 기판일 수 있다.
상기 전자빔 조사부는 10 내지 5,000 eV의 전자빔을 조사할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 산화물 박막 트랜지스터 제조장치는 기판 상에 증착된 제1 산화물층에 전자빔을 조사하여 제1 산화물 반도체층을 형성하고 제1 산화물 반도체층 상에 증착된 제2 산화물층을 후처리하여 제2 산화물 반도체층을 형성함으로써, 상이한 전기 전도도를 갖는 이중 채널(dual channel)로 채널층을 형성할 수 있다. 이에 따라 채널층의 이동도를 향상시킬 수 있으며, 복수의 산화물 반도체층 중 게이트에 인접한 제1 산화물 반도체층을 반대측의 제2 산화물 반도체층보다 전기 전도도가 높게 하여 채널층과 게이트의 전기적 연결이 안정화될 수 있다.
그리고 제1 산화물층에 전자빔을 조사하여 제1 산화물 반도체층을 형성하므로, 높은 전기 전도도를 얻기 위해 300 ℃가 넘는 고온의 열처리 과정을 수행하지 않을 수 있고, 산화물 박막 트랜지스터의 다른 구성에 영향(또는 손상)을 주는 것을 방지할 수 있다. 특히, 유리 기판을 사용하는 경우에는 300 ℃가 넘는 고온에서 유리 기판이 손상되는 문제가 있었는데, 본 발명에서는 300 ℃가 넘는 고온의 열처리 과정을 수행하지 않으므로, 채널층의 이동도가 향상된 산화물 박막 트랜지스터를 유리 기판에 적용할 수 있다.
또한, 단일 챔버에서 기판이송부를 통해 기판을 이송하면서 인시츄(in-situ)로 제1 산화물층을 활성화시킬 수 있어 산화물층의 외부 공기와의 접촉을 방지할 수 있으면서도 활성화 조건에 따라 전기 전도도가 상이한 이중 채널을 형성할 수 있다.
한편, 제1 산화물층과 제2 산화물층은 인듐(In), 갈륨(Ga), 아연(Zn)을 포함하는 산화물로 이루어져 동일한 성분을 포함하고 있으므로, 제1 산화물 반도체층과 제2 산화물 반도체층의 계면 사이에 결정학적인 매칭 등이 잘 이루어져 전체적인 박막 특성이 단일층으로 이루어진 채널층과 유사하게 복수의 산화물 반도체층이 적층된 채널층을 형성할 수 있고, 채널층의 전기적 특성 및 안정성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터 제조장치를 나타내는 개략 단면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터 제조장치를 통한 채널층의 형성을 순서적으로 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 후처리부를 나타내는 개략 단면도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 단위 공정모듈을 나타내는 개략 단면도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터 제조장치로 제조된 산화물 박막 트랜지스터를 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터 제조장치를 통한 채널층의 형성을 순서적으로 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 후처리부를 나타내는 개략 단면도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 단위 공정모듈을 나타내는 개략 단면도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터 제조장치로 제조된 산화물 박막 트랜지스터를 나타내는 단면도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터 제조장치를 나타내는 개략 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터 제조장치(200)는 게이트(110)와 게이트 절연층(120)이 형성된 기판(10) 상에 제1 산화물층(131a)을 증착하는 제1 증착부(210); 상기 제1 산화물층(131a) 상에 전자빔을 조사하는 전자빔 조사부(230); 및 전자빔이 조사된 상기 제1 산화물층(131a) 상에 제2 산화물층(132a)을 증착하는 제2 증착부(220);를 포함할 수 있다.
제1 증착부(210)는 기판(10) 상에 제1 산화물층(131a)을 증착할 수 있고, 기판(10) 상에 형성된 게이트(gate, 110) 상에 제1 산화물층(131a)을 증착할 수 있다. 이때, 게이트(110)와 제1 산화물층(131a) 사이에 게이트 절연층(120)이 개재될 수 있으며, 제1 증착부(210)는 챔버(240) 내부의 일측에 제공될 수 있다.
제2 증착부(220)는 제1 증착부(210)와 나란히 배치될 수 있으며, 기판(10) 상에 제2 산화물층(132a)을 증착할 수 있고, 전자빔(Electron beam; E-beam)이 조사된 제1 산화물층(131a) 상에(즉, 상기 제1 산화물층이 활성화된 제1 산화물 반도체층 상에) 제2 산화물층(132a)을 증착할 수 있다. 이때, 제2 증착부(220)는 챔버(240) 내부의 일측과 대향하는 타측에 제공될 수 있다.
여기서, 제1 산화물층(131a)과 제2 산화물층(132a)은 실리콘(Si)을 포함하지 않는 산화물층일 수 있고, 인듐(In), 갈륨(Ga), 아연(Zn)을 포함할 수 있으며, 이 중에서 선택된 적어도 2개 이상의 원소와 산소(O)를 포함하는 층일 수 있고, 3원계 내지 5원계 중 어느 하나의 물질층일 수 있다.
전자빔 조사부(230)는 제1 산화물층(131a) 상에 전자빔(E-beam)을 조사하여 제1 산화물층(131a)을 활성화시킬 수 있으며, 제1 증착부(210)와 제2 증착부(220)의 사이에 제공될 수 있다.
본 발명의 산화물 박막 트랜지스터 제조장치(200)는 채널층(130)의 형성 공간을 제공하는 챔버(240);를 더 포함할 수 있다. 챔버(240)는 증착 및/또는 활성화 공간을 제공할 수 있고, 증착 공정 시 내부가 밀폐될 수 있으며, 고진공 상태를 유지할 수 있다. 이를 위해 챔버(240)에 배기 수단(미도시)이 마련될 수 있고, 상기 배기 수단에는 진공 펌프(미도시)가 장착될 수 있다. 이에 상기 진공 펌프로부터 진공압이 발생되면, 챔버(240)의 내부는 고진공 상태를 유지할 수 있다.
그리고 챔버(240)의 일측벽에는 챔버(240)의 내부로 기판(10)이 반입되는 반입구(미도시)가 형성될 수 있고, 챔버(240)의 타측벽에는 챔버(240)로부터 기판(10)이 반출되는 반출구(미도시)가 형성될 수 있다. 이때, 상기 반입구와 상기 반출구에는 별도의 게이트 밸브(미도시)가 마련될 수 있다.
한편, 챔버(240)는 그 내부에 제1 증착부(210)와 제2 증착부(220) 및 전자빔 조사부(230)가 제공되는 단일 챔버일 수도 있고, 멀티(multi) 챔버로 이루어져 제1 증착부(210), 제2 증착부(220) 및 전자빔 조사부(230)에 각각 포함될 수도 있다. 챔버(240)가 단일 챔버인 경우에는 그 내부에서 기판(10)이 이동하면서 복수의 공정이 이루어지는 인라인 챔버일 수 있으며, 복수의 공정이 하나의 분위기(또는 단일 분위기)에서 인시츄(in-situ)로 이루어져 안정적으로 채널층(130)이 형성될 수 있다. 챔버(240)가 멀티 챔버로 이루어진 경우에는 진공 분위기가 형성된 각 챔버(240)를 기판(10)이 이동하면서 복수의 공정이 이루어질 수 있고, 각 챔버(240) 사이에는 게이트(즉, 반입구 및/또는 반출구)가 제공될 수 있다.
제1 증착부(210)와 제2 증착부(220) 및 전자빔 조사부(230)는 기판(10)을 가로지르는 제1 방향으로 연장되는 선형으로 이루어질 수 있고, 상기 제1 방향으로 나란히 배치될 수 있다. 제1 증착부(210)와 제2 증착부(220) 및 전자빔 조사부(230)는 기판(10)의 증착면에 대응되어 배치될 수 있고, 상기 제1 방향으로 연장되는 길이는 채널층(130)의 장축 또는 단축에 대응(또는 매칭)될 수 있고, 채널층(130)의 장축에 대응되는 것이 바람직할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 산화물 박막 트랜지스터 제조장치(200)는 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 기판(10)을 이송하는 기판이송부(250);를 더 포함할 수 있다.
기판이송부(250)는 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 기판(10)을 이송할 수 있으며, 이를 통해 인라인(in-line)으로 기판(10) 상에 제1 산화물층(131a)과 제2 산화물층(132a)을 증착할 수 있고, 제1 산화물층(131a)을 활성화시킬 수 있다. 이때, 기판이송부(250)는 챔버(240)의 내부에 제공될 수 있고, 챔버(240)의 내부에서 기판(10)을 이송할 수 있다. 기판이송부(250)를 통해 기판(10)이 이송되면서 제1 증착부(210), 전자빔 조사부(230) 및 제2 증착부(220)를 지날(또는 통과할) 수 있고, 이에 따라 기판(10)의 이동에 의해 기판(10) 상에 제1 산화물층(131a)이 증착되며 제1 산화물층(131a)이 활성화되어 제1 산화물 반도체층(131)이 형성되고, 제1 산화물 반도체층(131) 상에 제2 산화물층(132a)이 증착되어 적층될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터 제조장치를 통한 채널층의 형성을 순서적으로 나타낸 단면도로, 도 2(a)는 제1 산화물층의 증착을 나타내며, 도 2(b)는 제1 산화물층의 전자빔 조사 처리를 나타내고, 도 2(c)는 제2 산화물층의 증착을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 제1 증착부(210), 전자빔 조사부(230) 및 제2 증착부(220)는 기판(10)의 이송 방향에 따라 순서대로 배열될 수 있고, 전자빔 조사부(230)는 전자빔(E-beam) 조사를 통해 제1 산화물층(131a)을 활성화시켜 제1 산화물 반도체층(131)을 형성할 수 있다.
제1 증착부(210), 전자빔 조사부(230) 및 제2 증착부(220)는 기판(10)의 이송 방향에 따라 순서대로 배열될 수 있으며, 기판이송부(250)는 제1 증착부(210) 쪽에서 진입되는 기판(10)을 제1 증착부(210), 전자빔 조사부(230), 제2 증착부(220)의 순서로(또는 상기 제1 증착부에서 상기 제2 증착부로) 이송할 수 있고, 기판(10)이 제1 증착부(210), 전자빔 조사부(230), 제2 증착부(220)의 순서로 통과할 수 있다. 예를 들어, 단일 챔버의 내부에 제1 증착부(210), 전자빔 조사부(230) 및 제2 증착부(220)가 제공되는 경우에 챔버(240)의 일측(즉, 상기 제1 증착부)에서 챔버(240)의 타측(즉, 상기 제2 증착부)으로 기판(10)을 이송할 수 있다. 이를 통해 기판(10) 상에 제1 산화물층(131a)이 증착되며 제1 산화물층(131a)이 활성화되어 제1 산화물 반도체층(131)이 형성될 수 있고, 제1 산화물 반도체층(131) 상에 제2 산화물층(132a)이 증착되어 적층될 수 있다.
전자빔 조사부(230)는 전자빔(E-beam) 조사를 통해 제1 산화물층(131a)을 활성화시켜 제1 산화물 반도체층(131)을 형성할 수 있다. 제1 산화물층(131a)은 도 2(b)와 같이 제1 산화물층(131a) 상에 전자빔을 조사하여 활성화(activation)시킬 수 있다. 즉, 제1 산화물 반도체층(131)은 게이트 절연층(120) 상에 증착된 제1 산화물층(131a)에 전자빔을 조사하여 활성화시킴으로써 형성될 수 있다. 여기서, 제1 산화물층(131a)은 활성화되기 전에 절연 상태일 수 있고, 활성화되어 제1 산화물 반도체층(131)으로 변화될 수 있다. 이때, 제1 산화물 반도체층(131)은 ITO 등의 투명 전도성 산화물(Transparent Conductive Oxide; TCO)과 상이할 수 있으며, ITO 등의 투명 전도성 산화물(TCO)은 균일하게(uniformly) 형성(또는 증착)될 수 없지만, 제1 산화물 반도체층(131)은 균일하게 형성할 수 있다. 본 발명에서는 게이트(110)와의 전기적 특성을 향상시키기 위해 게이트(110) 상에 제1 산화물 반도체층(131)을 균일하게 형성할 수 있다.
제1 산화물층(131a)에 전자빔이 조사되면, 제1 산화물층(131a)에서 결합하고 있던 산소의 결합이 끊어져 나오면서 산소 결핍(oxygen vacancy)이 형성되고, 산소 결핍이 이온화되면서 전자(electron)를 방출하게 되어 n형 반도체층이 될 수 있다. 자세하게는, 전자빔을 이용한 제1 산화물층(131a)의 활성화는 플라즈마(plasma) 소스로부터 추출된 다량의 전자들을 에너지를 가진 전자빔만으로 가속시켜 제1 산화물층(131a)에 조사함으로써 제1 산화물층(131a)의 결정성 및 물성을 향상시키는 것으로, 비교적 낮은 수 keV의 에너지를 갖는 전자가 넓은 면적의 시편을 스캔하여 조사되면 물리적인 손상없이 전자의 충돌 자체가 넓은 면적에서 표면만을 순간적으로 고르게 가열하게 되며, 이를 통해 결합하고 있던 산소의 결합이 끊어져 나오면서 산소 결핍이 형성되고 산소 결핍이 이온화되면서 전자를 방출하게 되어 n형 반도체층이 될 수 있다.
본 발명에서와 같이, 제1 산화물층(131a)에 전자빔을 조사하여 제1 산화물 반도체층(131)을 형성하게 되면, 높은 전기 전도도를 얻기 위해 300 ℃가 넘는 고온에서 열처리(annealing)를 수행하지 않을 수 있고, 높은 전기 전도도를 갖는 제1 산화물 반도체층(131)을 형성할 수 있다. 이에 따라 제1 산화물 반도체층(131)과 게이트(110)의 전기적 연결이 안정화될 수 있고, 이를 통해 채널층(130)의 이동도(mobility)가 향상될 수 있다.
한편, 전자빔(E-beam)은 레이저 빔 및 이온빔과 빔(beam)을 이루고 있는 물질이 다르며, 이로 인해 각기 가지고 있는 물질의 질량에 따라 에너지의 크기가 달라진다. 레이저 빔 및 이온빔은 물질의 질량 크기가 너무 커서 박막의 후처리에 사용하는 경우에 박막에 손상을 줄 수 있으므로, 박막의 안정화 및 활성화를 위한 후처리 공정용이 아닌 박막의 식각 및 가공용으로 주로 쓰이게 된다. 하지만, 전자빔(E-beam)의 경우에는 가장 작은 질량을 가진 전자(electron)을 이용함으로써, 물질의 질량으로부터 오는 에너지가 작아 박막에 큰 데이지를 주지 않을 수 있고, 이에 따라 제1 산화물층(131a)에 전자빔을 조사하는 경우에 안정화 및 특성 향상을 얻을 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 후처리부를 나타내는 개략 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 산화물 박막 트랜지스터 제조장치(200)는 제2 산화물층(132a)을 활성화시켜 제2 산화물 반도체층(132)을 형성하는 후처리부(260);를 더 포함할 수 있다.
후처리부(260)는 제2 산화물층(132a)을 활성화시켜 제2 산화물 반도체층(132)을 형성할 수 있으며, 제2 증착부(220)의 타측(즉, 상기 전자빔 조사부가 배치된 쪽의 반대쪽)에 위치할 수 있다. 이때, 후처리부(260)는 챔버(240)의 내부에 배치될 수도 있고, 별도의 챔버(241)로 제공될 수도 있다. 제2 산화물층(132a)은 후처리부(260)를 통해 활성화시킬 수 있다. 즉, 제2 산화물 반도체층(132)은 제1 산화물 반도체층(131) 상에 증착된 제2 산화물층(132a)이 활성화되어 형성될 수 있다. 여기서, 제2 산화물층(132a)은 활성화되기 전에 절연 상태일 수 있고, 활성화되어 제2 산화물 반도체층(132)으로 변화될 수 있다. 이때, 제2 산화물 반도체층(132)은 ITO 등의 투명 전도성 산화물(TCO)과 상이할 수 있으며, 투명 전도성 산화물(TCO)은 균일하게 형성될 수 없지만, 제2 산화물 반도체층(132)은 균일하게 형성할 수 있다. 본 발명에서는 게이트(110)와 채널층(130) 사이의 전기적 특성을 향상시키기 위해 제1 산화물 반도체층(131) 상에 제2 산화물 반도체층(132)을 균일하게 형성할 수 있다. 또한, 제2 산화물 반도체층(132)을 제1 산화물 반도체층(131)보다 상대적으로 전기 전도도가 낮게 형성할 때에 제2 산화물 반도체층(132)을 300 ℃ 이하의 온도(또는 저온)에서 열처리하여 활성화시킬 수 있다.
그리고 후처리부(260)는 200 내지 300 ℃의 온도에서 열처리하여 제2 산화물층(132a)을 활성화시킬 수 있다. 200 내지 300 ℃의 온도에서 제2 산화물층(132a)을 열처리하여 제2 산화물층(132a)을 활성화시킴으로써 제2 산화물 반도체층(132)을 형성할 수 있다. 여기서, 전자빔 조사를 통해 제1 산화물 반도체층(131)의 전기 전도도가 높아질 수 있으므로, 300 ℃ 이하의 온도에서 제2 산화물층(132a)을 열처리하여 활성화시킬 수 있다. 300 ℃가 넘는 고온에서 열처리를 하게 되면, 산화물 박막 트랜지스터(100)의 다른 구성(예를 들어, 기판)에 영향(또는 손상)을 줄 수 있고, 특히 기판(10)이 유리 기판 등의 투명 기판인 경우에는 300 ℃가 넘는 고온에서 기판(10)이 손상될 수 있다. 반면에, 200 ℃ 미만의 온도에서 제2 산화물층(132a)을 열처리하게 되면, 활성화가 미미하여 제2 산화물 반도체층(132)이 형성되지 않거나 원하는 제2 산화물 반도체층(132)의 전기 전도도를 얻을 수 없다.
한편, 200 내지 300 ℃의 열처리를 통하여 제2 산화물 반도체층(132)의 전기 전도도를 향상시키는 데에는 한계가 있으나, 제2 산화물층(132a)을 활성화시켜 제2 산화물 반도체층(132)을 형성하는 데에는 아무런 문제가 없다. 이때, 열처리 온도를 너무 높이게 되면, 전기적인 특성 향상을 얻을 수 있지만, 전기적 특성 향상의 임계점이 존재하고 필요 이상의 열은 오히려 산화물 박막 트랜지스터(100)의 다른 구성에 데미지(damage)가 되어 산화물 박막 트랜지스터(100)의 특성을 저하시킬 수 있다. 300 ℃를 넘는 높은 온도에서 산화물층(131a or 132a)을 열처리하는 경우, 전자빔 조사를 통한 전기 전도도 향상과 같은 효과를 얻을 수 있지만, 고온에 의한 악영향으로 인해 유리 기판(glass), 플렉시블 기판 등을 이용시에는 300 ℃를 넘는 고온의 열처리를 적용하기 어렵다. 여기서, 제2 산화물층(132a)의 열처리를 통하여 절연체와 같은 상태의 제2 산화물층(132a)의 전기적인 특성을 제2 산화물 반도체층(132)의 전기적인 특성으로 활성화시켜 채널층(130)으로 사용할 수 있다.
이때, 후처리부(260)에서는 별도의 챔버(241)에서 열풍으로 제2 산화물(132a)을 열처리할 수 있다. 이러한 경우, 별도의 챔버(241) 내의 온도가 균일한 상태(예를 들어, 온도 평형상태)에서 제2 산화물(132a)의 열처리가 수행되므로, 안정적으로 제2 산화물(132a)의 열처리가 이루어질 수 있고, 제2 산화물(132a) 전체가 균일하게 열처리될 수 있다. 또한, 별도의 챔버(241)는 다른 구성도 함께 형성된 기판(10)이 제공되므로, 다른 구성들에 최대한 영향이 안 미치도록 할 수도 있다. 그리고 후처리부(260)는 기판이송부(250)에 연결된 기판 지지대(미도시)를 통해 기판(10)을 가열하여 열처리할 수도 있다. 이러한 경우, 제2 증착부(220)와 동일한 챔버(240) 내에서 열처리를 수행할 수 있으나, 열이 전도되어 제2 산화물(132a)로 전달되기 때문에 기판(10)에 근접한 제1 산화물 반도체층(131)에 영향을 줄 수 있다.
또한, 후처리부(260)는 전자빔 조사부(230)의 전자빔보다 낮은 세기의 전자빔을 조사하여 제2 산화물층(132a)을 활성화시킬 수도 있다. 예를 들어, 후처리부(260)는 제2 전자빔 조사부일 수 있으며, 전자빔 조사부(230)의 전자빔보다 낮은 세기의 전자빔을 제2 산화물층(132a) 상에 조사할 수 있다. 전자빔의 세기를 조절하여 산화물 반도체층(131,132)의 전기 전도도를 조절할 수 있으며, 제2 산화물층(132a)에 전자빔 조사부(230)의 전자빔(또는 상기 제1 산화물층을 활성화시키는 전자빔)보다 낮은 세기의 전자빔을 조사하여 제1 산화물 반도체층(131)보다 전기 전도도가 낮은 제2 산화물 반도체층(132)을 형성할 수 있다.
제1 산화물 반도체층(131)과 제2 산화물 반도체층(132)은 적층되어 채널층(130)을 형성할 수 있으며, 이중 채널(dual channel)로 채널층(130)을 형성할 수 있다.
하부 게이트(bottom gate) 구조의 산화물 박막 트랜지스터(100)에서 채널층(130)에 운송자의 농도(carrier concentration)가 높은 산화물 박막층을 형성하는 것으로 산화물 박막 트랜지스터(100)의 이동도(mobility) 향상이 가능할 수 있고, 운송자의 농도가 높은 산화물 박막층(즉, 상기 제1 산화물 반도체층)에 추가적인 박막을 형성하여 산화물 박막 트랜지스터(100)의 이동도를 보다 향상시킬 수 있다.
제1 산화물 반도체층(131)은 제2 산화물 반도체층(132)보다 전기 전도도가 높을 수 있다. 채널층(130)의 이동도는 주로 채널층(130)과 게이트(110)의 전기적 연결에 관계되므로, 제1 산화물 반도체층(131)의 전기 전도도를 높게 하여 제1 산화물 반도체층(131)과 게이트(110)의 전기적 연결이 안정화되도록 할 수 있고, 이를 통해 채널층(130)의 이동도를 향상시킬 수 있다. 이로 인해 제2 산화물 반도체층(132)은 제1 산화물 반도체층(131)보다 낮은 전기 전도도를 가질 수 있다.
여기서, 상기 전기 전도도가 높은 산화물 반도체층(131 or 132)의 위치가 채널층(130)의 이동도 향상에 큰 영향을 미치며, 게이트(110)와 접하는 위치(즉, 하부)에 산화물 반도체층(131,132)의 캐리어 밀도(carrier density)가 더 높은 제1 산화물 반도체층(131)을 위치시킴으로써, 제1 산화물 반도체층(131)이 산화물 박막 트랜지스터(100)에서 운송자(carrier)의 공급자 역할을 하여 산화물 박막 트랜지스터(100)의 이동도 향상에 기여할 수 있다.
한편, 제2 산화물 반도체층(132)이 제1 산화물 반도체층(131) 이상의 전기 전도도를 갖기 위해서는 제2 산화물층(132a)을 300 ℃가 넘는 고온에서 열처리하거나, 제1 산화물층(131a)보다 높은 세기의 전자빔을 제2 산화물층(132a) 상에 조사하여야 한다. 300 ℃가 넘는 고온에서 열처리를 하는 경우에는 산화물 박막 트랜지스터(100)의 다른 구성에 영향을 줄 수 있고, 제1 산화물층(131a)보다 높은 세기의 전자빔을 조사하는 경우에는 전자빔 조사로 인해 채널층(130) 최상부의 제2 산화물 반도체층(132)의 표면 거칠기가 변하게 되어 제2 산화물 반도체층(132) 상에 형성되는 소스(source, 140), 드레인(drain, 150) 및 보호층(passivation layer, 160) 사이의 전기적 특성의 재현성 및 균일성 등에 문제가 발생할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 단위 공정모듈을 나타내는 개략 단면도이다.
도 4를 참조하면, 제1 증착부(210), 전자빔 조사부(230) 및 제2 증착부(220)는 기판(10)의 이송 방향에 따라 순서대로 배열되어 단위 공정모듈(300)을 이룰 수 있고, 단위 공정모듈(300)은 복수개로 구성되어 상기 제2 방향으로 배열될 수 있다. 제1 증착부(210), 전자빔 조사부(230) 및 제2 증착부(220)는 그룹화(또는 모듈화)되어 단위 공정모듈(300)을 이룰 수 있으며, 하나의 단위 공정모듈(300)은 한 쌍의 제1 산화물 반도체층(131)과 제2 산화물층(132a) 또는 제1 산화물 반도체층(131)과 제2 산화물 반도체층(132)을 형성할 수 있다.
단위 공정모듈(300)은 복수개로 구성되어 상기 제2 방향으로 배열될 수 있으며, 기판이송부(250)에 의해 기판(10)이 상기 제2 방향으로 이동하여 기판(10) 상에 제1 산화물 반도체층(131)과 제2 산화물층(132a)의 쌍 또는 제1 산화물 반도체층(131)과 제2 산화물 반도체층(132)의 쌍이 적층될 수 있다. 이러한 경우, 전자빔 조사에 의해 활성화되어 전기 전도도가 월등하게 좋아질 수 있는 제1 산화물 반도체층(131)의 총 부피(또는 상기 채널층에서 상기 제1 산화물 반도체층의 총 비율)가 증가하여 채널층(130)의 이동도가 향상될 수 있다. 또한, 채널층(130)의 최상부에 상부면의 표면 거칠기가 변하지 않은 제2 산화물 반도체층(132)이 형성되어 채널층(130) 상에 형성되는 소스(140), 드레인(150) 및 보호층(160) 사이의 전기적 특성의 재현성 및 균일성 등이 확보될 수 있다.
기판(10)은 투명 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 투명 기판은 유리 기판(glass)일 수 있다. 본 발명에서는 300 ℃가 넘는 고온의 열처리 과정을 수행하지 않으므로, 유리 기판 등의 투명 기판을 사용할 수 있을 뿐만 아니라 채널층(130)의 이동도가 향상된 산화물 박막 트랜지스터(100)를 유리 기판에 적용할 수 있다.
제1 증착부(210)와 제2 증착부(220)는 인듐, 갈륨, 아연을 포함하는 타겟(target) 재료를 갖는 스퍼터링(sputtering) 캐소드를 포함할 수 있고, 스퍼터링법을 이용하여 제1 산화물층(131a)과 제2 산화물층(132a)을 각각 증착할 수 있다. 스퍼터링 캐소드는 산화물층(131a,132a)의 두께 조절이 용이하며, 산화물층(131a,132a)을 밀도있게 증착할 수 있다. 반면에, 다른 증착법(들)은 증착 속도가 빠를 수 있으나, 산화물층(131a,132a)을 밀도있게 증착할 수 없다. 이에 본 발명에서는 제1 증착부(210)와 제2 증착부(220)가 스퍼터링 캐소드를 포함하여 제1 산화물 반도체층(131)과 제2 산화물 반도체층(132)의 우수한 전기적 특성을 위해 제1 산화물층(131a)과 제2 산화물층(132a)을 밀도있게 증착할 수 있고, 용이하게 산화물층(131a,132a)의 두께를 조절할 수 있으며, 제1 산화물층(131a)과 제2 산화물층(132a)을 상이한 두께로 증착할 수 있다.
제1 증착부(210)와 제2 증착부(220)의 스퍼터링 캐소드 각각은 인듐, 갈륨, 아연을 포함하는 타겟 재료를 가질 수 있으며, 제1 산화물층(131a) 및 제2 산화물층(132a)은 인듐, 갈륨, 아연을 포함하는 산화물로 이루어질 수 있고, 인듐, 갈륨, 아연 중에서 선택된 적어도 2개 이상의 원소와 산소(O)를 포함하는 산화물일 수 있다. 예를 들어, 제1 산화물층(131a) 및 제2 산화물층(132a)은 인듐-갈륨-아연 산화물(Indium-Gallium-Zinc Oxide; IGZO), 인듐-갈륨-아연-주석 산화물(Indium-Gallium-Zinc-Tin Oxide; IGZTO), 아연-갈륨-주석 산화물(Zinc-Gallium-Tin Oxide; ZnGaSnO), 인듐-아연 산화물(Indium Zinc Oxide; InZnO), 아연-주석 산화물(Zinc Tin Oxide; ZnSnO) 중 적어도 어느 하나의 산화물로 이루어질 수 있다. 이러한 산화물들은 저온(예를 들어, 300 ℃ 이하)에서 증착이 가능하며, 대면적 증착이 용이한 장점을 가진다. 또한, 게이트(110) 상에 균일하게 증착될 수 있어 제1 산화물 반도체층(131)의 균일도(uniformity)가 향상될 수 있고, 이에 따라 제1 산화물 반도체층(131)과 게이트(110)의 전기적 연결이 보다 안정화될 수 있다.
하지만, 이러한 산화물 기반의 박막 트랜지스터는 약 10 ㎠/Vs의 이동도를 나타내고 있어서, 다른 물질(예를 들어, Si, SiC 또는 GaN)을 채널로 이용하는 박막 트랜지스터에 비해서 이동도가 1 ~ 2 오더(order) 정도 낮은 단점이 있으며, UD급의 대면적 디스플레이가 가능하도록 약 30 ㎠/Vs 이상의 이동도를 확보할 필요가 있다.
이에 본 발명에서는 제1 산화물층(131a) 상에 전자빔을 조사하여 제1 산화물 반도체층(131)을 형성함으로써, 제1 산화물 반도체층(131)의 전기 전도도를 향상시켜 약 30 ㎠/Vs 이상의 이동도를 확보할 수 있다. 또한, 제2 산화물 반도체층(132)도 인듐, 갈륨, 아연을 포함하는 산화물로 이루어져 제1 산화물 반도체층(131) 상에 균일하게 증착될 수 있고, 제2 산화물 반도체층(132)의 균일도가 향상될 수 있다.
제1 증착부(210)는 제2 산화물층(132a)보다 얇은 두께로 제1 산화물층(131a)을 증착할 수 있다. 즉, 제1 산화물층(131a)은 제2 산화물층(132a)보다 얇을 수 있다. 이때, 스퍼터링법을 이용하여 제1 산화물층(131a)과 제2 산화물층(132a)을 상이한 두께로 증착할 수 있다. 전자빔은 제1 산화물층(131a)의 상부에서 조사되므로, 제1 산화물층(131a)의 두께가 두꺼운 경우에는 제1 산화물층(131a)의 내부(또는 상기 제1 산화물층의 상부면에서 먼 부분)에 충분한 에너지가 전달되지 않아 제1 산화물층(131a) 중 활성화되지 못한 부분이 발생할 수 있다. 이로 인해 제1 산화물층(131a) 전체가 활성화되어 제1 산화물 반도체층(131)을 형성할 수 있도록 제1 산화물 반도체층(131)을 얇은 두께로 형성할 수 있다. 산화물층(131a,132a) 상에 전자빔을 조사하게 되면, 산화물층(131a,132a)의 표면에서 활성화 반응이 일어날 뿐만 아니라 수 ㎚ 내지 수십 ㎚ 정도의 에너지 침투 깊이까지 활성화 반응이 일어난다. 상기 에너지 침투 깊이는 산화물층(131a,132a)의 구성 물질에 따라 달라질 수 있으며, 산화물층(131a,132a)의 구성 물질에 따른 에너지 침투 깊이에 대응하는(또는 매칭되는) 두께(또는 두께 이하)로 제1 산화물층(131a)을 증착할 수 있고, 이에 따라 제1 산화물층(131a) 전체가 활성화되어 제1 산화물 반도체층(131)이 형성될 수 있다.
한편, 채널층(130)의 우수한 전기적 특성을 위해서는 충분한 캐리어 개수가 확보되어야 하므로, 충분한 캐리어 개수를 위해 소정 두께로 채널층(130)을 형성할 수 있다. 이때, 제1 산화물 반도체층(131)의 두께가 얇으므로, 채널층(130)의 소정 두께를 확보하기 위해 제2 산화물 반도체층(132)을 제1 산화물 반도체층(131)보다 두껍게 형성할 수 있고, 이에 따라 채널층(130)에 충분한 캐리어 개수가 확보될 수 있다.
예를 들어, 채널층(130)의 두께는 10 내지 100 ㎚(바람직하게는, 약 40 내지 60 ㎚)일 수 있으며, 제1 산화물 반도체층(131)의 두께(즉, 상기 제1 산화물층의 두께)는 제2 산화물 반도체층(132) 두께(즉, 상기 제2 산화물층의 두께)의 약 5 내지 30 %일 수 있고, 제1 산화물 반도체층(131)의 두께는 약 0.5 내지 23 ㎚(바람직하게는, 약 2 내지 14 ㎚), 제2 산화물 반도체층(132)의 두께는 약 8 내지 95 ㎚(바람직하게는, 약 31 내지 57 ㎚)일 수 있다. 이때, 제1 산화물 반도체층(131)의 두께와 제2 산화물 반도체층(132)의 두께의 비가 약 1 : 3일 수 있고, 제1 산화물 반도체층(131)의 두께가 1, 제2 산화물 반도체층(132)의 두께가 3일 때에 좋은 전기적 특성을 보일 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않으며, 전자빔의 상기 에너지 침투 깊이에 따라 제1 산화물 반도체층(131)의 두께가 정해질 수 있고, 채널층(130)의 두께와 제1 산화물 반도체층(131)의 두께에 따라 제2 산화물 반도체층(132)의 두께가 정해질 수 있다.
본 발명에 따른 산화물 박막 트랜지스터 제조장치(200)는 제1 증착부(210)와 제2 증착부(220)의 스퍼터링 캐소드에 각각 전원(power)을 공급하는 전원부(21,22);를 더 포함할 수 있고, 전원부(21,22)는 제1 증착부(210)의 스퍼터링 캐소드에 제2 증착부(220)의 스퍼터링 캐소드보다 작은 세기의 전원을 공급할 수 있다.
전원부(21,22)는 제1 증착부(210)와 제2 증착부(220)의 스퍼터링 캐소드에 각각 전원을 공급할 수 있으며, 하나의 전원부에서 분배하여 제1 증착부(210)와 제2 증착부(220)의 스퍼터링 캐소드에 각각 전원을 공급할 수도 있고, 복수의 전원부에서 제1 증착부(210)와 제2 증착부(220)의 스퍼터링 캐소드에 각각 전원을 공급할 수도 있다.
그리고 전원부(21,22)는 제1 증착부(210)의 스퍼터링 캐소드에 제2 증착부(220)의 스퍼터링 캐소드보다 작은 세기의 전원을 공급할 수 있다. 즉, 제1 증착부(210)의 스퍼터링 캐소드에 공급되는 전원의 세기를 제2 증착부(220)의 스퍼터링 캐소드에 공급되는 전원의 세기보다 작게 할 수 있다. 이를 통해 간단하게 제1 산화물층(131a)을 제2 산화물층(132a)보다 얇은 두께로 증착할 수 있다.
한편, 제2 증착부(220)에 대응되는 위치를 지날 때에 제1 증착부(210)에 대응되는 위치를 지날 때의 기판(10)의 이동 속도보다 기판(10)의 이동 속도를 느리게 하여 제2 산화물층(132a)을 제1 산화물층(131a)보다 두껍게 증착함으로써, 제1 산화물층(131a)이 제2 산화물층(132a)보다 상대적을 얇게 할 수도 있다. 또한, 제2 증착부(220)의 폭(즉, 상기 제2 방향 길이)을 제1 증착부(210)의 폭보다 넓게(또는 크게)하여 제2 산화물층(132a)을 제1 산화물층(131a)보다 두껍게 증착함으로써, 제1 산화물층(131a)이 제2 산화물층(132a)보다 상대적을 얇게 할 수도 있다.
제1 증착부(210)와 제2 증착부(220)의 스퍼터링 캐소드 각각은 동일한 성분으로 이루어진 상기 타겟 재료를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 증착부(210)의 타겟 재료와 제2 증착부(220)의 타겟 재료는 동종 물질로 이루어질 수 있으며, 동일한 물질로 이루어질 수도 있고, 동종 계열의 물질로 이루어질 수도 있다. 제1 산화물 반도체층(131)의 전기 전도도를 향상시키기 위해 제1 산화물층(131a) 상에 전자빔을 조사하여 제1 산화물 반도체층(131)을 형성하는 경우에는 제2 산화물층(132a)이 증착되는 제1 산화물 반도체층(131)의 표면 거칠기가 변하게 될 수 있다. 이러한 경우, 제1 산화물 반도체층(131) 상에 형성되는 제2 산화물 반도체층(132)과의 전기적 특성의 재현성 및 균일성 등에 문제가 발생할 수 있다. 하지만, 본 발명에서와 같이, 제1 증착부(210)의 타겟 재료와 제2 증착부(220)의 타겟 재료가 동일한 성분으로 이루어지게 되면, 제1 산화물 반도체층(131)과 제2 산화물 반도체층(132)의 계면 사이에 결정학적인 매칭 등이 잘 이루어져 제2 산화물 반도체층(132) 및/또는 채널층(130)의 균일성이 향상될 수 있으며, 전체적인 채널층(130)의 특성이 단일층으로 이루어진 채널층과 유사하게 될 수 있어 제1 산화물 반도체층(131)과 제2 산화물 반도체층(132) 사이의 전기적 특성의 재현성이 향상될 수 있고, 채널층(130)의 전기적 특성 및 안정성이 향상될 수 있다.
한편, 이종 물질을 통해 전기 전도도가 상이한 제1 산화물 반도체층(131)과 제2 산화물 반도체층(132)을 형성할 수도 있으나, 이러한 경우에는 제1 산화물 반도체층(131)과 제2 산화물 반도체층(132)의 계면 사이에 결정학적인 매칭 등이 이루어지지 않아 이중 채널의 효과가 발현되지 않을 수 있다. 이에 본 발명에서는 제1 증착부(210)와 제2 증착부(220)의 스퍼터링 캐소드 각각이 동일한 성분으로 이루어진 타겟 재료를 갖도록 하여 전체적인 채널층(130)의 특성을 단일층으로 이루어진 채널층과 유사하게 만듦으로써, 이중 채널의 효과를 극대화할 수 있다.
다시 말하면, 제1 산화물 반도체층(131)과 제2 산화물 반도체층(132)의 물질로 금속이나 다른 이종 물질을 사용하는 경우에는 이종 접합(heterojuncrion)에 의한 계면 형성이나 쇼트키 장벽(schottky barrier)로 인한 산화물 박막 트랜지스터(100)의 전기적 특성 저하가 발생하지만, 본 발명에서는 제1 산화물 반도체층(131)과 제2 산화물 반도체층(132)의 물질로 금속이나 서로 다른 이종 물질이 아닌 동종 계열의 물질 또는 동종 물질을 사용하여 이종 접합에 의한 계면 형성이나 쇼트키 장벽로 인한 산화물 박막 트랜지스터(100)의 전기적 특성 저하가 없을 수 있다.
제2 증착부(220)와 전자빔 조사부(230) 사이의 간격은 제1 증착부(210)와 전자빔 조사부(230) 사이의 간격보다 넓을 수 있다. 제1 증착부(210)와 전자빔 조사부(230) 사이의 간격을 좁게 하여 기판(10)의 이동에 따라 기판(10) 상에 증착되는 제1 산화물층(131a)이 바로(또는 연속적으로) 활성화되어 제1 산화물 반도체층(131)으로 변화되도록 할 수 있다. 하지만, 제2 증착부(220)와 전자빔 조사부(230) 사이의 간격을 좁게 하는 경우에는 제2 증착부(220)에 의한 제2 산화물층(132a)의 증착 과정에서 전자빔 조사부(230)의 전자빔이 영향을 줄 수 있으며, 후처리부(260)를 통한 제2 산화물층(132a)의 활성화 전에 제2 산화물층(132a)의 일부가 먼저 활성화될 수 있고, 이로 인해 먼저 활성화된 부분이 후처리부(260)를 통한 활성화 과정에서 결정화되거나, 제2 산화물 반도체층(132)의 영역별로 활성화가 불균일해져 제2 산화물 반도체층(132)의 전기적 특성(예를 들어, 전기 전도도)이 저하될 수 있다. 이에 제2 증착부(220)와 전자빔 조사부(230) 사이의 간격을 제1 증착부(210)와 전자빔 조사부(230) 사이의 간격보다 넓게 할 수 있고, 전자빔 조사부(230)의 전자빔이 제2 증착부(220)에 의한 제2 산화물층(132a)의 증착 과정에 영향을 미치지 않도록 할 수 있다.
제1 산화물 반도체층(131) 및 제2 산화물 반도체층(132)은 비정질로 형성될 수 있다. 채널층(130)이 결정질로 이루어지는 경우에는 채널층(130)의 온(On)/오프(Off) 특성(또는 스위칭 특성)이 열화되거나 반도체 특성을 잃어버리게 되는 문제가 발생할 수 있다. 이에 제1 산화물 반도체층(131) 및 제2 산화물 반도체층(132)은 비정질로 형성할 수 있다.
산화물 박막 트랜지스터(100)는 스퍼터(sputter)와 같은 증착 장비를 이용하여 상온(약 25 ℃)에서 균일한 박막을 얻을 수 있고, 특히 비정질 산화물 반도체의 경우는 비정질 상태임에도 불구하고 비정질 실리콘보다 높은 전계 이동도의 특성을 보이고 있으며, 산화물 박막 트랜지스터(100)의 동작에서도 우수한 신뢰성을 보여 줄 수 있다. 또한, 비정질 산화물 반도체를 이용한 산화물 박막 트랜지스터(100)는 가시광선 영역에서 투명하다는 장점이 있어 투명 디스플레이에도 적용이 가능하다. 예를 들어, 비정질 IGZO(α-IGZO)는 아연 산화물(zinc-oxide)에 In과 Ga를 첨가한 화합물로, 육방정계(Hexagonal) 결정구조의 일종인 섬유아연석(Wurtzite) 결정구조로 되어 있으며, α-IGZO에서 인듐 산화물(In2O3)은 이동도 향상, 갈륨 산화물(Ga2O3)은 전하 억제 네트워크 안정제, 아연 산화물(ZnO)은 네트워크를 형성하는 역할을 한다. α-IGZO의 전도대는 금속 이온의 ns 궤도에서 형성되며, 가전도대는 산소 음이온의 2p 궤도에서 형성된다. 이때, 큰 반경의 금속 양이온은 인접한 양이온과 궤도 겹침(Orbital overlap) 현상이 크게 발생하기 때문에 전자를 효과적으로 이동시킬 수 있는 경로를 제공할 수 있다. 따라서, 이 궤도의 겹침이 큰 점과 궤도가 구형의 대칭성을 가지는 점 때문에 산소-금속-산소(Oxygen-Metal-Oxygen) 결합 각도에 영향을 덜 받게 되며, 비정질상태임에도 불구하고 큰 이동도를 가질 수 있게 된다.
이와 같이, 비정질 산화물 반도체층(131,132)는 비정질임에도 불구하고 높은 이동도를 가지기 때문에 저온 공정이 가능하여 휘어지는 플라스틱 기판 위에 산화물 박막 트랜지스터(100)를 제작할 수 있으며, 이러한 산화물 박막 트랜지스터(100)는 넓은 밴드갭에 의해 우수한 투과도를 가져 투명 디스플레이의 구동소자 역할을 할 수 있게 된다.
제1 증착부(210)와 제2 증착부(220)는 상온(약 25 ℃) 내지 200 ℃의 온도에서 산화물층(131a,132a)을 증착할 수 있다. 즉, 제1 산화물층(131a)과 제2 산화물층(132a)은 상온 내지 200 ℃의 온도에서 증착될 수 있다. 채널층(130)이 결정질로 이루어지는 경우에는 채널층(130)의 온(On)/오프(Off) 특성이 열화되거나 반도체 특성을 잃어버리게 되는 문제가 발생할 수 있다. 200 ℃를 초과하는 온도에서 산화물층(131a,132a)을 증착하게 되면, 산화물층(131a,132a)이 결정화될 수 있고, 제1 산화물 반도체층(131) 및/또는 제2 산화물 반도체층(132)을 비정질로 형성할 수 없게 된다. 반면에, 상온 미만의 온도에서 산화물층(131a,132a)을 증착하게 되면, 기판(10) 상에 산화물층(131a,132a)의 증착이 잘 이루어지지 않아 채널층(130)의 전기적 특성이 저하될 수 있다. 이에 제1 증착부(210)와 제2 증착부(220)에서는 상온 내지 200 ℃의 온도에서 산화물층(131a,132a)을 증착하여 제1 산화물 반도체층(131) 및/또는 제2 산화물 반도체층(132)가 비정질로 형성되도록 할 수 있다.
전자빔 조사부(230)는 10 내지 5,000 eV의 전자빔을 조사할 수 있다. 5,000 eV를 초과하여 전자빔을 조사하게 되면, 제1 산화물 반도체층(131)이 결정화될 수 있고, 10 eV 미만으로 전자빔을 조사하게 되면, 절연 상태의 제1 산화물층(131a)이 반도체 상태인 제1 산화물 반도체층(131)으로 변화되지 않을 수 있다. 이에 전자빔 조사부(230)는 10 내지 5,000 eV의 전자빔을 조사하여 제1 산화물 반도체층(131)을 비정질로 형성할 수 있다.
한편, 후처리부(260)에서 전자빔 조사부(230)의 전자빔보다 낮은 세기의 전자빔을 조사하여 제2 산화물층(132a)을 활성화시키는 경우에는 전자빔 조사부(230)의 전자빔보다 낮도록 10 내지 5,000 eV의 범위에서 알맞게 선택될 수 있으며, 제2 산화물 반도체층(132)도 비정질로 형성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터 제조장치로 제조된 산화물 박막 트랜지스터를 나타내는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 산화물 박막 트랜지스터 제조장치(200)로 제조된 산화물 박막 트랜지스터(100)는 기판(10); 상기 기판(10) 상에 형성되는 게이트(110); 상기 게이트(110) 상에 형성되는 게이트 절연층(120); 상기 게이트 절연층(120) 상에 형성되는 제1 산화물 반도체층(131)과 상기 제1 산화물 반도체층(131) 상에 형성되는 제2 산화물 반도체층(132)을 포함하며, 상기 게이트 절연층(120) 상에 제공되는 채널층(130); 상기 채널층(130)의 일측 상에 제공되는 소스(140); 및 상기 채널층(130)의 타측 상에 제공되는 드레인(150);을 포함할 수 있다.
기판(10)은 산화물 박막 트랜지스터(100)가 형성되는 지지층으로서의 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 기판(10)은 플라스틱 기판, 실리콘 기판, 화합물 반도체 기판 등일 수 있고, 유리 기판일 수도 있다. 또한, 기판(10)은 유연(flexible)할 수도 있다.
게이트(110)는 기판(10) 상에 형성될 수 있고, 통상의 박막 트랜지스터의 게이트일 수 있으며, 게이트(110)의 재질로는 일반적인 전극 물질로, 금속이나 전도성 산화물 등으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, Ti, Pt, Ru, Au, Ag, Mo, Al, W, Cu 등과 같은 금속, IZO(Indium Zinc Oxide), ITO(Indium Tin Oxide), AZO(Aluminum Zinc Oxide) 등과 같은 전도성 산화물로 형성될 수 있다.
게이트 절연층(120)은 게이트(110) 상에 게이트(110)를 덮도록 형성될 수 있고, 단층 또는 복층일 수 있다. 게이트 절연층(120)은 산화물 또는 질화물로 형성될 수 있고, 게이트 절연층(120)에서 적어도 게이트(110)의 상부면 상에 형성된 부분의 두께는 일정할 수 있다. 즉, 게이트 절연층(120)은 게이트(110)의 상부면과 평행한 부분을 가질 수 있고, 이 부분은 게이트(110) 상에 있을 수 있다.
채널층(130)은 게이트 절연층(120) 상에 제공될 수 있고, 게이트 절연층(120) 상에 형성되는 제1 산화물 반도체층(131)과 제1 산화물 반도체층(131) 상에 형성되는 제2 산화물 반도체층(132)을 포함할 수 있다. 채널층(130)은 산화물로 형성될 수 있고, 실리콘(Si)을 포함하지 않는 산화물층일 수 있으며, 게이트(110) 상에 위치할 수 있다.
제1 산화물 반도체층(131)은 게이트 절연층(120) 상에 형성될 수 있으며, 게이트 절연층(120) 상에 증착된 제1 산화물층(131a)이 활성화(activation)되어 형성될 수 있다. 여기서, 제1 산화물층(131a)은 활성화되기 전에 절연 상태일 수 있고, 활성화되어 제1 산화물 반도체층(131)으로 변화될 수 있다.
제2 산화물 반도체층(132)은 제1 산화물 반도체층(131) 상에 형성될 수 있으며, 제1 산화물 반도체층(131) 상에 증착된 제2 산화물층(132a)이 활성화되어 형성될 수 있다. 여기서, 제2 산화물층(132a)은 활성화되기 전에 절연 상태일 수 있고, 활성화되어 제2 산화물 반도체층(132)으로 변화될 수 있다. 이때, 제2 산화물 반도체층(132)은 제1 산화물 반도체층(131)과 전기 전도도가 상이할 수 있다.
소스(140)는 채널층(130)의 일측 상에 제공될 수 있고, 채널층(130)의 일측(또는 한 쪽)과 접촉될 수 있다.
드레인(150)은 채널층(130)의 일측과 대향하는 채널층(130)의 타측 상에 제공될 수 있고, 채널층(130)의 타측(또는 다른 쪽)과 접촉될 수 있으며, 소스(140)와 이격될 수 있다.
한편, 소스(140)와 드레인(150)은 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 텅스텐(W) 및 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 소스(140)와 드레인(150)은 상기 금속을 이용한 단일막 또는 다중막으로 형성될 수 있으며, 소스(140) 및 드레인(150)은 투명한 도전성 물질로 형성될 수도 있다. 이때, 소스(140) 및 드레인(150)은 게이트(110)와 동일 또는 다른 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 게이트(110)가 티타늄/구리 적층막으로 이루어진 경우에는 소스(140) 및 드레인(150)도 티타늄/구리 적층막으로 이루어질 수 있다.
산화물 박막 트랜지스터(100)는 기판(10) 상에 제공되는 버퍼층(50); 및 채널층(130) 상에 제공되는 보호층(160);을 더 포함할 수 있다. 버퍼층(50)은 기판(10) 상에 제공될 수 있으며, 절연층일 수 있다. 예를 들어, 버퍼층(50)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 금속 산화물 등과 같은 고유전 물질(예를 들어, 알루미눔 산화물, 하프늄 산화물 등)로 이루어질 수 있고, 단층 또는 다층막으로 이루어질 수 있다. 또한, 버퍼층(50) 상에 게이트(110)가 형성될 수 있다.
그리고 보호층(160)은 채널층(130) 상에 제공될 수 있고, 채널층(130) 상에 채널층(130) 및 소스(140)와 드레인(150)의 적어도 일부를 덮는 형태로 형성될 수 있다. 보호층(160)은 실리콘 산화물층, 실리콘 질산화물층, 실리콘 질화물층, 유기절연층 또는 이들 중 적어도 두 개 이상이 적층된 구조를 가질 수 있다. 산화물 반도체층(131,132)은 수분 등의 외부 영향에 취약하다는 신뢰성의 문제를 가지므로, 외부 영향으로부터 산화물 반도체층(131,132)을 보호하기 위해 채널층(130) 상에 보호층(160)을 형성할 수 있다.
여기서, 버퍼층(50), 게이트(110), 게이트 절연층(120), 소스(140), 드레인(150) 및 보호층(160)은 챔버(240)와 다른 별도의 챔버(미도시)에서 형성될 수 있으며, 버퍼층(50), 게이트(110) 및 게이트 절연층(120)이 동일한 챔버에서 형성되고, 소스(140), 드레인(150) 및 보호층(160)이 동일한 챔버에서 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고, 버퍼층(50), 게이트(110), 게이트 절연층(120), 소스(140), 드레인(150) 및 보호층(160)이 각각 상이한 챔버에서 형성될 수도 있으며, 산화물 박막 트랜지스터(100)의 특성 향상을 위해 알맞게 정해질 수 있다.
이처럼, 본 발명에서는 기판 상에 증착된 제1 산화물층에 전자빔을 조사하여 제1 산화물 반도체층을 형성하고 제1 산화물 반도체층 상에 증착된 제2 산화물층을 후처리하여 제2 산화물 반도체층을 형성함으로써, 상이한 전기 전도도를 갖는 이중 채널(dual channel)로(즉, 전기 전도도가 상이한 복수의 산화물 반도체층을 적층하여) 채널층을 형성할 수 있다. 이에 따라 채널층의 이동도를 향상시킬 수 있으며, 복수의 산화물 반도체층 중 게이트에 인접한 제1 산화물 반도체층을 반대측의 제2 산화물 반도체층보다 전기 전도도가 높게 하여 채널층과 게이트의 전기적 연결이 안정화될 수 있다. 그리고 제1 산화물층에 전자빔을 조사하여 제1 산화물 반도체층을 형성하므로, 높은 전기 전도도를 얻기 위해 300 ℃가 넘는 고온의 열처리 과정을 수행하지 않을 수 있고, 산화물 박막 트랜지스터의 다른 구성에 영향(또는 손상)을 주는 것을 방지할 수 있다. 특히, 유리 기판을 사용하는 경우에는 300 ℃가 넘는 고온에서 유리 기판이 손상되는 문제가 있었는데, 본 발명에서는 300 ℃가 넘는 고온의 열처리 과정을 수행하지 않으므로, 채널층의 이동도가 향상된 산화물 박막 트랜지스터를 유리 기판에 적용할 수 있다. 또한, 단일 챔버에서 기판이송부를 통해 기판을 이송하면서 인시츄(in-situ)로 제1 산화물층을 활성화시킬 수 있어 산화물층의 외부 공기와의 접촉을 방지할 수 있으면서도 활성화 조건에 따라 전기 전도도가 상이한 이중 채널을 형성할 수 있다. 한편, 제1 산화물층과 제2 산화물층은 인듐(In), 갈륨(Ga), 아연(Zn)을 포함하는 산화물로 이루어져 동일한 성분을 포함하고 있으므로, 제1 산화물 반도체층과 제2 산화물 반도체층의 계면 사이에 결정학적인 매칭 등이 잘 이루어져 전체적인 박막 특성이 단일층으로 이루어진 채널층과 유사하게 복수의 산화물 반도체층이 적층된(즉, 이중 채널로 이루어진) 채널층을 형성할 수 있고, 채널층의 전기적 특성 및 안정성이 향상될 수 있다.
상기 설명에서 사용한 “~ 상에”라는 의미는 위치에 관계없이 표면에 직접 접촉하는 경우와 직접 접촉하지는 않지만 위치상 상부(위쪽) 또는 하부(아래쪽)에 대향하여 위치하는 경우를 포함하고, 상부면 또는 하부면 전체에 대향하여 위치하는 것뿐만 아니라 부분적으로 대향하여 위치하는 것도 가능하며, 그 면적에 관계없이 위치상 떨어져 대향하거나 상부면 또는 하부면에 직접 접촉한다는 의미로 사용하였다. 예를 들어, “기판 상에”는 기판의 표면(상부면 또는 하부면)이 될 수도 있고, 기판의 표면에 증착된 막의 표면이 될 수도 있다. 또한, “~ 상부(또는 하부)”의 의미는 직접 접촉하는 경우와 직접 접촉하지는 않지만 상부(또는 하부)에 위치하는 경우를 포함하며, 그 면적에 관계없이 높이가 더 높은 곳(또는 낮은 곳)에 위치하면 족하고, 위치상 위쪽(또는 아래쪽)에 있거나 상부면(또는 하부면)에 직접 접촉해 있다는 의미로 사용하였다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 기판 21, 22 : 전원부
50 : 버퍼층 100 : 산화물 박막 트랜지스터
110 : 게이트 120 : 게이트 절연층
130 : 채널층 131 : 제1 산화물 반도체층
131a: 제1 산화물층 132 : 제2 산화물 반도체층
132a: 제2 산화물층 140 : 소스
150 : 드레인 160 : 보호층
200 : 산화물 박막 트랜지스터 제조장치 210 : 제1 증착부
220 : 제2 증착부 230 : 전자빔 조사부
240, 241 : 챔버 250 : 기판이송부
260 : 후처리부 300 : 단위 공정모듈
50 : 버퍼층 100 : 산화물 박막 트랜지스터
110 : 게이트 120 : 게이트 절연층
130 : 채널층 131 : 제1 산화물 반도체층
131a: 제1 산화물층 132 : 제2 산화물 반도체층
132a: 제2 산화물층 140 : 소스
150 : 드레인 160 : 보호층
200 : 산화물 박막 트랜지스터 제조장치 210 : 제1 증착부
220 : 제2 증착부 230 : 전자빔 조사부
240, 241 : 챔버 250 : 기판이송부
260 : 후처리부 300 : 단위 공정모듈
Claims (16)
- 게이트와 게이트 절연층이 형성된 기판 상에 절연 상태의 제1 산화물층을 증착하는 제1 증착부;
상기 제1 산화물층 상에 전자빔을 조사하며, 상기 제1 산화물층을 활성화시켜 비정질의 제1 산화물 반도체층을 형성하는 전자빔 조사부;
전자빔이 조사되어 형성된 상기 제1 산화물 반도체층 상에 절연 상태의 제2 산화물층을 증착하는 제2 증착부; 및
상기 제2 산화물층을 활성화시켜 비정질의 제2 산화물 반도체층을 형성하는 후처리부;를 포함하고,
상기 후처리부는 200 내지 300 ℃의 온도에서 열처리하거나, 상기 전자빔 조사부의 전자빔보다 낮은 세기의 전자빔을 조사하여 상기 제2 산화물층을 활성화시키며,
적층된 상기 제1 산화물 반도체층과 상기 제2 산화물 반도체층은 비정질 상태로서, 채널층을 형성하는 산화물 박막 트랜지스터 제조장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 증착부, 상기 전자빔 조사부 및 상기 제2 증착부는 상기 기판을 가로지르는 제1 방향으로 연장되는 선형으로 이루어지며, 상기 제1 방향으로 나란히 순서대로 배치되고,
상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 상기 기판을 이송하는 기판이송부;를 더 포함하는 산화물 박막 트랜지스터 제조장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 제1 산화물 반도체층은 상기 제2 산화물 반도체층보다 전기 전도도가 높은 산화물 박막 트랜지스터 제조장치. - 청구항 2에 있어서,
상기 제1 증착부, 상기 전자빔 조사부 및 상기 제2 증착부는 상기 기판의 이송 방향에 따라 순서대로 배열되어 단위 공정모듈을 이루며,
상기 단위 공정모듈은 복수개로 구성되어 상기 제2 방향으로 배열되는 산화물 박막 트랜지스터 제조장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 증착부와 상기 제2 증착부는 인듐, 갈륨, 아연을 포함하는 타겟 재료를 갖는 스퍼터링 캐소드를 포함하는 산화물 박막 트랜지스터 제조장치. - 청구항 9에 있어서,
상기 제1 증착부와 상기 제2 증착부의 스퍼터링 캐소드에 각각 전원을 공급하는 전원부;를 더 포함하고,
상기 전원부는 상기 제1 증착부의 스퍼터링 캐소드에 상기 제2 증착부의 스퍼터링 캐소드보다 작은 세기의 전원을 공급하는 산화물 박막 트랜지스터 제조장치. - 청구항 9에 있어서,
상기 제1 증착부와 상기 제2 증착부의 스퍼터링 캐소드 각각은 동일한 성분으로 이루어진 상기 타겟 재료를 갖는 산화물 박막 트랜지스터 제조장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 제2 증착부와 상기 전자빔 조사부 사이의 간격은 상기 제1 증착부와 상기 전자빔 조사부 사이의 간격보다 넓은 산화물 박막 트랜지스터 제조장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 증착부와 상기 제2 증착부는 상온 내지 200 ℃의 온도에서 산화물층을 증착하는 산화물 박막 트랜지스터 제조장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 증착부는 상기 제2 산화물층보다 얇은 두께로 상기 제1 산화물층을 증착하는 산화물 박막 트랜지스터 제조장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 기판은 투명 기판인 산화물 박막 트랜지스터 제조장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 전자빔 조사부는 10 내지 5,000 eV의 전자빔을 조사하는 산화물 박막 트랜지스터 제조장치.
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