KR102219398B1 - 반도체 장치 - Google Patents

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가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
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Abstract

산화물 반도체층을 포함한 트랜지스터에서, 산화물 절연층이 상기 산화물 반도체층과 접하도록 형성된다. 그 후, 산소가 상기 산화물 절연층을 통해 상기 산화물 반도체층에 도입(첨가)되며, 열 처리가 수행된다. 산소 도입 및 열 처리의 이들 단계들을 통해, 수소, 수분, 수산기, 또는 수소화물과 같은 불순물들이 상기 산화물 반도체층으로부터 의도적으로 제거되며, 따라서 상기 산화물 반도체층이 고정제된다.

Description

반도체 장치{SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 반도체 장치 및 반도체 장치를 제작하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 명세서에서, 반도체 장치는 일반적으로 반도체 특성들을 이용함으로써 기능할 수 있는 장치를 의미하며, 전기-광학 장치, 반도체 회로, 및 전자 기기가 모두 반도체 장치들이다.
절연 표면을 가진 기판 위에 형성된 반도체 박막을 사용한 트랜지스터(또한 박막 트랜지스터(TFT)라 불림)를 형성하기 위한 기술에 관심의 초점이 맞추어지고 있다. 상기 트랜지스터는 집적 회로(IC) 또는 이미지 표시 장치(표시 장치)와 같은 광범위한 전자 기기들에 적용된다. 실리콘계 반도체 재료는 트랜지스터에 적용가능한 반도체 박막을 위한 재료로서 널리 알려져 있다. 또 다른 재료로서, 산화물 반도체가 관심을 끌고 있다.
예를 들면, 활성층이 인듐(In), 갈륨(Ga), 및 아연(Zn)을 포함하고 1018 /㎤ 미만의 전자 캐리어 농도를 가진 비정질 산화물을 사용하는 트랜지스터가 개시된다(특허 문헌 1 참조).
[참조]
[특허 문헌 1] 일본 공개 특허 출원 번호 제2006-165528호
그러나, 산화물 반도체의 전기적 도전성은 산소 등의 과잉 또는 부족으로 인한 화학량론적 조성으로부터의 일탈이 발생하거나, 또는 전자 공여체(donor)에 포함된 수소 또는 수분이 박막 형성 공정 동안 상기 산화물 반도체에 들어갈 때 변화한다. 이러한 현상은 상기 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터의 전기적 특성들에서의 변화의 요인이 된다.
상기 문제들을 고려하여, 하나의 목적은 안정된 전기적 특성들 및 높은 신뢰성을 가진, 산화물 반도체를 사용한 반도체 장치를 제공하는 것이다.
산화물 반도체층을 포함한 박막 트랜지스터의 전기적 특성들에서의 변화를 억제하기 위해, 변화를 야기하는 수소, 수분, 수산기, 또는 수소화물(또는 수소 화합물이라 불림)과 같은 불순물들이 산화물 반도체층으로부터 의도적으로 제거된다. 또한, 산화물 반도체의 주성분이며 불순물들을 제거하는 단계에서 감소되는 산소가 공급된다. 따라서 상기 산화물 반도체층은 고정제되며, 그에 의해 전기적으로 i-형(진성)인 상기 산화물 반도체층이 획득된다.
i-형(진성) 산화물 반도체는 진성인 또는 진성에 매우 가까운 산화물 반도체이다. 상기 i-형(진성) 산화물 반도체는 n-형 불순물인 수소가 산화물 반도체로부터 제거되는 방식으로 획득되며, 상기 산화물 반도체는 가능한 한 적은 불순물들을 포함하도록 고정제된다. 즉, 상기 산화물 반도체는 그것이 i-형(진성) 산화물 반도체가 되도록 만들어지거나 또는 가능한 한 많은 수소 또는 물과 같은 불순물들의 제거에 의해 고정제됨으로써 그에 매우 가까워진다는 점에서 특징을 가진다. 이것은 페르미 준위(Ef)가 진성 페르미 준위(Ei)와 동일한 레벨이 될 수 있게 한다.
산화물 반도체층을 포함한 트랜지스터에서, 산화물 절연층(또한 제 1 절연층이라 불림)은 상기 산화물 반도체층과 접하도록 형성되고, 산소는 상기 산화물 절연층을 통해 도입(첨가)되며, 열 처리가 수행된다. 산소 도입 및 열 처리의 이들 단계들을 통해, 수소, 수분, 수산기, 또는 수소화물(또한 수소 화합물이라 불림)과 같은 불순물들이 상기 산화물 반도체층으로부터 의도적으로 제거되며, 그에 의해 상기 산화물 반도체층은 고정제된다. 산소의 도입에 의해, 상기 산화물 반도체에 포함된 금속 및 수소 간의 결합 또는 상기 금속 및 수산기 간의 결합이 절단되며, 상기 수소 또는 상기 수산기는 물을 생성하기 위해 산소와 반응하고; 이는 나중에 수행된 열 처리에 의한 물과 같이, 불순물인 수소 또는 수산기의 용이한 제거를 이끈다.
산소가 상기 산화물 반도체층 위에 적층된 산화물 절연층을 통해 상기 산화물 반도체층에 도입되며, 따라서 산소가 도입되는 도입 깊이(도입 영역)는 제어될 수 있고, 따라서 산소는 상기 산화물 반도체층에 효율적으로 도입될 수 있다.
상기 산화물 반도체층 및 산소를 포함한 상기 산화물 절연층은 열 처리될 때 서로 접하며; 따라서 상기 산화물 반도체의 주성분 중 하나이고 불순물들의 제거 단계에서 감소되는 산소가 산소를 포함한 상기 산화물 절연층으로부터 상기 산화물 반도체층으로 공급될 수 있다. 따라서, 상기 산화물 반도체층은 전기적으로 i-형(진성)이 되도록 보다 고정제된다.
또한, 수분 또는 수소와 같은 불순물들이 외부로부터 들어가는 것을 방지하는 보호 절연층(또한 제 2 절연층이라 불림)이 바람직하게는 이들 불순물들이 상기 산화물 반도체층에 다시 포함되지 않도록 상기 산화물 절연층 위에 형성된다.
임계 전압 및 오프-상태 전류와 같이, 고정제된 산화물 반도체층을 포함한 트랜지스터의 전기적 특성들은 온도 의존성이 거의 없다. 또한, 트랜지스터 특성들은 광 열화로 인해 거의 변하지 않는다.
상술된 바와 같이, 고정제되고 전기적으로 i-형(진성) 산화물 반도체층을 포함한 트랜지스터의 전기적 특성들에서의 변화는 억제되며 상기 트랜지스터는 전기적으로 안정된다. 결과적으로, 높은 신뢰성 및 안정된 전기적 특성들을 가진 산화물 반도체를 사용한 반도체 장치가 제공될 수 있다.
상기 열 처리의 온도는 250℃ 이상 700℃ 이하, 400℃ 이상 700℃ 이하, 또는 상기 기판의 변형점(strain point) 미만이다. 상기 열 처리는 질소, 산소, 초-건조 공기(물 함유량이 20 ppm 이하, 바람직하게는 1 ppm 이하, 보다 바람직하게는 10 ppb 이하인 공기) 또는 희가스(아르곤, 헬륨 등)의 분위기 하에서 수행될 수 있다.
본 명세서에 개시된 본 발명의 일 실시예는 반도체 장치를 제작하기 위한 방법이며, 상기 방법은: 산화물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 산화물 반도체층과 접하도록 산화물 절연층인 제 1 절연층을 형성하는 단계; 상기 제 1 절연층을 통해 상기 산화물 반도체층에 산소를 도입하는 단계; 상기 제 1 절연층 및 상기 산화물 반도체층에 열 처리를 수행하는 단계; 및 상기 제 1 절연층 위에 제 2 절연층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 명세서에 개시된 본 발명의 또 다른 실시예는 반도체 장치를 제작하기 위한 방법이며, 상기 방법은: 기판 위에 게이트 전극층을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극층 위에 게이트 절연층을 형성하는 단계; 상기 게이트 절연층 위에 산화물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 산화물 반도체층 위에 소스 전극층 및 드레인 전극층을 형성하는 단계; 상기 산화물 반도체층과 접하도록 상기 산화물 반도체층, 상기 소스 전극층, 및 상기 드레인 전극층 위에 산화물 절연층인 제 1 절연층을 형성하는 단계; 상기 제 1 절연층을 통해 상기 산화물 반도체층에 산소를 도입하는 단계; 상기 제 1 절연층 및 상기 산화물 반도체층 상에 열 처리를 수행하는 단계; 및 상기 제 1 절연층 위에 제 2 절연층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 명세서에 개시된 본 발명의 또 다른 실시예는 반도체 장치를 제작하기 위한 방법이며, 상기 방법은: 기판 위에 소스 전극층 및 드레인 전극층을 형성하는 단계; 상기 소스 전극층 및 상기 드레인 전극층 위에 산화물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 산화물 반도체층과 접하도록 산화물 절연층인 제 1 절연층을 형성하는 단계; 상기 제 1 절연층을 통해 상기 산화물 반도체층에 산소를 도입하는 단계; 상기 제 1 절연층 및 상기 산화물 반도체층 상에 열 처리를 수행하는 단계; 상기 제 1 절연층 위에 제 2 절연층을 형성하는 단계; 및 상기 산화물 반도체층과 중첩하는 상기 제 2 절연층 위에 게이트 전극층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 구조들에서, 열 처리는 상기 제 1 절연층이 상기 산화물 반도체층 위에 형성되기 전에 상기 산화물 반도체층 상에 수행될 수 있다. 상기 산소 도입은 이온 주입법 또는 이온 도핑법에 의해 수행될 수 있다.
본 명세서에서 "제 1" 및 "제 2"와 같은 서수들은 편리함을 위해 사용되며 단계들의 순서 및 층들의 적층 순서를 나타내지 않는다는 것을 주의하자. 또한, 본 명세서에서 상기 서수들은 본 발명을 특정하는 특정 명칭들을 나타내지 않는다.
산화물 절연층은 산화물 반도체층과 접하도록 형성된다. 산소는 상기 산화물 절연층을 통해 상기 산화물 반도체층에 도입되며, 열 처리가 수행된다. 산소 도입 및 열 처리의 이들 단계들을 통해, 수소, 수분, 수산기, 또는 수소화물과 같은 불순물들이 상기 산화물 반도체층으로부터 의도적으로 제거될 수 있으며, 그에 의해 상기 산화물 반도체층이 고정제될 수 있다. 고정제되고 전기적으로 i-형(진성) 산화물 반도체층을 갖는 트랜지스터의 전기적 특성들에서의 변화가 억제되며, 상기 트랜지스터는 전기적으로 안정된다.
결과적으로, 본 발명의 일 실시예를 갖고, 안정된 전기적 특성들을 가진 트랜지스터가 제작될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예를 갖고, 양호한 전기적 특성들 및 신뢰성을 갖는 트랜지스터를 가진 반도체 장치가 제작될 수 있다.
도 1a 내지 도 1e는 반도체 장치 및 상기 반도체 장치를 제작하기 위한 방법의 일 실시예를 도시한 도면.
도 2a 내지 도 2d는 반도체 장치 및 상기 반도체 장치를 제작하기 위한 방법의 일 실시예를 도시한 도면.
도 3a 내지 도 3e는 반도체 장치 및 상기 반도체 장치를 제작하기 위한 방법의 일 실시예를 도시한 도면.
도 4a 및 도 4b는 각각 반도체 장치의 일 실시예를 도시한 도면.
도 5a 내지 도 5d는 반도체 장치 및 상기 반도체 장치를 제작하기 위한 방법의 일 실시예를 도시한 도면.
도 6a 내지 도 6c는 각각 반도체 장치의 일 실시예를 도시한 도면.
도 7은 반도체 장치의 일 실시예를 도시한 도면.
도 8은 반도체 장치의 일 실시예를 도시한 도면.
도 9는 반도체 장치의 일 실시예를 도시한 도면.
도 10a 및 도 10b는 반도체 장치의 일 실시예를 도시한 도면.
도 11a 및 도 11b는 전자 기기를 도시한 도면.
도 12a 내지 도 12f는 각각 전자 기기를 도시한 도면.
도 13a 및 도 13b는 반도체 장치의 일 실시예를 도시한 도면.
도 14는 산소 도입 조건 하에서 산화물 반도체층의 시트 저항을 도시한 도면.
이하에서는, 본 발명의 실시예들이 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 이하의 설명에 한정되지 않으며, 이 기술분야의 숙련자들에 의해 여기에 개시된 형태들 및 상세들이 다양한 방식들로 변경될 수 있다는 것이 쉽게 이해될 것이다. 또한, 본 발명은 이하에 도시된 실시예들에 대한 설명에 한정되는 것으로서 해석되지 않는다.
(실시예 1)
이 실시예에서, 반도체 장치 및 상기 반도체 장치를 제작하기 위한 방법의 일 실시예가 도 1a 내지 도 1e를 참조하여 설명될 것이다. 이 실시예에서, 산화물 반도체층을 포함한 트랜지스터가 상기 반도체 장치의 일 예로서 도시된다.
도 1e에 도시된 바와 같이, 트랜지스터(410)는 절연 표면을 가진 기판(400) 위에 형성되는, 게이트 전극층(401), 게이트 절연층(402), 산화물 반도체층(403), 소스 전극층(405a), 및 드레인 전극층(405b)을 포함한다. 산화물 절연층(407)(또한 제 1 절연층이라 불림) 및 보호 절연층(409)(또한 제 2 절연층이라 불림)이 이러한 순서로 상기 트랜지스터(410) 위에 적층된다.
도 1a 내지 도 1e는 상기 트랜지스터(410)를 제작하기 위한 방법의 일 예를 도시한다.
먼저, 도전막이 절연 표면을 가진 상기 기판(400) 위에 형성되며, 그 후, 상기 게이트 전극층(401)이 제 1 포토리소그래피 단계에서 형성된다. 레지스트 마스크가 잉크젯 법에 의해 형성될 수 있다는 것을 주의하자. 잉크젯 법에 의한 상기 레지스트 마스크의 형성은 포토마스크를 필요로 하지 않으며; 따라서 제작 비용이 감소될 수 있다.
비록, 절연 표면을 가진 상기 기판(400)을 위해 사용된 기판에 대한 특별한 제한은 없지만, 바륨 보로실리케이트 유리, 알루미노보로실리케이트 유리 등의 유리 기판이 사용될 수 있다.
상기 반도체 장치는 상기 기판(400)으로서 가요성 기판을 사용하여 제작될 수 있다.
가요성 반도체 장치를 제작하기 위해, 상기 산화물 반도체층(403)을 포함한 상기 트랜지스터(410)가 가요성 기판 위에 직접 제공될 수 있다. 대안적으로, 상기 산화물 반도체층(403)을 포함한 상기 트랜지스터(410)는 제작 기판 위에 제공되며, 그 후, 상기 트랜지스터(410)는 상기 제작 기판으로부터 분리되고 가요성 기판으로 이송된다. 상기 제작 기판으로부터 가요성 기판으로 분리 및 이송하기 위해, 분리층은 상기 제작 기판과 산화물 반도체층을 포함한 상기 트랜지스터 사이에 제공될 수 있다는 것을 주의하자.
하지막(base film)으로서 작용하는 절연막은 상기 기판(400) 및 상기 게이트 전극층(401) 사이에 제공될 수 있다. 상기하지 막은 상기 기판(400)으로부터 불순물 소자의 확산을 방지하는 기능을 가지며, 질화 실리콘막, 산화 실리콘막, 질화 산화 실리콘막, 및 산질화 실리콘막 중 하나 이상을 사용한 단층 구조 또는 적층 구조를 갖고 형성될 수 있다.
상기 게이트 전극층(401)은 몰리브덴, 티타늄, 탄탈, 텅스텐, 알루미늄, 구리, 네오디뮴, 또는 스칸듐과 같은 금속 재료, 또는 이들 재료들 중 임의의 것을 그것의 주성분으로서 포함하는 합금 재료를 사용한 단층 구조 또는 적층 구조를 갖도록 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 게이트 절연층(402)은 상기 게이트 전극층(401) 위에 형성된다. 상기 게이트 절연층(402)은 플라즈마 CVD법, 스퍼터링법 등에 의해 산화 실리콘층, 질화 실리콘층, 산질화 실리콘층, 질화 산화 실리콘층, 산화 알루미늄층, 질화 알루미늄층, 산질화 알루미늄층, 질화 산화 알루미늄층, 및 산화 하프늄층 중 임의의 것을 사용한 단층 구조 또는 적층 구조를 갖고 형성될 수 있다.
이 실시예에 사용된 상기 산화물 반도체는 불순물들이 제거되고 캐리어 공여체들로서 작용하고 상기 산화물 반도체층의 주성분 이외의 다른 물질들인 불순물들을 가능한 한 적게 포함하도록 고정제되는 진성(i-형) 또는 실질적으로 진성(i-형) 산화물 반도체이다.
이러한 고정제된 산화물 반도체는 계면 준위 및 계면 전하에 매우 민감하며; 따라서, 상기 산화물 반도체층 및 상기 게이트 절연층 간의 계면은 중요하다. 이러한 이유로, 고정제된 산화물 반도체층과 접하는 상기 게이트 절연층은 높은 품질을 가질 필요가 있다.
예를 들면, 치밀하고 높은 항복 전압 및 높은 품질을 가진 절연층이 획득될 수 있기 때문에 바람직하게는 마이크로파들(예로서, 2.45 GHz의 주파수)을 사용한 고-밀도 플라즈마 CVD법이 채택된다. 상기 고정제된 산화물 반도체 및 상기 고-품질 게이트 절연층은 서로 밀착되며, 그에 의해 상기 계면 준위 밀도는 양호한 계면 특성들을 획득하기 위해 저감될 수 있다.
말할 필요도 없이, 스퍼터링법 또는 플라즈마 CVD법과 같은 또 다른 막 형성 방법이, 상기 방법이 게이트 절연층으로서 양호한-품질의 절연층의 형성을 가능하게 하는 한 이용될 수 있다. 또한, 막 품질과 상기 절연층 및 산화물 반도체 간의 계면의 특성이 상기 절연층의 형성 후 수행된 열 처리에 의해 개선되는 절연층이 게이트 절연층으로서 형성될 수 있다. 어쨌든, 임의의 절연층이, 게이트 절연층으로서 양호한 막 품질을 가질 뿐만 아니라 상기 절연층 및 산화물 반도체 간의 상기 계면의 계면 준위 밀도에서의 감소 및 양호한 계면의 형성을 가능하게 하는 특성들을 갖는 한 사용될 수 있다.
수소, 수산기, 및 수분이 가능한 한 적게 상기 게이트 절연층(402) 및 상기 산화물 반도체층에 포함될 수 있도록, 그 위에 상기 게이트 전극층(401)이 형성되는 상기 기판(400) 또는 상기 게이트 절연층(402)까지 층들이 형성되는 상기 기판(400)이 상기 기판(400)에 흡수된 수소 및 수분과 같은 불순물들이 제거되고 배기되도록 상기 산화물 반도체층의 막 형성을 위한 사전 처리로서 스퍼터링 장치의 예열실(preheating chamber)에서 예열되는 것이 바람직하다. 상기 예열실에 제공된 배기 수단으로서, 크라이오펌프가 바람직하다. 이러한 예열실은 생략될 수 있다는 것을 주의하자. 이러한 예열은 상기 산화물 절연층(407)의 형성 전에, 유사하게는 그 위에 소스 전극층(405a) 및 드레인 전극층(405b)까지의 층들이 형성되는 상기 기판(500) 상에서 수행될 수 있다.
다음으로, 상기 게이트 절연층(402) 위에, 2 nm 이상 200 nm 이하, 바람직하게는 5 nm 이상 30 nm 이하의 두께를 가진 산화물 반도체층이 형성된다.
상기 산화물 반도체층이 스퍼터링법에 의해 형성되기 전에, 막 형성시 생성되고 상기 게이트 절연층(402)의 표면상에 부착된 가루 물질들(또한 입자들 또는 먼지라 불림)이 바람직하게는 아르곤 가스가 도입되고 플라즈마가 생성되는 역 스퍼터링에 의해 제거된다. 상기 역 스퍼터링은 기판 표면이 변경되도록 전압이 RF 전원을 사용함으로써 아르곤 분위기 하에서 타겟 측이 아닌, 기판 측에 인가되고, 상기 기판의 부근에 플라즈마가 생성되는 방법이다. 아르곤 분위기 대신에, 질소 분위기, 헬륨 분위기, 산소 분위기 등이 사용될 수 있다는 것을 주의하자.
상기 산화물 반도체층을 위해 사용된 산화물 반도체로서, In-Sn-Ga-Zn-O계 산화물 반도체와 같은 4-원계 금속 산화물; In-Ga-Zn-O계 산화물 반도체, In-Sn-Zn-O계 산화물 반도체, In-Al-Zn-O계 산화물 반도체, Sn-Ga-Zn-O계 산화물 반도체, Al-Ga-Zn-O계 산화물 반도체, 또는 Sn-Al-Zn-O계 산화물 반도체와 같은 3-원계 금속 산화물; In-Zn-O계 산화물 반도체, Sn-Zn-O계 산화물 반도체, Al-Zn-O계 산화물 반도체, Zn-Mg-O계 산화물 반도체, Sn-Mg-O계 산화물 반도체, 또는 In-Mg-O계 산화물 반도체와 같은 2-원계 금속 산화물; In-O계 산화물 반도체; Sn-O계 산화물 반도체; 또는 Zn-O계 산화물 반도체가 사용될 수 있다. 또한, SiO2가 상기 산화물 반도체에 포함될 수 있다. 여기에서, 예를 들면, In-Ga-Zn-O계 산화물 반도체는 인듐(In), 갈륨(Ga), 및 아연(Zn)을 의미하며, 그 화학량론적 비에 대한 특별한 제한은 없다는 것을 주의하자. 더욱이, 상기 In-Ga-Zn-O계 산화물 반도체는 In, Ga, 및 Zn 이외의 다른 원소를 포함할 수 있다.
상기 산화물 반도체층을 위해, InMO3(ZnO)m(m>0, 및 m은 자연수가 아니다)에 의해 표현된 박막이 사용될 수 있다. 여기에서, M은 Ga, Al, Mn, 및 Co로부터 선택된 하나 이상의 금속 원소들을 나타낸다. 예를 들면, M은 Ga, Ga와 Al, Ga와 Mn, Ga와 Co 등일 수 있다.
이 실시예에서, 상기 산화물 반도체층은 스퍼터링법에 의해 In-Ga-Zn-O계 금속 산화물 타겟을 사용하여 형성된다. 또한, 상기 산화물 반도체층은 희가스(대표적으로, 아르곤) 분위기, 산소 분위기, 또는 희가스 및 산소의 혼합 분위기 하에서 스퍼터링법에 의해 형성될 수 있다.
스퍼터링법에 의해 상기 산화물 반도체층의 형성을 위해 사용된 상기 타겟은 예를 들면, In2O3:Ga2O3:ZnO = 1:1:1 [몰 비]의 조성비를 가진 금속 산화물 타겟이며, 따라서, In-Ga-Zn-O 막이 형성된다. 상기 재료 및 상기 타겟의 구성요소에 대한 제한 없이, 예를 들면, In2O3:Ga2O3:ZnO = 1:1:2 [몰 비]의 조성비를 가진 금속 산화물 타겟이 사용될 수 있다.
상기 금속 산화물 타겟의 충전율(fill rate)은 90% 이상 100% 이하, 바람직하게는 95% 이상 99.9% 이하이다. 높은 충전율을 가진 금속 산화물 타겟을 사용하여, 상기 형성된 산화물 반도체층은 높은 밀도를 가질 수 있다.
산화물 반도체층이 형성될 때 사용된 스퍼터링 가스로서 수소, 물, 수산기, 또는 수소화물과 같은 불순물들이 제거되는 고-순도 가스를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 기판은 감압하에서 성막실(film formation chamber)에 위치되며 상기 기판 온도는 100℃ 이상 600℃ 이하, 바람직하게는 200℃ 이상 400℃ 이하로 설정된다. 막 형성 동안 상기 기판을 가열함으로써, 형성된 상기 산화물 반도체층에 포함된 불순물들의 농도는 저감될 수 있다. 또한, 스퍼터링에 의한 손상이 감소될 수 있다. 그 후, 수소 및 수분이 제거되는 스퍼터링 가스가 그 안에 남아있는 수분이 제거되는 동안 상기 성막실로 도입되며, 상기 산화물 반도체층은 상기 타겟의 사용으로 상기 기판(400) 위에 형성된다. 상기 성막실에서 남아있는 수분을 제거하기 위해, 흡착형 진공 펌프(entrapment vacuum pump), 예를 들면, 크라이오펌프, 이온 펌프, 또는 티타늄 승화 펌프(titanium sublimation pump)가 사용되는 것이 바람직하다. 배기 수단으로서, 콜드 트랩이 부가되는 터보 분자 펌프가 사용될 수 있다. 상기 크라이오펌프를 갖고 배기되는 상기 성막실에서, 수소 원자, 물(H2O)과 같이 수소 원자를 포함한 화합물(보다 바람직하게는, 또한 탄소 원자를 포함한 화합물) 등이 배기되며, 그에 의해 상기 성막실에 형성된 상기 산화물 반도체층에 포함된 불순물들의 농도는 저감될 수 있다.
상기 성막 조건의 일 예로서, 상기 기판 및 상기 타겟 간의 거리는 100 mm이고, 상기 압력은 0.6 Pa이고, 직류(DC) 전원은 0.5 kW이며, 상기 분위기는 산소 분위기(산소 유량 비율은 100%이다)이다. 펄스 직류 전원은 상기 성막 시 생성된 가루 물질들(또한 입자들 또는 먼지라 불림)이 감소될 수 있고 상기 막 두께가 균일할 수 있기 때문에 바람직하다는 것을 주의하자.
다음으로, 제 2 포토리소그래피 단계에서, 상기 산화물 반도체층은 섬형상 산화물 반도체층(441)으로 가공된다(도 1a 참조). 상기 섬형상 산화물 반도체층(441)을 형성하기 위한 레지스트 마스크가 잉크젯 법을 사용하여 형성될 수 있다. 잉크젯 법에 의한 상기 레지스트 마스크의 형성은 포토마스크를 필요로 하지 않으며; 따라서 제작 비용이 감소될 수 있다.
콘택트 홀(contact hole)이 상기 게이트 절연층(402)에 형성되는 경우에, 상기 콘택트 홀을 형성하는 단계는 상기 산화물 반도체층(441)의 가공과 동일한 시간에 수행될 수 있다.
상기 산화물 반도체층의 에칭은 드라이 에칭, 웨트 에칭, 또는 드라이 에칭 및 웨트 에칭 모두일 수 있다는 것을 주의하자. 상기 산화물 반도체층의 웨트 에칭을 위한 에천트로서, 예를 들면, 인산, 아세트산, 및 질산을 혼합함으로써 획득된 용액, 암모니아과수(31 wt%에서의 과산화수소수: 28 wt%에서의 암모니아수: 물 = 5:2:2) 등이 사용될 수 있다. 또한, ITO07N(칸토 케미칼 코., 인크.(KANTO CHEMICAL CO., INC.)에 의해 제조)이 또한 사용될 수 있다.
다음으로, 소스 전극층 및 드레인 전극층(상기 소스 전극층 및 상기 드레인 전극층과 동일한 층에 형성된 배선을 포함)이 되도록 도전막이 상기 게이트 절연층(402) 및 상기 산화물 반도체층(441) 위에 형성된다. 상기 소스 전극층 및 상기 드레인 전극층을 위해 사용된 도전막으로서, 예를 들면, Al, Cr, Cu, Ta, Ti, Mo, 및 W로부터 선택된 원소를 포함한 금속막 및 상기 원소들 중 임의의 것을 그것의 주성분으로서 포함하는 금속 질화물 막(질화 티타늄막, 질화 몰리브덴 막, 및 질화 텅스텐막)이 사용될 수 있다. Ti, Mo, W 등의 높은 용해점을 가진 금속막 또는 이들 원소들 중 임의의 것의 금속 질화물 막(질화 티타늄막, 질화 몰리브덴 막, 및 질화 텅스텐막)이 Al, Cu 등의 금속막의 하부 측 또는 상부 측 중 하나 또는 둘 모두 상에 적층될 수 있다. 대안적으로, 상기 소스 전극층 및 상기 드레인 전극층이 될 상기 도전막은 도전성 금속 산화물을 사용하여 형성될 수 있다. 도전성 금속 산화물로서, 산화 인듐(In2O3), 산화 주석(SnO2), 산화 아연(ZnO), 산화 인듐 및 산화 주석의 합금(In2O3-SnO2, ITO로서 약칭됨), 산화 인듐 및 산화 아연의 합금(In2O3-ZnO), 또는 산화 실리콘이 포함되는 이들 금속 산화물 재료들 중 임의의 것이 사용될 수 있다.
레지스트 마스크는 제 3 포토리소그래피 단계에 의해 상기 도전막 위에 형성된다. 에칭은 선택적으로 수행되며, 따라서 상기 소스 전극층(405a) 및 상기 드레인 전극층(405b)이 형성된다. 그 후, 상기 레지스트 마스크가 제거된다.
상기 제 3 포토리소그래피 단계에서 상기 레지스트 마스크의 형성시 노광은 자외선 광, KrF 레이저 광, 또는 ArF 레이저 광을 사용하여 수행될 수 있다. 나중에 형성된 상기 트랜지스터의 채널 길이(L)는 상기 산화물 반도체층(441) 위에서 서로 이웃하는 상기 소스 전극층의 하단부 및 상기 드레인 전극층의 하단부 사이의 거리에 의해 결정된다. 노광이 25 nm 미만의 채널 길이(L)를 위해 수행되는 경우에, 상기 제 3 포토리소그래피 단계에서 상기 레지스트 마스크의 형성시 상기 노광은 수 나노미터들 내지 수십 나노미터들의 매우 짧은 파장을 가진 극자외선 광을 사용하여 수행될 수 있다. 극자외선 광에 의한 상기 노광에서, 상기 해상도는 높으며 초점 심도는 크다. 결과적으로, 나중에 형성될 상기 트랜지스터의 채널 길이(L)는 10 nm 내지 1000 nm일 수 있으며, 그에 의해 회로의 동작 속도는 증가될 수 있다.
포토리소그래피 단계에서 사용된 포토마스크들의 수를 감소시키고 포토리소그래피 단계들의 수를 감소시키기 위해, 에칭 단계가 복수의 강도들을 갖도록 광이 투과되는 노광 마스크인 다계조 마스크(multi-tone mask)를 사용하여 수행될 수 있다. 다계조 마스크를 사용하여 형성된 레지스트 마스크는 복수의 두께들을 가지며 또한 에칭에 의해 형상이 변경될 수 있으며; 그러므로, 상기 레지스트 마스크는 상이한 패턴들로 처리하기 위한 복수의 에칭 단계들에서 사용될 수 있다. 그러므로, 적어도 두 종류 이상의 상이한 패턴들에 대응하는 레지스트 마스크가 하나의 다계조 마스크에 의해 형성될 수 있다. 따라서, 노광 마스크들의 수는 감소될 수 있고 대응하는 포토리소그래피 단계들의 수가 또한 감소될 수 있으며, 그에 의해 프로세스의 간략화가 실현될 수 있다.
에칭 조건들은 상기 도전막이 에칭될 때 상기 산화물 반도체층(441)을 에칭하고 분할하지 않도록 최적화되는 것이 바람직하다는 것을 주의하자. 그러나, 단지 상기 도전막이 에칭되고 상기 산화물 반도체층(441)이 전혀 에칭되지 않는 에칭 조건들을 획득하는 것은 어려우며; 몇몇 경우들에서, 단지 상기 산화물 반도체층(441)의 일부만이 홈부(오목부)가 되도록 상기 도전막의 에칭에 의해 에칭된다.
이 실시예에서, Ti 막이 상기 도전막으로서 사용되고 상기 In-Ga-Zn-O계 산화물 반도체가 상기 산화물 반도체층(441)을 위해 사용되기 때문에, 암모니아과수(암모니아 수, 물, 및 과산화수소수의 혼합액)가 에칭액으로서 사용된다.
다음으로, N2O, N2, 또는 Ar과 같은 가스를 사용한 플라즈마 처리에 의해, 상기 산화물 반도체층(441)의 노출된 부분의 표면에 흡수된 물 등이 제거될 수 있다. 상기 플라즈마 처리가 수행되는 경우에, 상기 산화물 반도체층(441)의 일부와 접하는 상기 산화물 절연층(407)이 공기에 노출되지 않고 형성된다.
상기 산화물 절연층(407)은 적어도 1 nm 이상의 두께를 가지며 스퍼터링법과 같이, 물 및 수소와 같은 불순물들이 상기 산화물 절연층(407)에 포함되지 않는 방법에 의해 적절하게 형성될 수 있다. 수소가 상기 산화물 절연층(407)에 포함될 때, 상기 산화물 반도체층으로의 상기 수소의 진입 또는 상기 수소에 의한 상기 산화물 반도체층에서의 산소의 추출이 야기되며, 그에 의해 상기 산화물 반도체층의 백채널의 저항이 낮아지고(n-형 도전성을 갖도록), 따라서 기생 채널이 형성될 수 있다. 그러므로, 수소가 사용되지 않는 형성 방법이 상기 산화물 절연층(407)이 수소를 가능한 한 적게 포함하도록 이용된다는 것이 중요하다.
상기 산화물 절연층(407)을 위해, 대표적으로, 산화 실리콘막 또는 산질화 실리콘막과 같은 무기 절연막이 사용될 수 있다.
이 실시예에서, 상기 산화물 절연층(407)으로서, 200 nm의 두께를 가진 산화 실리콘막이 스퍼터링법에 의해 형성된다. 막 형성에서 기판 온도는 실온 이상 300℃ 이하일 수 있으며 이 실시예에서는 100℃이다. 상기 산화 실리콘막은 희가스(대표적으로, 아르곤) 분위기, 산소 분위기, 또는 희가스 및 산소를 포함한 혼합 분위기 하에서 스퍼터링법에 의해 형성될 수 있다. 타겟으로서, 산화 실리콘 타겟 또는 실리콘 타겟이 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 산화 실리콘막이 산소를 포함한 분위기에서 스퍼터링법에 의해 실리콘 타겟을 사용하여 형성될 수 있다.
상기 산화물 반도체층의 막 형성과 동시에 상기 산화물 절연층(407)의 성막실에 남아있는 수분을 제거하기 위해, 바람직하게는 흡착형 진공 펌프(크라이오펌프와 같은)가 사용된다. 크라이오펌프가 상기 성막실을 배기하기 위해 형성될 때, 상기 산화물 절연층(407)에 포함된 불순물들의 농도는 감소될 수 있다. 또한, 상기 산화물 절연층(407)의 상기 성막실에 남아있는 수분을 제거하기 위한 배기 수단으로서, 콜드 트랩을 갖춘 터보 분자 펌프가 사용될 수 있다.
수소, 물, 수산기, 또는 수소화물과 같은 불순물들이 제거되는 고-순도 가스가 바람직하게는 상기 산화물 절연층(407)의 형성에 사용된 스퍼터링 가스로서 사용된다.
다음으로, 산소(421)가 상기 산화물 절연층(407)을 통해 상기 산화물 반도체층(441)에 도입된다(도 1c 참조).
상기 산소(421)를 도입하기 위한 방법으로서, 이온 주입법, 이온 도핑법 등이 사용될 수 있다. 이온 주입법에서, 소스 가스가 플라즈마화되며, 이러한 플라즈마에 포함된 이온종들이 추출되고 질량 분리되며, 미리 결정된 질량을 가진 이온종들이 가속되며 이온 빔으로서 피처리물에 주입된다. 이온 도핑법에서, 소스 가스는 플라즈마화되며, 이온종들이 미리 결정된 전계의 동작에 의해 이 플라즈마로부터 추출되며, 상기 추출된 이온종들은 질량 분리 없이 가속되고 이온 빔으로서 피처리물에 주입된다. 산소의 도입이 질량 분리를 수반한 이온 주입법을 사용하여 수행될 때, 금속 원소와 같은 불순물이 상기 산화물 반도체층으로 첨가되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 이온 도핑법은 이온 주입법보다 큰 영역으로의 이온-빔 조사를 가능하게 하며; 그러므로, 산소의 첨가가 이온 도핑법을 사용하여 수행될 때, 택 타임(takt time)은 단축될 수 있다.
산소가 상기 산화물 반도체층(441) 위에 적층된 상기 산화물 절연층(407)을 통해 상기 산화물 반도체층(441)에 도입되며, 따라서 산소가 도입되는 도입 깊이(도입 영역)는 제어될 수 있고 따라서 산소가 상기 산화물 반도체층(441)에 충분히 도입될 수 있다. 산소가 도입되는 상기 깊이는 가속 전압 및 도즈량(dose)과 같은 도입 조건 또는 상기 산소가 통과하는 산화물 절연층의 두께를 적절히 설정함으로써 제어될 수 있다. 산소 가스가 사용되고 산소가 이온 주입법에 의해 도입되는 경우에, 상기 도즈량은 1×1013 이온/㎠ 이상 5×1015 이온/㎠ 이하의 범위에서 설정될 수 있다.
특히, 산화물 반도체층의 채널 형성 영역에 수소, 물, 수산기, 또는 수소화물과 같은 불순물들을 제거하는 것이 중요하며, 따라서 보텀-게이트 구조를 가진 상기 트랜지스터(410)에서, 많은 양의 산소가 바람직하게는 상기 산화물 반도체층(441)에서 상기 게이트 절연층(402)과의 계면의 부근에 도입된다.
상기 산화물 반도체층에서 상기 도입된 산소 농도의 피크는 1×1018 /㎤ 내지 3×1020 /㎤(보다 바람직하게는, 1×1018 /㎤ 내지 1×1020 /㎤)인 것이 바람직하다.
상술된 산소 농도는 다음 방식으로 측정될 수 있다: 질량수 18의 산소 동위원소가 산소로서 도입되며, 상기 도입 후, 상기 산화물 반도체층에서의 상기 질량 수 18의 산소 동위 원소의 농도는 2차 이온 질량 분석법(secondary ion mass spectroscopy; SIMS)에 의해 분석된다.
다음으로, 산소가 도입되고 그 일부(채널 형성 영역)가 상기 산화물 절연층(407)과 접하는 상기 산화물 반도체층(441)이 열 처리된다.
상기 열 처리의 온도는 250℃ 이상 700℃ 이하, 바람직하게는 400℃ 이상 700℃ 이하, 또는 상기 기판의 변형점 미만이다. 예를 들면, 상기 기판이 열 처리 장치의 한 종류인 전기로에 넣어진 후, 상기 산화물 반도체층(441)은 질소 분위기에서 1시간 동안 450℃에서 상기 열 처리를 겪는다.
사용된 열 처리 장치는 전기로에 한정되지 않으며, 저항 발열체와 같은 가열 소자로부터 열 도전 또는 열 복사에 의해 피처리물을 가열하기 위한 장치가 대안적으로 사용될 수 있다는 것을 주의하자. 예를 들면, 가스 급속 열 어닐(GRTA) 장치 또는 램프 급속 열 어닐(LRTA) 장치와 같은 급속 열 어닐(RTA) 장치가 사용될 수 있다. LRTA 장치는 할로겐 램프, 메탈 할라이드 램크, 크세논 아크 램프, 탄소 아크 램프, 고압 나트륨 램프, 또는 고압 수은 램프와 같은 램프로부터 방출된 광(전자기파)의 복사에 의해 피처리물을 가열하기 위한 장치이다. GRTA 장치는 고온 가스를 사용한 열 처리를 위한 장치이다. 상기 고온 가스로서, 질소 또는 희가스와 같이, 열 처리에 의해 피처리물과 반응하지 않는 불활성 가스가 사용된다.
예를 들면, 상기 열 처리로서, GRTA가 다음과 같이 수행될 수 있다. 상기 기판은 650℃ 내지 700℃의 고온에서 가열된 불활성 가스에 넣어지고, 수분 동안 가열되며, 상기 불활성 가스로부터 꺼내어진다.
상기 열 처리가 질소, 산소, 초-건조 공기(물 함유량이 20 ppm 이하, 바람직하게는 1 ppm 이하, 보다 바람직하게는 10 ppb 이하인 공기), 또는 희가스(아르곤, 헬륨 등)의 분위기 하에서 수행될 수 있다. 물, 수소 등이 질소, 산소, 초-건조 공기, 또는 희가스의 분위기에 포함되지 않는 것이 바람직하다는 것을 주의하자. 열 처리 장치로 도입되는 질소, 산소, 또는 희가스의 순도는 6N(99.9999%) 이상, 바람직하게는 7N(99.99999%) 이상(즉, 불순물 농도는 1 ppm 이하, 바람직하게는 0.1 ppm 이하)로 설정되는 것이 또한 바람직하다.
상기 산소의 도입에 의해, 상기 산화물 반도체에 포함된 금속 및 수소 사이의 결합 또는 상기 금속 및 수산기 사이의 결합이 절단된다. 동시에, 상기 수소 또는 상기 수산기는 물을 생성하기 위해 산소와 반응한다. 결과적으로, 불순물인 수소 또는 수산기는 나중에 수행된 상기 열 처리에 의해 물로서 쉽게 제거될 수 있다.
상기 산소의 도입 및 상기 열 처리에 의해, 상기 산화물 반도체층은 탈수화 또는 탈수소화될 수 있으며, 그에 의해 수소, 물, 수산기, 또는 수소화물과 같은 불순물들이 상기 산화물 반도체층으로부터 제거될 수 있다.
상기 산화물 반도체층(441) 및 산소를 포함한 상기 산화물 절연층(407)은 열 처리될 때 서로 접하며; 따라서, 상기 산화물 반도체층(441)의 주성분 중 하나이고 불순물들을 제거하는 단계에서 감소되는 산소가 산소를 포함한 상기 산화물 절연층(407)으로부터 상기 산화물 반도체층(441)으로 공급될 수 있다. 상기 공정을 통해, 상기 산화물 반도체층(441)은 고정제되며, 따라서 상기 전기적으로 i-형(진성) 산화물 반도체층(403)이 획득된다.
상기 고정제된 산화물 반도체층(403)에서의 캐리어들의 수는 매우 작으며(0에 가까운), 상기 캐리어 농도는 1×1014 /㎤ 미만, 바람직하게는 1×1012 /㎤ 미만, 더 바람직하게는 1×1011 /㎤ 미만이다.
상기 공정을 통해, 상기 트랜지스터(410)가 형성된다(도 1d 참조). 상기 트랜지스터(410)는 고정제되고 그로부터 수소, 수분, 수산기, 또는 수소화물(또한 수소 화합물이라 불림)과 같은 불순물들이 의도적으로 제거되는 상기 산화물 반도체층(403)을 포함한 트랜지스터이다. 그러므로, 상기 트랜지스터(410)의 전기적 특성들에서의 변화가 억제되며 상기 트랜지스터(410)는 전기적으로 안정된다.
수분 또는 수소와 같은 불순물들이 외부로부터 들어오는 것을 방지하는 상기 보호 절연층(409)이 바람직하게는 이들 불순물들이 상기 산화물 반도체층(403)에 다시 포함되지 않도록 상기 산화물 절연층(407) 위에 형성된다(도 1e 참조). 무기 절연막이 상기 보호 절연층(409)을 위해 사용되며, 질화 실리콘막, 산화 알루미늄 막 등이 사용될 수 있다. 예를 들면, 질화 실리콘막이 RF 스퍼터링법에 의해 형성된다. RF 스퍼터링법은 높은 양산성을 가지므로, 상기 보호 절연층(409)의 막 형성 방법으로서 사용되는 것이 바람직하다.
열 처리가 상기 보호 절연층(409)이 형성된 후 수행될 수 있다. 예를 들면, 상기 열 처리는 대기중에서 100℃ 이상 200℃ 이하로 1시간 이상 30시간 이하 동안 수행될 수 있다. 이러한 열 처리는 고정된 가열 온도에서 수행될 수 있다. 대안적으로, 가열 온도에서의 다음의 변화가 복수 회 반복적으로 행해질 수 있다: 상기 가열 온도는 실온에서 100℃ 이상 200℃ 이하의 온도로 증가되며 그 후 실온으로 감소된다.
이 실시예에서 제작된 상기 고정제된 산화물 반도체층(403)을 사용한 상기 트랜지스터(410)에서, 채널 폭에서 마이크로미터당 오프 상태에서의 전류(오프-상태 전류 값)는 실온에서 10 zA/㎛ 미만, 85℃에서 100zA/㎛ 미만으로 감소될 수 있다.
또한, 상기 산화물 반도체층(403)을 포함한 상기 트랜지스터(410)의 전계-효과 이동도는 비교적 높을 수 있으며, 그에 의해 고-속 동작이 가능하다. 예를 들면, 고속으로 동작할 수 있는 이러한 트랜지스터가 액정 표시 장치를 위해 사용될 때, 화소부에서의 스위칭 트랜지스터 및 구동 회로부에서의 구동기 트랜지스터가 하나의 기판 위에 형성될 수 있다. 즉, 실리콘 웨이퍼 등으로 형성된 반도체 장치가 부가적으로 구동 회로로서 요구되지 않기 때문에, 상기 반도체 장치의 구성요소들의 수는 감소될 수 있다. 또한, 화소부에서 고속으로 동작할 수 있는 트랜지스터를 사용함으로써, 고-품질 이미지가 제공될 수 있다.
상술된 바와 같이, 안정된 전기적 특성들을 가진 산화물 반도체를 포함한 반도체 장치가 제공될 수 있다. 그러므로, 높은 신뢰성을 가진 반도체 장치가 제공될 수 있다.
(실시예 2)
이 실시예에서, 반도체 장치 및 상기 반도체 장치를 제작하기 위한 방법의 또 다른 실시예가 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 설명될 것이다. 상기 실시예에서의 것들과 동일한 부분 또는 그것과 유사한 기능을 가진 부분은 상기 실시예에 설명된 것과 유사한 방식으로 형성될 수 있고, 또한 상기 실시예에서의 것들과 유사한 단계들이 상기 실시예에서 설명된 것과 유사한 방식으로 수행될 수 있으며, 반복적인 설명은 생략된다. 또한, 동일한 부분들에 대한 상세한 설명은 생략된다.
도 2a 내지 도 2d에 도시된 트랜지스터(450)는 탑-게이트 트랜지스터 중 하나인 스태거형 박막 트랜지스터이다.
상기 트랜지스터(450)는 절연 표면을 가진 상기 기판(400) 위에 형성되는, 상기 소스 전극층(405a), 상기 드레인 전극층(405b), 상기 산화물 반도체층(403), 산화물 절연층(437), 보호 절연층(438), 및 상기 게이트 전극층(401)을 포함한다. 상기 산화물 절연층(437) 및 상기 보호 절연층(438)은 게이트 절연층으로서 작용한다.
도 2a 내지 도 2d는 상기 트랜지스터(450)를 제작하기 위한 방법의 일 예를 도시한다.
먼저, 절연층(436)이 절연 표면을 가진 상기 기판(400) 위에 형성된다.
상기 소스 전극층(405a) 및 상기 드레인 전극층(405b)은 상기 절연층(436) 위에 형성된다. 산화물 반도체층(451)은 상기 산화물 반도체층(441)의 것과 유사한 방식으로, 상기 절연층(436), 상기 소스 전극층(405a), 및 상기 드레인 전극층(405b) 위에 형성된다. 이 실시예에서, 산화물 반도체 막이 스퍼터링법에 의해 In-Ga-Zn-O계 금속 산화물 타겟을 사용하여 형성되며, In-Ga-Zn-O계 산화물 반도체 막은 섬형상 산화물 반도체층(451)으로 처리된다(도 2a 참조).
게이트 절연층으로서 기능하는 상기 산화물 절연층(437)은 상기 산화물 반도체층(451) 위에 형성된다. 상기 산화물 절연층(437)은 상기 산화물 절연층(407)의 것과 유사한 방식으로 형성된다. 이 실시예에서, 산화 실리콘막은 스퍼터링법에 의해 상기 산화물 절연층(437)으로서 200 nm의 두께를 갖도록 형성된다.
다음으로, 상기 산소(421)가 상기 산화물 절연층(437)을 통해 상기 산화물 반도체층(451)으로 도입된다(도 2b 참조). 상기 산소(421)를 도입하기 위한 방법으로서, 이온 주입법, 이온 도핑법 등이 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 이온 주입법이 산소를 도입하기 위해 산소 가스를 사용하여 수행된다.
산소가 상기 산화물 반도체층(451) 위에 적층된 상기 산화물 절연층(437)을 통해 상기 산화물 반도체층(451)에 도입되며, 따라서 산소가 도입되는 도입 깊이(도입 영역)가 제어될 수 있고 따라서 산소가 상기 산화물 반도체층(451)에 충분히 도입될 수 있다. 산소가 도입되는 상기 깊이는 가속 전압 및 도즈량과 같은 도입 조건 또는 상기 산소가 통과하는 산화물 절연층(437)의 두께를 적절히 설정함으로써 제어될 수 있다. 예를 들면, 산소 가스가 사용되고 산소가 이온 주입법에 의해 도입되는 경우에, 상기 도즈량은 1×1013 이온/㎠ 이상 5×1015 이온/㎠ 이하의 범위에서 설정될 수 있다.
특히, 산화물 반도체층의 채널 형성 영역에 수소, 물, 수산기, 또는 수소화물과 같은 불순물들을 제거하는 것이 중요하며, 따라서 탑-게이트 구조를 가진 상기 트랜지스터(450)에서, 많은 양의 산소가 바람직하게는 상기 산화물 반도체층(451)에서 상기 산화물 절연층(437)과의 계면의 부근에 도입된다.
상기 산화물 반도체층에서 상기 도입된 산소 농도의 피크는 1×1018 /㎤ 내지 3×1020 /㎤(보다 바람직하게는, 1×1018 /㎤ 내지 1×1020 /㎤)인 것이 바람직하다.
상술된 산소 농도는 다음 방식으로 측정될 수 있다: 질량수 18의 산소 동위원소가 산소로서 도입되며, 상기 도입 후, 상기 산화물 반도체층에서의 상기 질량 수 18의 산소 동위 원소의 농도는 2차 이온 질량 분석법(SIMS)에 의해 분석된다.
다음으로, 산소가 도입되고 상기 산화물 절연층(437)과 접하는 상기 산화물 반도체층(451)이 열 처리된다.
상기 열 처리의 온도는 250℃ 이상 700℃ 이하, 바람직하게는 400℃ 이상 700℃ 이하, 또는 상기 기판의 변형점 미만이다. 상기 열 처리는 질소, 산소, 초-건조 공기(물 함유량이 20 ppm 이하, 바람직하게는 1 ppm 이하, 보다 바람직하게는 10 ppb 이하인 공기), 또는 희가스(아르곤, 헬륨 등)의 분위기 하에서 수행될 수 있다. 물, 수소 등이 질소, 산소, 초-건조 공기, 또는 희가스의 분위기에 포함되지 않는 것이 바람직하다는 것을 주의하자. 예를 들면, 상기 기판이 열 처리 장치의 한 종류인 전기로에 넣어진 후, 상기 산화물 반도체층(451)은 질소 분위기에서 450℃에서 1시간 동안 열 처리된다.
상기 산소의 도입에 의해, 상기 산화물 반도체에 포함된 금속 및 수소 사이의 결합 또는 상기 금속 및 수산기 사이의 결합이 절단된다. 동시에, 상기 수소 또는 상기 수산기는 물을 생성하기 위해 산소와 반응한다. 결과적으로, 불순물인 수소 또는 수산기는 나중에 수행된 열 처리에 의해 물로서 쉽게 제거될 수 있다.
상기 산소의 도입 및 상기 열 처리에 의해, 상기 산화물 반도체층(451)은 탈수화 또는 탈수소화될 수 있으며, 그에 의해 수소, 물, 수산기, 또는 수소화물과 같은 불순물들이 상기 산화물 반도체층으로부터 제거될 수 있다.
상기 산화물 반도체층(451) 및 산소를 포함한 상기 산화물 절연층(437)은 열 처리될 때 서로 접하며; 따라서, 상기 산화물 반도체층의 주성분 중 하나이고 불순물들을 제거하는 단계에서 감소되는 산소가, 산소를 포함한 상기 산화물 절연층(437)으로부터 상기 산화물 반도체층(451)으로 공급될 수 있다. 상기 공정을 통해, 상기 산화물 반도체층(451)은 고정제되며, 따라서 상기 전기적으로 i-형(진성) 산화물 반도체층(403)이 획득된다(도 2c 참조).
수분 또는 수소와 같은 불순물들이 외부로부터 들어오는 것을 방지하는 상기 보호 절연층(438)이 바람직하게는 이들 불순물들이 상기 산화물 반도체층(403)에 다시 포함되지 않도록 상기 산화물 절연층(437) 위에 형성된다. 상기 보호 절연층(438)은 또한 상기 산화물 절연층(437)과 같이 게이트 절연층으로서 기능한다. 예를 들면, 질화 실리콘막이 RF 스퍼터링법에 의해 상기 보호 절연층(438)으로서 형성된다.
상기 게이트 전극층(401)이 상기 산화물 반도체층(403)과 중첩하는 상기 보호 절연층(438) 위에 형성된다.
상기 공정을 통해, 상기 트랜지스터(450)가 형성된다(도 2d 참조). 상기 트랜지스터(450)는 고정제되고 그로부터 수소, 수분, 수산기, 또는 수소화물(또한 수소 화합물이라 불림)과 같은 불순물들이 의도적으로 제거되는 상기 산화물 반도체층(403)을 포함한 트랜지스터이다. 그러므로, 상기 트랜지스터(450)의 전기적 특성들에서의 변화가 억제되며 상기 트랜지스터(450)는 전기적으로 안정된다.
상술된 바와 같이, 안정된 전기적 특성들을 가진 산화물 반도체를 포함한 반도체 장치가 제공될 수 있다. 그러므로, 높은 신뢰성을 가진 반도체 장치가 제공될 수 있다.
이 실시예는 또 다른 실시예와 적절하게 조합하여 실시될 수 있다.
(실시예 3)
이 실시예에서, 반도체 장치 및 상기 반도체 장치를 제작하기 위한 방법의 또 다른 실시예가 도 3a 내지 도 3e를 참조하여 설명될 것이다. 상기 실시예에서의 것들과 동일한 부분 또는 그것과 유사한 기능을 가진 부분은 상기 실시예에 설명된 것과 유사한 방식으로 형성될 수 있고, 또한 상기 실시예에서의 것들과 유사한 단계들이 상기 실시예에서 설명된 것과 유사한 방식으로 수행될 수 있으며, 반복적인 설명은 생략된다. 또한, 동일한 부분들에 대한 상세한 설명은 생략된다.
도 3a 내지 도 3e에 도시된 트랜지스터(420)는 채널-보호 트랜지스터들(또한 채널-정지 트랜지스터들이라 불림)로서 불리우는 보텀-게이트 트랜지스터들 중 하나이며, 또한 역 스태거형 박막 트랜지스터라 불리운다.
상기 트랜지스터(420)는 절연 표면을 가진 상기 기판(400) 위에 형성되는, 상기 게이트 전극층(401), 상기 게이트 절연층(402), 상기 산화물 반도체층(403), 상기 산화물 반도체층(403)의 채널 형성 영역을 커버하기 위한 채널 보호 층으로서 기능하는 산화물 절연층(427), 및 상기 소스 전극층(405a), 및 상기 드레인 전극층(405b)을 포함한다. 또한, 채널 절연층(409)은 상기 트랜지스터(420)를 커버하도록 형성된다.
도 3a 내지 도 3e는 트랜지스터(420)를 제작하기 위한 방법의 일 예를 도시한다.
먼저, 상기 게이트 전극(401)은 절연 표면을 가진 상기 기판(400) 위에 형성된다. 상기 게이트 절연층(402)은 상기 게이트 전극층(401) 위에 형성된다.
다음으로, 산화물 반도체층(422)은 상기 산화물 반도체층(441)의 것과 유사한 방식으로 상기 게이트 절연층(402) 위에 형성된다. 이 실시예에서, In-Ga-Zn-O계 산화물 막이 스퍼터링법에 의해 In-Ga-Zn-O계 금속 산화물 타겟을 사용하여 형성되며, 상기 In-Ga-Zn-O계 산화물 막은 상기 섬형상 산화물 반도체층(422)으로 처리된다.
산화물 절연층(426)은 상기 산화물 절연층(407)과 같이 상기 산화물 반도체층(422) 위에 형성된다(도 3a 참조). 이 실시예에서, 산화 실리콘막은 스퍼터링법에 의해 상기 산화물 절연층(426)으로서 200 nm의 두께를 갖도록 형성된다.
다음으로, 상기 산소(421)가 상기 산화물 절연층(426)을 통해 상기 산화물 반도체층(422)으로 도입된다(도 3b 참조). 상기 산소(421)를 도입하기 위한 방법으로서, 이온 주입법, 이온 도핑법 등이 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 이온 주입법이 산소를 도입하기 위해 산소를 사용하여 수행된다.
산소가 상기 산화물 반도체층(422) 위에 적층된 상기 산화물 절연층(426)을 통해 상기 산화물 반도체층(422)에 도입되며, 따라서 산소가 도입되는 도입 깊이(도입 영역)는 제어될 수 있고 따라서 산소가 상기 산화물 반도체층(422)에 충분히 도입될 수 있다. 산소가 도입되는 상기 깊이는 가속 전압 및 도즈량과 같은 도입 조건 또는 상기 산소가 통과하는 산화물 절연층(426)의 두께를 적절히 설정함으로써 제어될 수 있다. 예를 들면, 산소 가스가 사용되고 산소가 이온 주입법에 의해 도입되는 경우에, 상기 도즈량은 1×1013 이온/㎠ 내지 5×1015 이온/㎠의 범위에서 설정될 수 있다.
특히, 산화물 반도체층(422)의 채널 형성 영역에 수소, 물, 수산기, 또는 수소화물과 같은 불순물들을 제거하는 것이 중요하며, 따라서 보텀-게이트 구조를 가진 상기 트랜지스터(420)에서, 많은 양의 산소가 바람직하게는 상기 산화물 반도체층(422)에서 상기 게이트 절연층(402)과의 계면의 부근에 도입된다.
상기 산화물 반도체층(422)에서 상기 도입된 산소 농도의 피크는 1×1018 /㎤ 내지 3×1020 /㎤(보다 바람직하게는, 1×1018 /㎤ 내지 1×1020 /㎤)인 것이 바람직하다.
상술된 산소 농도는 다음 방식으로 측정될 수 있다: 질량수 18의 산소 동위원소가 산소로서 도입되며, 상기 도입 후, 상기 산화물 반도체층에서의 상기 질량 수 18의 산소 동위원소의 농도는 2차 이온 질량 분석법(SIMS)에 의해 분석된다.
다음으로, 산소가 도입되고 상기 산화물 절연층(426)과 접하는 상기 산화물 반도체층(422)이 열 처리된다.
상기 열 처리의 온도는 250℃ 내지 700℃, 바람직하게는 400℃ 내지 700℃, 또는 상기 기판의 변형점 미만이다. 상기 열 처리는 질소, 산소, 초-건조 대기(물 함유량이 20 ppm 이하, 바람직하게는 1 ppm 이하, 보다 바람직하게는 10 ppb 이하인 공기), 또는 희가스(아르곤, 헬륨 등)의 분위기 하에서 수행될 수 있다. 물, 수소 등이 질소, 산소, 초-건조 공기, 또는 희가스의 분위기에 포함되지 않는 것이 바람직하다는 것을 주의하자. 예를 들면, 상기 기판이 열 처리 장치의 한 종류인 전기로에 넣어진 후, 상기 산화물 반도체층(422)은 질소 분위기에서 1시간 동안 450℃에서 열 처리된다.
상기 산소의 도입에 의해, 상기 산화물 반도체에 포함된 금속 및 수소 사이의 결합 또는 상기 금속 및 수산기 사이의 결합이 절단된다. 동시에, 상기 수소 또는 상기 수산기는 물을 생성하기 위해 산소와 반응한다. 결과적으로, 불순물인 수소 또는 수산기는 나중에 수행된 상기 열 처리에 의해 물로서 쉽게 제거될 수 있다.
상기 산소의 도입 및 상기 열 처리에 의해, 상기 산화물 반도체층(422)은 탈수화 또는 탈수소화될 수 있으며, 그에 의해 수소, 물, 수산기, 또는 수소화물과 같은 불순물들이 상기 산화물 반도체층(422)으로부터 제거될 수 있다.
상기 산화물 반도체층(422) 및 산소를 포함한 상기 산화물 절연층(426)은 열 처리될 때 서로 접하며; 따라서, 상기 산화물 반도체층의 주성분 중 하나이고 불순물들을 제거하는 단계에서 감소되는 산소가 산소를 포함한 상기 산화물 절연층(426)으로부터 상기 산화물 반도체층(422)으로 공급될 수 있다. 상기 공정을 통해, 상기 산화물 반도체층(422)은 고정제되며, 따라서 상기 전기적으로 i-형(진성) 산화물 반도체층(403)이 획득된다.
상기 산화물 절연층(426)은 포토리소그래피 단계에 의해 상기 산화물 반도체층(403)의 상기 채널 형성 영역을 커버하는 채널 보호층으로서 기능하는 상기 산화물 절연층(427)으로 처리된다(도 3d 참조). 상기 산화물 절연층(426)을 에칭하기 위한 이 단계 동안, 상기 산화물 반도체층(403)의 일부가 몇몇 경우들에서 제거된다는 것을 주의하자. 이 경우에, 상기 산화물 절연층(427)으로 커버되지 않는 상기 산화물 반도체층(403)의 영역의 두께는 작아진다.
상기 소스 전극층(405a) 및 상기 드레인 전극층(405b)은 상기 산화물 반도체층(403) 및 상기 산화물 절연층(427) 위에 형성된다.
상기 공정을 통해, 상기 트랜지스터(420)가 형성된다(도 3e 참조). 상기 트랜지스터(420)는 고정제되고 그로부터 수소, 수분, 수산기, 또는 수소화물(또한 수소 화합물이라 불림)과 같은 불순물들이 의도적으로 제거되는 상기 산화물 반도체층(403)을 포함한 트랜지스터이다. 그러므로, 상기 트랜지스터(420)의 전기적 특성들에서의 변화가 억제되며 상기 트랜지스터(420)는 전기적으로 안정된다.
수분 또는 수소와 같은 불순물들이 외부로부터 들어가는 것을 방지하는 상기 보호 절연층(409)이 이들 불순물들이 다시 상기 산화물 반도체층(403)에 포함되지 않도록 상기 산화물 반도체층(427), 상기 소스 전극층(405a), 및 상기 드레인 전극층(405b) 위에 형성된다(도 3e 참조). 예를 들면, 질화 실리콘막이 RF 스퍼터링법에 의해 상기 보호 절연층(409)으로서 형성된다.
상술된 바와 같이, 안정된 전기적 특성들을 가진 산화물 반도체를 포함한 반도체 장치가 제공될 수 있다. 그러므로, 높은 신뢰성을 가진 반도체 장치가 제공될 수 있다.
이 실시예는 또 다른 실시예와 적절하게 조합하여 실시될 수 있다.
(실시예 4)
이 실시예에서, 반도체 장치 및 상기 반도체 장치를 제작하기 위한 방법의 또 다른 실시예가 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명될 것이다. 이 실시예에서, 트랜지스터는 상기 반도체 장치의 일 예로서 도시될 것이다. 상기 실시예에서의 것들과 동일한 부분 또는 그것과 유사한 기능을 가진 부분은 상기 실시예에 설명된 것과 유사한 방식으로 형성될 수 있고, 또한 상기 실시예에서의 것들과 유사한 단계들이 상기 실시예에서 설명된 것과 유사한 방식으로 수행될 수 있으며, 반복적인 설명은 생략된다. 또한, 동일한 부분들에 대한 상세한 설명은 생략된다.
상기 트랜지스터의 구조에 대한 특별한 제한은 없으며; 예를 들면, 스태거형 트랜지스터 또는 탑-게이트 구조 또는 보텀-게이트 구조를 가진 평면형 트랜지스터가 이용될 수 있다. 또한, 상기 트랜지스터는 하나의 채널 형성 영역을 포함한 단일 게이트 구조, 두 개의 채널 형성 영역들을 포함한 이중 게이트 구조, 또는 3개의 채널 형성 영역들을 포함한 3중 게이트 구조를 가질 수 있다. 더욱이, 상기 트랜지스터는 게이트 절연층을 사이에 제공하여 채널 영역 위 및 아래에 위치된 두 개의 게이트 전극층들을 포함한 이중 게이트 구조를 가질 수 있다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 상기 트랜지스터의 단면 구조의 예들이 이하에 설명될 것임을 주의하자. 도 4a 및 도 4b에 도시된 트랜지스터들(430, 440)은 실시예 1 내지 실시예 3에 도시된 상기 트랜지스터들(410, 420, 450)과 같은 트랜지스터들이며; 상기 트랜지스터들(430, 440)은 고정제되고 그로부터 수소, 수분, 수산기, 또는 수소화물(또한 수소 화합물이라 불림)과 같은 불순물들이 의도적으로 제거되는 상기 산화물 반도체층을 포함한다. 그러므로, 상기 트랜지스터들(430, 440)의 전기적 특성들에서의 변화가 억제되고 상기 트랜지스터(430, 440)는 전기적으로 안정된다. 결과적으로, 높은 신뢰성을 가진 반도체 장치가 제공될 수 있다.
도 4a에 도시된 상기 트랜지스터(430)는 보텀-게이트 트랜지스터이다. 상기 트랜지스터(430)는 절연 표면을 가진 상기 기판(400) 위에 형성되는, 상기 게이트 전극층(401), 상기 게이트 절연층(402), 상기 소스 전극층(405a), 상기 드레인 전극층(405b), 및 상기 산화물 반도체층(403)을 포함한다. 상기 산화물 절연층(407)은 상기 트랜지스터(430)를 커버하기 위해 제공되며 상기 산화물 반도체층(403)과 접한다. 또한, 상기 보호 절연층(409)은 상기 산화물 절연층(407) 위에 형성된다.
상기 트랜지스터(430)에서, 상기 게이트 절연층(402)은 상기 기판(400) 및 상기 게이트 전극층(401) 위에 제공되며 그것과 접한다. 상기 소스 전극층(405a) 및 상기 드레인 전극층(405b)은 상기 게이트 절연층(402) 위에 제공되며 그것과 접한다. 상기 산화물 반도체층(403)은 상기 게이트 절연층(402), 상기 소스 전극층(405a), 및 상기 드레인 전극층(405b) 위에 제공된다.
도 4b에 도시된 상기 트랜지스터(440)는 탑-게이트 트랜지스터이다. 상기 트랜지스터(440)는 절연 표면을 가진 상기 기판(400) 위에 형성되는, 상기 절연층(436), 상기 산화물 반도체층(403), 상기 소스 전극층(405a), 상기 드레인 전극층(405b), 게이트 절연층을 형성하는 산화물 절연층(467) 및 보호 절연층(468), 및 상기 게이트 전극층(401)을 포함한다. 배선층(465a) 및 배선층(465b)이 각각 상기 소스 전극층(405a) 및 상기 드레인 전극층(405b)과 접하도록 제공되고 그것에 전기적으로 접속된다. 보호 절연층(469)은 상기 게이트 전극층(401), 상기 배선층(465a), 및 상기 배선층(465b)을 커버하도록 형성된다.
상기 산화물 반도체층(403)을 위해 사용된 산화물 반도체로서, In-Sn-Ga-Zn-O계 산화물 반도체와 같은 4-원계 금속 산화물; In-Ga-Zn-O계 산화물 반도체, In-Sn-Zn-O계 산화물 반도체, In-Al-Zn-O계 산화물 반도체, Sn-Ga-Zn-O계 산화물 반도체, Al-Ga-Zn-O계 산화물 반도체, 또는 Sn-Al-Zn-O계 산화물 반도체와 같은 3-원계 금속 산화물; In-Zn-O계 산화물 반도체, Sn-Zn-O계 산화물 반도체, Al-Zn-O계 산화물 반도체, Zn-Mg-O계 산화물 반도체, Sn-Mg-O계 산화물 반도체, 또는 In-Mg-O계 산화물 반도체와 같은 2-원계 금속 산화물; In-O계 산화물 반도체; Sn-O계 산화물 반도체; 또는 Zn-O계 산화물 반도체가 사용될 수 있다. 또한, SiO2가 상기 산화물 반도체에 포함될 수 있다. 여기에서, 예를 들면, In-Ga-Zn-O계 산화물 반도체는 적어도 In, Ga, 및 Zn을 포함한 산화물이며, 그 조성비에 대한 특별한 제한은 없다. 더욱이, In-Ga-Zn-O계 산화물 반도체는 In, Ga, 및 Zn 이외의 다른 원소를 포함할 수 있다.
상기 산화물 반도체층(403)을 위해, InMO3(ZnO)m(m>0, 및 m은 자연수가 아니다)에 의해 표현된 박막이 사용될 수 있다.여기에서, M은 Ga, Al, Mn, 및 Co로부터 선택된 하나 이상의 금속 원소들을 나타낸다. 예를 들면, M은 Ga, Ga와 Al, Ga와 Mn, Ga와 Co 등일 수 있다.
상기 보텀-게이트 트랜지스터(430)에서, 하지 막으로서 작용하는 절연막이 상기 기판 및 상기 게이트 전극층 사이에 제공될 수 있다. 상기 하지 막은 상기 기판으로부터 불순물 원소의 확산을 방지하는 기능을 가지며, 질화 실리콘막, 산화 실리콘막, 질화 산화 실리콘막, 및 산질화 실리콘막 중 하나 이상을 사용한 단층 구조 또는 적층 구조를 갖도록 형성될 수 있다.
상기 기판(400), 상기 게이트 전극층(401), 상기 게이트 절연층(402), 상기 소스 전극층(405a), 및 상기 드레인 전극층(405b)는 실시예 1에서의 것들과 유사한 재료 및 방법을 사용하여 형성될 수 있다.
상기 소스 전극층(405a) 및 상기 드레인 전극층(405b)의 것과 유사한 재료가 각각 상기 소스 전극층(405a) 및 상기 드레인 전극층(405b)에 접속되는 상기 배선층(465a) 및 상기 배선층(465b)과 같은 도전막들을 위해 사용될 수 있다.
상기 절연층(436) 및 게이트 절연층으로서 기능하는 상기 산화물 절연층(467)이 상기 산화물 절연층(407)의 것과 유사한 재료를 사용하여 형성될 수 있다. 통상적으로, 산화 실리콘막 또는 산질화 실리콘막과 같은 무기 절연막이 사용될 수 있다.
게이트 절연층으로서 기능하는 상기 보호 절연층(468) 및 상기 보호 절연층(469)을 위해, 질화 실리콘막, 질화 알루미늄 막, 질화 산화 실리콘막, 질화 산화 알루미늄 막, 또는 산화 알루미늄 막과 같은 무기 절연막이 사용될 수 있다.
또한, 평탄화 절연막이 상기 트랜지스터로 인한 표면 거칠기가 감소되도록 상기 보호 절연층(409) 위에 형성될 수 있다. 상기 평탄화 절연막을 위해, 폴리이미드, 아크릴, 또는 벤조사이클로부텐과 같은 유기 재료가 사용될 수 있다. 이러한 유기 재료들 이외에, 저-유전율 재료(로우-k(low-k) 재료) 등을 사용하는 것이 또한 가능하다. 상기 평탄화 절연막은 이들 재료들로부터 형성된 복수의 절연막들을 적층함으로써 형성될 수 있다는 것을 주의하자.
상기 트랜지스터들(430, 440)에서, 상기 산화물 반도체층(403)은 고정제되고 그로부터 수소, 수분, 수산기, 또는 수소화물(또한 수소 화합물이라 불림)과 같은 불순물들이 상기 산화물 반도체층(403) 위에 적층된 상기 산화물 절연층들(407, 467)을 통해 산소를 도입하고 열 처리를 수행함으로써 의도적으로 제거되는 산화물 반도체층이다. 산소를 도입함으로써, 상기 산화물 반도체에 포함된 금속 및 수소 사이의 결합 또는 상기 금속 및 수산기 사이의 결합이 절단되며, 상기 수소 또는 상기 수산기는 물을 생성하기 위해 산소와 반응하고, 이는 나중에 수행된 열 처리에 의해 물로서, 불순물인 수소 또는 수산기의 용이한 제거를 이끈다.
산소는 상기 산화물 반도체층 위에 적층된 산화물 절연층을 통해 상기 산화물 반도체층에 도입되며, 따라서 산소가 도입되는 도입 깊이(도입 영역)가 제어될 수 있고 따라서 산소는 상기 산화물 반도체층에 효율적으로 도입될 수 있다.
산소를 포함한 상기 산화물 절연층들(407, 467)의 각각은 상기 열처리가 될 때 상기 산화물 반도체층과 접하며; 따라서 상기 산화물 반도체의 주성분 중 하나이고 불순물들을 제거하는 단계에서 감소되는 산소가 산소를 포함한 상기 산화물 절연층들(407, 467)의 각각으로부터 상기 산화물 반도체층으로 공급될 수 있다. 따라서, 상기 산화물 반도체층(403)은 전기적으로 i-형(진성)이 되도록 보다 고정제된다.
상기 고정제된 산화물 반도체층(403)을 포함한 상기 트랜지스터들(430, 440)의 각각에서, 오프 상태에서의 전류(오프-상태 전류)는 작을 수 있다.
각각 상기 고정제된 산화물 반도체층(403)을 포함한 상기 트랜지스터들(430, 440)의 전계-효과 이동도는 비교적 높을 수 있으며, 그에 의해 고속 동작이 가능하다. 예를 들면, 고속으로 동작할 수 있는 이러한 트랜지스터가 액정 표시 장치를 위해 사용될 때, 화소부에서의 스위칭 트랜지스터 및 구동 회로부에서의 구동기 트랜지스터가 하나의 기판 위에 형성될 수 있다. 즉, 실리콘 웨이퍼 등으로 형성된 반도체 장치가 부가적으로 구동 회로로서 요구되지 않기 때문에, 상기 반도체 장치의 구성요소들의 수는 감소될 수 있다. 또한, 화소부에서 고속으로 동작할 수 있는 트랜지스터를 사용함으로써, 고-품질 이미지가 제공될 수 있다.
상술된 바와 같이, 안정된 전기적 특성들을 가진 산화물 반도체를 포함한 반도체 장치가 제공될 수 있다. 결과적으로, 높은 신뢰성을 가진 반도체 장치가 제공될 수 있다.
(실시예 5)
이 실시예에서, 반도체 장치의 또 다른 실시예가 도 1a 내지 도 1e 및 도 5a 내지 도 5d를 참조하여 설명된다. 상기 실시예에서의 것들과 동일한 부분 또는 그것과 유사한 기능을 가진 부분은 상기 실시예에 설명된 것과 유사한 방식으로 형성될 수 있고, 또한 상기 실시예에서의 것들과 유사한 단계들이 상기 실시예에서 설명된 것과 유사한 방식으로 수행될 수 있으며, 반복적인 설명은 생략된다. 또한, 동일한 부분들에 대한 상세한 설명은 생략된다.
이 실시예에서, 트랜지스터의 소스 전극층 및/또는 드레인 전극층이 도전층(예컨대, 배선층 또는 화소 전극층)에 연결되는 구조의 일 예가 도시된다. 이 실시예에서, 실시예 1에 도시된 상기 트랜지스터(410)는 설명에서의 하나의 트랜지스터로서 사용되지만, 실시예 2 내지 실시예 4에 도시된 임의의 다른 트랜지스터들이 사용될 수 있다는 것을 주의하자.
도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 트랜지스터(410)는 절연 표면을 가진 상기 기판(400) 위에 형성되는 상기 게이트 전극층(401), 상기 게이트 절연층(402), 상기 산화물 반도체층(403), 상기 소스 전극층(405a), 및 상기 드레인 전극층(405b)을 포함한다. 상기 산화물 절연층(407) 및 상기 보호 절연층(409)은 이러한 순서로 상기 트랜지스터(410) 위에 적층된다.
실시예 1에 도시된 바와 같이, 상기 트랜지스터(410)의 제작 공정에서, 상기 산화물 절연층(407)이 상기 산화물 반도체층(403), 상기 소스 전극층(405a), 및 상기 드레인 전극층(405b) 위에 형성되며, 상기 산소(421)는 상기 산화물 절연층(407)을 통해 상기 산화물 반도체층(441)에 도입되고 열 처리가 수행된다(도 1b 내지 도 1d 참조). 이러한 산소 도입 및 열 처리 단계 동안, 상기 산소(421)는 상기 산화물 반도체층(403) 외에도 상기 소스 전극층(405a) 및 상기 드레인 전극층(405b)에 도달하고 그것에 조사된다(표면의 부근에 도입된다). 따라서, 도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 산소(421)로 조사된 상기 소스 전극층(405a) 및 상기 드레인 전극층(405b)의 표면은 산화되며, 금속 산화물 영역들(404a, 404b)은 몇몇 경우들에서 각각 상기 소스 전극층(405a)과 상기 산화물 절연층(407) 사이 및 상기 드레인 전극층(405b)과 상기 산화물 절연층(407) 사이에 형성된다. 상기 금속 산화물 영역들(404a, 404b)은 몇몇 경우들에서 막의 형태로 있을 수 있다.
도 5a의 경우에서, 상기 소스 전극층(405a) 및 상기 드레인 전극층(405b)에 연결된 상기 도전층을 형성하기 위한 개구들(455a, 455b)이 바람직하게는 다음의 방식으로 형성된다: 높은 저항을 가진 상기 금속 산화물 영역들(404a, 404b)이 제거되며; 상기 개구들(455a, 455b)이 낮은 저항을 갖는 상기 소스 전극층(405a) 및 상기 드레인 전극층(405b)이 노출될 때까지 형성된다(도 5b 참조). 상기 보호 절연층(409), 상기 산화물 절연층(407), 및 상기 금속 산화물 영역들(404a, 404b)의 일부들이 상기 개구들(455a, 455b)을 형성하기 위해 제거된다.
다음으로, 도전층들(456a, 456b)이 상기 개구들(455a, 455b)에서 노출된 상기 소스 전극층(405a) 및 상기 드레인 전극층(405b)과 접하도록 형성된다(도 5c 참조). 상기 도전층들(456a, 456b)은 높은 저항을 가진 상기 금속 산화물 영역들(404a, 404b)을 통해서가 아닌, 낮은 저항을 가진 상기 소스 전극층(405a) 및 상기 드레인 전극층(405b)과 직접 접하도록 형성되며, 따라서 양호한 전기적 연결(전기적 접촉)이 획득될 수 있다.
보호 절연층(457)이 상기 트랜지스터(410)를 커버하도록 보호층으로서 상기 도전층들(456a, 456b) 위에 형성될 수 있다(도 5d 참조). 게다가, 상기 보호 절연층(457)을 커버함으로써, 수소 및 수분과 같은 불순물들이 상기 개구들(455a, 455b)로부터 상기 산화물 반도체층(403)에 들어가는 것을 방지하는 것이 가능하다.
상기 소스 전극층(405a) 및 상기 드레인 전극층(405b)에서, 산소가 쉽게 도입되지 않는 도전막(대표적으로, 텅스텐막, 탄탈막 등)이 산소를 갖고 조사된 상기 표면상에 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 소스 전극층(405a) 및 상기 드레인 전극층(405b)은 티타늄막 및 텅스텐막의 적층된 층으로 형성되며, 상기 텅스텐막은 산소가 도입되는 측 상에서 제공되고, 높은 저항을 가진 금속 산화물 영역의 형성이 억제될 수 있다.
상술된 바와 같이, 트랜지스터의 양호한 전기적 연결이 획득될 수 있으며, 그에 의해 안정된 전기적 특성들을 가진 산화물 반도체를 포함한 반도체 장치가 제공될 수 있다. 그러므로, 높은 신뢰성을 가진 반도체 장치가 제공될 수 있다.
(실시예 6)
이 실시예에서, 반도체 장치 및 상기 반도체 장치를 제작하기 위한 방법의 또 다른 실시예가 설명될 것이다. 상기 실시예에서의 것들과 동일한 부분 또는 그것과 유사한 기능을 가진 부분은 상기 실시예에 설명된 것과 유사한 방식으로 형성될 수 있고, 또한 상기 실시예에서의 것들과 유사한 단계들이 상기 실시예에서 설명된 것과 유사한 방식으로 수행될 수 있으며, 반복적인 설명은 생략된다. 또한, 동일한 부분들에 대한 상세한 설명은 생략된다.
이 실시예는 실시예 1 내지 실시예 5에 도시된 상기 트랜지스터들(410, 420, 430, 440, 450) 중 임의의 것에 적용될 수 있다는 것을 주의하자.
이 실시예에서, 상기 트랜지스터들(410, 420, 430, 440, 450)을 제작하기 위한 방법에서, 상기 산화물 반도체층과 접하는 상기 산화물 절연층들(407, 437, 426, 467)을 형성하기 전에, 상기 산화물 반도체층에 열 처리를 수행하는 일 예가 도시된다.
이러한 열 처리는, 열 처리가 상기 산화물 반도체층의 형성 후 및 상기 산화물 절연층의 형성 전에 수행되는 한, 상기 산화물 반도체층이 상기 섬형상 산화물 반도체층으로 처리되기 전 상기 산화물 반도체층에서 수행될 수 있다. 상기 트랜지스터(410)의 경우에, 상기 소스 전극층(405a) 및 상기 드레인 전극층(405b)의 형성 전후에 상기 열 처리가 수행될 수 있다.
상기 열 처리의 온도는 400℃ 이상 750℃ 이하 또는 400℃ 이상 기판의 변형점 미만이다. 예를 들면, 상기 기판은 열 처리 장치의 한 종류인 전기로에 넣어지고, 상기 산화물 반도체층은 질소 분위기에서 1시간 동안 450℃에서 상기 열 처리가 된다. 상기 열 처리 후, 상기 산화물 절연층은 대기로의 노출 없이 형성되고 물 및 수분은 상기 산화물 반도체층에 다시 포함되는 것으로부터 방지되는 것이 바람직하다.
또한, 사용된 열 처리 장치는 전기로에 한정되지 않으며, 저항 발열체와 같은 발열체로부터 열 도전 또는 열 복사에 의해 피처리물을 가열하기 위한 장치가 대안적으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 가스 급속 열 어닐(GRTA) 장치 또는 램프 급속 열 어닐(LRTA) 장치와 같은 급속 열 어닐(RTA) 장치가 사용될 수 있다. LRTA 장치는 할로겐 램프, 메탈 할라이드 램크, 크세논 아크 램프, 탄소 아크 램프, 고압 나트륨 램프, 또는 고압 수은 램프와 같은 램프로부터 방출된 광(전자기파)의 복사에 의해 피처리물을 가열하기 위한 장치이다. GRTA 장치는 고온 가스를 사용한 열 처리를 위한 장치이다. 상기 고온 가스로서, 질소 또는 희가스와 같이, 열 처리에 의해 피처리물과 반응하지 않는 불활성 가스가 사용된다.
예를 들면, 상기 열 처리로서, GRTA가 다음과 같이 수행될 수 있다. 상기 기판은 650℃ 내지 700℃의 고온에서 가열된 불활성 가스에 넣어지고, 수분 동안 가열되며, 상기 불활성 가스로부터 꺼내어진다.
상기 열 처리가 질소, 산소, 초-건조 공기(물 함유량이 20 ppm 이하, 바람직하게는 1 ppm 이하, 보다 바람직하게는 10 ppb 이하인 공기), 또는 희가스(아르곤, 헬륨 등)의 분위기 하에서 수행될 수 있다. 물, 수소 등이 질소, 산소, 초-건조 공기, 또는 희가스의 분위기에 포함되지 않는 것이 바람직하다는 것을 주의하자. 열 처리 장치로 도입되는 질소, 산소, 또는 희가스의 순도는 6N(99.9999%) 이상, 바람직하게는 7N(99.99999%) 이상(즉, 불순물 농도는 1 ppm 이하, 바람직하게는 0.1 ppm 이하)로 설정되는 것이 또한 바람직하다.
이러한 열 처리를 갖고, 상기 산화물 반도체층에서의 수분 또는 수소와 같은 불순물들이 감소될 수 있다.
게다가, 상기 산화물 반도체층 위에 상기 산화물 절연층을 형성하고 상기 산화물 절연층을 통해 상기 산화물 반도체층에 산소를 도입함으로써, 상기 산화물 반도체에 포함된 금속 및 수소 사이의 결합 또는 상기 금속 및 수산기 사이의 결합이 절단되며, 상기 수소 또는 상기 수산기는 물을 생성하기 위해 산소와 반응한다. 그 후, 상기 열 처리는 또한 산소의 도입 후 수행되며, 그에 의해 남겨진 수소 또는 수산기와 같은 불순물들이 물로서 쉽게 제거될 수 있다.
상기 산화물 반도체층 및 산소를 포함한 상기 산화물 절연층은 상기 열 처리가 될 때 서로 접하며; 따라서 상기 산화물 반도체의 주성분 중 하나이고 불순물들을 제거하는 단계에서 감소되는 산소가 산소를 포함한 상기 산화물 절연층으로부터 상기 산화물 반도체층으로 공급될 수 있다.
따라서, 상기 산화물 반도체층이 상기 산화물 절연층을 형성하기 전에 수행된 상기 열 처리, 및 상기 산화물 절연층을 형성하고 산소 도입 후 상기 열 처리될 때, 수분 및 수소와 같은 불순물들이 제거되는 i-형(진성) 산화물 반도체 또는 실질적으로 i-형 산화물 반도체층이 획득될 수 있다.
결과적으로, 상기 고정제된 산화물 반도체층을 포함한 상기 트랜지스터의 전기적 특성들에서의 변화가 억제되고 상기 트랜지스터는 전기적으로 안정된다. 그러므로, 높은 신뢰성을 가진 반도체 장치가 제공될 수 있다.
(실시예 7)
표시 기능을 가진 반도체 장치(또한 표시 장치라 불림)가 그 일 예가 실시예 1 내지 실시예 6 중 임의의 것에서 설명되는 상기 트랜지스터를 사용하여 제작될 수 있다. 상기 트랜지스터들을 포함한 구동 회로들 중 일부 또는 모두가 화소부가 형성되는 기판 위에 형성될 수 있으며, 그에 의해 시스템-온-패널이 획득될 수 있다.
도 6a에서, 실링재(4005)가 제 1 기판(4001) 위에 제공된 화소부(4002)를 둘러싸도록 제공되며, 상기 화소부(4002)는 상기 실링재(4005) 및 상기 제 2 기판(4006)을 갖고 밀봉된다. 도 6a에서, 주사선 구동 회로(4004) 및 신호선 구동 회로(4003) 각각은 개별적으로 준비된 기판 위에 단결정 반도체 막 또는 다결정 반도체 막을 사용하여 형성되며, 상기 제 1 기판(4001) 위에 상기 실링재(4005)에 의해 둘러싸여진 영역과 상이한 영역에 실장된다. 다양한 신호들 및 전위들이 가요성 인쇄 회로들(FPC들)(4018a, 4018b)로부터 그 각각이 개별적으로 형성되는 상기 신호선 구동 회로(4003) 및 상기 주사선 구동 회로(4004), 및 상기 화소부(4002)에 공급된다.
도 6b 및 도 6c에서, 상기 실링재(4005)는 상기 제 1 기판(4001) 위에 제공되는 상기 화소부(4002) 및 상기 주사선 구동 회로(4004)를 둘러싸기 위해 제공된다. 상기 제 2 기판(4006)은 상기 화소부(4002) 및 상기 주사선 구동 회로(4004) 위에 제공된다. 따라서, 상기 화소부(4002) 및 상기 주사선 구동 회로(4004)는 상기 제 1 기판(4001), 상기 실링재(4005), 및 상기 제 2 기판(4006)에 의해 표시 소자와 함께 밀봉된다. 도 6b 및 도 6c에서, 상기 신호선 구동 회로(4003)는 개별적으로 준비된 기판 위에 단결정 반도체 막 또는 다결정 반도체 막을 사용하여 형성되며, 상기 제 1 기판(4001) 위에 상기 실링재(4005)에 의해 둘러싸여진 상기 영역과 상이한 영역에 실장된다. 도 6b 및 도 6c에서, 다양한 신호들 및 전위들이 FPC(4018)로부터, 상기 개별적으로 형성된 신호선 구동 회로(4003), 상기 주사선 구동 회로(4004), 및 상기 화소부(4002)에 공급된다.
비록 도 6b 및 도 6c가 각각 상기 신호선 구동 회로(4003)가 개별적으로 형성되고 상기 제 1 기판(4001) 상에 실장되는 예를 도시하지만, 본 발명은 이러한 구조에 한정되지 않는다. 상기 주사선 구동 회로는 개별적으로 형성되며 그 후 실장되거나 또는 상기 신호선 구동 회로의 일부 또는 상기 주사선 구동 회로의 일부가 개별적으로 형성될 수 있으며 그 후 실장된다.
개별적으로 형성된 구동 회로를 연결하기 위한 방법이 특별히 제한되지 않으며, 칩 온 글래스(chip on glass; COG) 방법, 배선 결합 방법, 테이프 자동 결합(TAB) 방법 등이 사용될 수 있다는 것을 주의하자. 도 6a는 상기 신호선 구동 회로(4003) 및 상기 주사선 구동 회로(4004)가 COG 방법에 의해 실장되는 일 예를 도시한다. 도 6b는 상기 신호선 구동 회로(4003)가 COG 방법에 의해 실장되는 일 예를 도시한다. 도 6c는 상기 신호선 구동 회로(4003)가 TAB 방법에 의해 실장되는 일 예를 도시한다.
상기 표시 장치는 그 카테고리에 표시 소자가 밀봉되는 패널, 및 제어기와 같은 IC가 상기 패널 상에 실장되는 모듈을 포함한다.
본 명세서에서 표시 장치는 이미지 표시 장치, 표시 장치, 또는 광원(조명 장치를 포함한)을 의미한다는 것을 주의하자. 상기 표시 장치는 또한 그것의 카테고리에 다음의 모듈들을 포함한다: FPC, TAB 테이프, 또는 TCP와 같은 커넥터가 부착되는 모듈; 인쇄된 배선 보드가 제공되는 팁에 TAB 테이프 또는 TCP를 가진 모듈; 및 집적 회로(IC)가 COG 방법에 의해 표시 소자 상에 직접 실장되는 모듈.
상기 제 1 기판 위에 제공된 상기 화소부 및 상기 주사선 구동 회로는 복수의 트랜지스터들을 포함하며 실시예 1 내지 실시예 6에 설명되는 상기 트랜지스터들 중 임의의 것이 이용될 수 있다.
상기 표시 장치에 제공된 상기 표시 소자로서, 액정 소자(또한 액정 표시 소자라 불림) 또는 발광 소자(또한 발광 표시 소자라 불림)가 사용될 수 있다. 상기 발광 소자는 그것의 카테고리에, 그 휘도가 전류 또는 전압에 의해 제어되는 소자를 포함하며, 구체적으로, 그것의 카테고리에, 무기 전계발광(EL) 소자, 유기 EL 소자 등을 포함한다. 더욱이, 전자 잉크와 같이, 콘트라스트가 전기적 효과에 의해 변경되는 표시 매체가 사용될 수 있다.
상기 반도체 장치의 일 실시예는 도 7, 도 8, 및 도 9를 참조하여 설명된다. 도 7 내지 도 9는 도 6b에서의 선(M-N)을 따라 취해진 단면도들에 대응한다.
도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 장치는 연결 단자 전극(4015) 및 단자 전극(4016)을 포함한다. 상기 연결 단자 전극(4015) 및 상기 단자 전극(4016)은 이방성 도전막(4019)을 통해 상기 FPC(4018)에 포함된 단자에 전기적으로 접속된다.
상기 연결 단자 전극(4015)은 제 1 전극층(4030)과 동일한 도전막으로 형성된다. 상기 단자 전극(4016)은 트랜지스터들(4010, 4011)의 소스 전극층 및 드레인 전극층과 동일한 도전막으로 형성된다.
상기 제 1 기판(4001) 위에 제공된 상기 화소부(4002) 및 상기 주사선 구동 회로(4004)의 각각은 복수의 트랜지스터들을 포함한다. 도 7 내지 도 9에서, 상기 화소부(4002)에 포함된 상기 트랜지스터(4010) 및 상기 주사선 구동 회로(4004)에 포함된 상기 트랜지스터(4011)는 일 예로서 도시된다. 도 7에서, 산화물 절연층(4020) 및 보호 절연층(4024)는 상기 트랜지스터들(4010, 4011) 위에 형성된다. 도 8 및 도 9에서, 절연층(4021)이 추가로 제공된다. 절연층(4023)은 하지 막으로서 작용하는 절연막임을 주의하자.
이 실시예에서, 실시예 1 내지 실시예 6에 도시된 상기 트랜지스터 중 임의의 것이 상기 트랜지스터들(4010, 4011)에 적용될 수 있다.
상기 트랜지스터들(4010, 4011)에서, 상기 산화물 반도체층은 고정제되고 그로부터 수소, 수분, 수산기, 또는 수소화물(또한 수소 화합물이라 불림)과 같은 불순물이 상기 산화물 반도체층 위에 적층된 상기 산화물 절연층(4020)을 통해 산소를 도입하고 열 처리를 수행함으로써 의도적으로 제거되는 산화물 반도체층이다. 산소를 도입함으로써, 상기 산화물 반도체에 포함된 금속 및 수소 사이의 결합 또는 상기 금속 및 수산기 사이의 결합이 절단되며, 상기 수소 또는 상기 수산기는 물을 생성하기 위해 산소와 반응하고, 이는 나중에 수행된 열 처리에 의해 물로서, 불순물인 수소 또는 수산기의 용이한 제거를 이끈다.
산소는 상기 산화물 반도체층 위에 적층된 산화물 절연층(4020)을 통해 상기 산화물 반도체층에 도입되며, 따라서 산소가 도입되는 도입 깊이(도입 영역)가 제어될 수 있고 따라서 산소는 상기 산화물 반도체층에 효율적으로 도입될 수 있다.
상기 산화물 반도체층 및 산소를 포함한 상기 산화물 절연층(4020)은 열 처리를 겪을 때 서로 접하며; 따라서 상기 산화물 반도체의 주성분 중 하나이고 불순물들의 제거 단계에서 감소되는 산소가 산소를 포함한 상기 산화물 절연층(4020)으로부터 상기 산화물 반도체층으로 공급될 수 있다. 따라서, 상기 산화물 반도체층은 전기적으로 i-형(진성)이 되도록 보다 고정제된다.
결과적으로, 각각이 고정제된 산화물 반도체층을 포함한 상기 트랜지스터들(4010, 4011)의 전기적 특성들에서의 변화가 억제되며 상기 트랜지스터들(4010, 4011)은 전기적으로 안정된다. 상술된 바와 같이, 도 7 내지 도 9에 도시된 반도체 장치들로서 높은 신뢰성을 가진 반도체 장치가 획득될 수 있다.
이 실시예에서, 도전층이 상기 구동 회로를 위한 상기 트랜지스터(4011)의 상기 산화물 반도체층의 채널 형성 영역과 중첩하도록 상기 절연층(4024) 위에 제공되는 예들이 도시된다. 상기 도전층은 상기 산화물 반도체층의 채널 형성 영역과 중첩하는 위치에서 제공되며, 그에 의해 BT 시험 전 및 후 사이에서 상기 트랜지스터(4011)의 임계 전압에서의 변화의 양은 추가로 감소될 수 있다. 상기 도전층은 상기 트랜지스터(4011)의 게이트 전극층의 것과 동일한 전위 또는 그것과 상이한 전위를 가질 수 있으며, 제 2 게이트 전극층으로서 기능할 수 있다. 상기 도전층의 전위는 GND, 0V일 수 있거나, 또는 플로팅 상태에 있을 수 있다.
또한, 상기 도전층은 외부 전기장을 차단하기 위해 기능하기 위해, 즉 외부 전계가 내부(박막 트랜지스터를 포함한 회로부)로부터 실시되는 것을 방지하기 위해(특히, 정전기를 방지하기 위해) 기능한다. 상기 도전층의 차단 기능은 정전기와 같은 외부 전기장의 효과로 인해 상기 트랜지스터의 전기적 특성들에서의 변화를 방지할 수 있다.
상기 화소부(4002)에 제공된 상기 트랜지스터(4010)는 표시 패널을 구성하기 위해 상기 표시 소자에 전기적으로 접속된다. 다양한 표시 소자들이 표시가 수행될 수 있는 한 상기 표시 소자로서 사용될 수 있다.
표시 소자로서 액정 소자를 사용한 액정 표시 장치의 일 예가 도 7에 도시된다. 도 7에서, 액정 소자(4013)는 상기 제 1 전극층(4030), 제 2 전극층(4031), 절연층(4032), 절연층(4033), 및 액정층(4008)을 포함한 표시 소자이다. 배향 막들로서 작용하는 상기 절연층(4032, 4033)은 상기 액정층(4008)이 사이에 개재되도록 제공된다는 것을 주의하자. 상기 제 2 전극층(4031)은 상기 제 2 기판(4006) 측 상에 형성된다. 상기 제 1 전극층(4030) 및 상기 제 2 전극층(4031)은 상기 액정층(4008)을 사이에 개재하여 적층된다.
참조 부호(4035)에 의해 표시된 주상형 스페이서가 절연막의 선택적 에칭에 의해 획득되며 상기 액정층(4008)의 두께(셀 갭)를 제어하기 위해 제공된다. 대안적으로, 구형 스페이서가 또한 사용될 수 있다.
액정 소자가 상기 표시 소자로서 사용되는 경우에, 서모 트로픽 액정(thermotropic liquid crystal), 저분자 액정, 고분자 액정, 고분자 분산형 액정, 강유전성 액정, 반-강유전성 액정 등이 사용될 수 있다. 이러한 액정 재료는 조건들에 의존하여 콜레스테릭 상(cholesteric phase), 스멕틱 상(smectic phase), 큐빅 상(cubic phase), 키랄 네마틱 상(chiral nematic phase), 등방상 등을 나타낸다.
대안적으로, 배향막이 필요하지 않는 블루 상을 나타내는 액정이 사용될 수 있다. 블루 상은 콜레스테릭 액정의 온도가 증가되는 동안 콜레스테릭 상이 등방상으로 변화하기 직전에 생성된 액정 상들 중 하나이다. 상기 불루 상은 단지 좁은 온도 범위에서 나타나기 때문에, 5 중량% 이상의 키랄 재료가 혼합되는 액정 조성물이 상기 온도 범위를 개선하기 위해 상기 액정층을 위해 사용된다. 블루 상을 보여주는 액정 및 키랄 시약을 포함하는 상기 액정 조성물이 1 ms 이하의 짧은 응답 시간을 갖고, 상기 배향 처리가 요구되지 않게 하는 광학적 등방성을 가지며, 작은 시야각 의존성을 가진다. 또한, 배향막이 제공되도록 요구되지 않고 러빙 처리가 불필요하기 때문에, 상기 러빙 처리에 의해 야기된 정전기 방전 손상이 방지될 수 있고 상기 액정 표시 장치의 결함들 및 손상은 상기 제작 공정에서 감소될 수 있다. 따라서, 상기 액정 표시 장치의 생산성이 증가될 수 있다. 산화물 반도체층을 사용한 트랜지스터는 상기 트랜지스터의 전기적 특성들이 상당히 변화할 수 있으며, 상기 정전기의 영향에 의해 설계된 범위로부터 벗어날 수 있다는 가능성을 가진다. 그러므로, 산화물 반도체층을 사용하는 트랜지스터를 포함한 상기 역정 표시 장치를 위한 블루 상을 나타내는 액정 재료를 사용하는 것이 보다 효과적이다.
상기 액정 재료의 특정 저항률은 1×109
Figure 112020047653191-pat00001
이상, 바람직하게는 1×1011
Figure 112020047653191-pat00002
이상, 보다 바람직하게는 1×1012
Figure 112020047653191-pat00003
이상이다. 본 명세서에서 상기 특정 저항률은 20℃에서 특정된다는 것을 주의하자.
상기 액정 표시 장치에 제공된 저장 용량의 크기는 전하가 미리 결정된 기간 동안 유지될 수 있도록 상기 화소부 등에 제공된 상기 트랜지스터의 리크 전류를 고려하여 설정된다. 상기 저장 용량의 크기는 상기 트랜지스터 등의 오프-상태 전류를 고려하여 설정될 수 있다. 고-순도 산화물 반도체층을 포함한 상기 트랜지스터가 사용되기 때문에, 각각의 화소의 액정 용량에 대하여 1/3 이하, 바람직하게는 1/5 이하인 용량을 가진 저장 용량이 제공되기에 충분하다.
고정제된 산화물 반도체층을 사용한 이 실시예에 사용된 상기 트랜지스터에서, 오프 상태에서의 전류(상기 오프-상태 전류)는 작게 될 수 있다. 그러므로, 이미지 신호와 같은 전기 신호가 장기간 동안 유지될 수 있으며, 기록 간격은 전력이 온일 때 길게 설정될 수 있다. 결과적으로, 리프레시 동작의 빈도가 감소될 수 있으며, 이는 전력 소비를 억제하는 효과를 이끈다.
이 실시예에 사용된 고-순도화된 산화물 반도체를 포함한 상기 트랜지스터의 상기 전계-효과 이동도는 비교적 높을 수 있으며, 그에 의해 고속 동작이 가능하다. 예를 들면, 고속으로 동작할 수 있는 이러한 트랜지스터가 액정 표시 장치를 위해 사용될 때, 화소부에서의 스위칭 트랜지스터 및 구동 회로부에서의 구동기 트랜지스터가 하나의 기판 위에 형성될 수 있다. 즉, 실리콘 웨이퍼 등으로 형성된 반도체 장치가 부가적으로 구동 회로로서 요구되지 않기 때문에, 상기 반도체 장치의 구성요소들의 수는 감소될 수 있다. 또한, 화소부에서 고속으로 동작할 수 있는 트랜지스터를 사용함으로써, 고-품질 이미지가 제공될 수 있다.
상기 액정 표시 장치를 위해, 트위스티드 네마틱(twisted nematic; TN) 모드, 평면-내-스위칭(in-plane-switching; IPS) 모드, 프린지 필드 스위칭(fringe field switching; FFS) 모드, 축 대칭 배향 마이크로-셀(axially symmetric aligned micro-cell; ASM) 모드, 광 보상된 복굴절(optical compensated birefringence; OCB) 모드, 강유전성 액정(ferroelectric liquid crystal; FLC) 모드, 반강유전성 액정(antiferroelectric liquid crystal; AFLC) 모드 등이 사용될 수 있다.
수직 배향(VA) 모드를 이용한 투과성 액정 표시 장치와 같은 보통 검은 액정 표시 장치가 바람직하다. 몇몇 예들이 수직 배향 모드로서 주어지며, 예를 들면, 다중-도메인 수직 배향(multi-domain vertical alignment; MVA) 모드, 패터닝된 수직 배향(patterned vertical alignment; PVA) 모드, ASV 모드가 이용될 수 있다. 또한, 이 실시예는 VA 액정 표시 장치에 적용될 수 있다. 상기 VA 액정 표시 장치는 액정 표시 패널의 액정 분자들의 배향이 제어되는 형태의 한 종류를 갖는다. 상기 VA 액정 표시 장치에서, 액정 분자들은 전압이 인가되지 않을 때 패널 표면에 대하여 수직 방향으로 배향된다. 게다가, 도메인 곱셈 또는 다중-도메인 설계로 불리우는 방법을 사용하는 것이 가능하며, 여기서 화소는 몇몇 영역들(서브화소들)로 나뉘며 분자들은 그것들 각각의 영역들에서 상이한 방향들로 배향된다.
상기 표시 장치에서, 블랙 매트릭스(차광층), 편광 부재와 같은 광학 부재(광학 물질), 위상차 부재(retardation member), 또는 반사방지 부재(anti-reflection member) 등이 적절하게 제공될 수 있다. 예를 들면, 원형 편광이 편광 기판 및 위상차 기판을 사용함으로써 획득될 수 있다. 백라이트, 사이드 라이트 등이 광원으로서 사용될 수 있다.
상기 화소부에서의 표시 방법으로서, 프로그레시브 방법, 인터레이스 방법 등이 이용될 수 있다. 컬러 표시시 화소에서 제어된 색 요소들은 3개의 색들에 한정되지 않는다: R, G, 및 B(R, G, 및 B는 각각 빨간색, 녹색, 및 파란색에 대응한다). 예를 들면, R, G, B, 및 W(W는 흰색에 대응한다), 또는 R, G, B, 및 노란색, 청록색, 자홍색 등 중 하나 이상이 사용될 수 있다. 표시 영역들의 크기들은 색 요소들의 각각의 점들 사이에서 상이할 수 있다. 본 발명은 컬러 디스플레이를 위한 표시 장치로의 적용에 한정되지 않으며, 또한 단색 표시를 위한 표시 장치에 적용될 수 있다.
대안적으로, 상기 표시 장치에 포함된 상기 표시 소자로서, 전계발광을 이용한 발광 소자가 사용될 수 있다. 전계발광을 이용한 발광 소자들은 발광 재료가 유기 화합물 또는 무기 화합물인지 여부에 따라 분류된다. 일반적으로, 전자는 유기 EL 소자로서 불리우며, 후자는 무기 EL 소자로서 불릴운다.
유기 EL 소자에서, 발광 소자로의 전압의 인가에 의해, 전자들 및 홀들이 한 쌍의 전극들로부터 발광 유기 화합물을 포함한 층으로 개별적으로 주입되며 전류가 흐른다. 상기 캐리어들(전자들 및 홀들)은 재결합되며, 따라서 상기 발광 유기 화합물은 여기된다. 상기 발광 유기 화합물은 여기 상태로부터 접지 상태로 돌아오며, 그에 의해 광을 방출한다. 이러한 메커니즘으로 인해, 이러한 발광 소자는 전류-여기 발광 소자로서 불리운다.
상기 무기 EL 소자들은 그것들의 소자 구조들에 따라 분산-형 무기 EL 소자 및 박막 무기 EL 소자로 분류된다. 분산-형 무기 EL 소자는 발광 재료의 입자들이 바인더에 분산되며, 그것의 발광 메커니즘은 도너 준위(donor level) 및 억셉터 준위(acceptor level)를 이용하는 도너-억셉터 재결합형 발광이다. 박막 무기 EL 소자는 발광층이 유전체 층들 사이에 끼여 있고, 또한 전극들 사이에 끼여 있는 구조를 가지며, 그것의 광 방출 메커니즘은 금속 이온들의 셸-내 전자 전이를 이용하는 국소형 발광이다. 발광 소자로서 유기 EL 소자의 일 예가 여기에 설명된다는 것을 주의하자.
상기 발광 소자로부터 방출된 광을 추출하기 위해, 한 쌍의 전극들 중 적어도 하나가 투명한 한 수용가능하다. 그 후, 트랜지스터 및 발광 소자가 기판 위에 형성된다. 상기 발광 소자는 다음의 구조 중 임의의 것을 가질 수 있다: 광이 상기 기판의 반대측 표면을 통해 추출되는 상면 사출 구조; 광이 상기 기판 측 상에서의 표면을 통해 추출되는 하면 사출 구조; 또는 광이 상기 기판의 반대측 표면 및 상기 기판 측 상에서의 표면을 통해 추출되는 양면 사출 구조.
표시 소자로서 발광 소자를 사용한 발광 장치의 일 예는 도 8에 도시된다. 표시 소자인 발광 소자(4513)는 상기 화소부(4002)에 제공된 상기 트랜지스터(4010)에 전기적으로 접속된다. 상기 발광 소자(4513)는 상기 제 1 전극층(4030), 전계발광층(4511), 및 제 2 전극층(4031)의 적층 구조를 갖지만, 이러한 구조에 한정되지 않는다. 상기 발광 소자(4513)의 구조는 광이 발광 소자(4513) 등으로부터 추출되는 방향에 의존하여 적절히 변경될 수 있다.
격벽(4510)이 유기 절연 재료 또는 무기 절연 재료를 사용하여 형성될 수 있다. 상기 격벽(4510)은 상기 개구부의 측벽이 연속 곡률을 가진 기울어진 표면으로서 형성되도록 상기 제 1 전극층(4030) 위에 개구부를 갖도록 광감성 수지 재료를 사용하여 형성된다.
상기 전계발광층(4511)은 단층 또는 복수의 층들의 적층 중 하나를 갖고 형성될 수 있다.
보호막은 상기 발광 소자(4513)로의 산소, 수소, 수분, 이산화탄소 등의 진입을 방지하기 위해 상기 제 2 전극층(4031) 및 상기 격벽(4510) 위에 형성될 수 있다. 상기 보호막으로서, 질화 실리콘막, 질화 산화 실리콘막, DLC 막 등이 형성될 수 있다. 상기 제 1 기판(4001), 상기 제 2 기판(4006), 및 상기 실링재(4005)를 갖고 밀봉된 공간에서, 충전재(4514)가 제공되며 단단히 밀봉된다. 상기 발광 소자는 이러한 방식으로 상기 발광 소자가 공기 밖으로 노출되지 않도록 기밀성이 높고 탈가스가 적은 커버 재료 또는 보호막(라미네이트 막 또는 자외선 경화 수지막과 같은)을 갖고 패키징(밀봉)되는 것이 바람직하다.
상기 충전재(filler)(4514)로서, 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 가스뿐만 아니라 자외선 경화 수지 또는 열경화성 수지가 사용될 수 있으며, 폴리 염화 비닐(PVC), 아크릴, 폴리이미드, 에폭시 수지, 실리콘 수지, 폴리비닐 부티랄(PVB), 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 등이 사용될 수 있다. 예를 들면, 질소가 상기 충전재를 위해 사용된다.
필요하다면, 편광판, 원형 편광판(타원 편광판을 포함한), 위상차판(1/4-파장판 또는 1/2-파장판), 또는 컬러 필터와 같은 광학막이 상기 발광 소자의 발광 표면상에 적절하게 제공될 수 있다. 또한, 상기 편광판 또는 상기 원형 편광판은 반사-방지막을 제공받을 수 있다. 예를 들면, 눈부심을 감소시키기 위해 반사된 광이 상기 표면상에 돌출들 및 오목들에 의해 확산될 수 있는 눈부심-방지 처리가 수행될 수 있다.
전자 잉크가 구동되는 전자 페이퍼가 상기 표시 장치로서 제공될 수 있다. 상기 전자 페이퍼는 또한 전기영동 표시 장치(전기영동 디스플레이)로 불리우며 그것이 일반적인 종이와 동일한 레벨의 가독성을 갖고, 다른 표시 장치들보다 적은 전력 소비를 가지며, 얇고 가벼운 형태를 갖도록 설정될 수 있다는 점에서 이점들을 가진다.
전기영동 표시 장치는 다양한 모드들을 가질 수 있다. 전기영동 표시 장치는 용매 또는 용질로 분산된 복수의 마이크로캡슐들을 포함하며, 각각의 마이크로 캡슐은 양으로 전하되는 제 1 입자들 및 음으로 전하되는 제 2 입자들을 포함한다. 상기 마이크로캡슐들에 전계를 인가함으로써 상기 마이크로캡슐들에서의 입자들은 서로 반대 방향으로 이동하며 단지 하나의 측 상에 모이는 상기 입자들의 컬러만이 표시된다. 상기 제 1 입자들 및 상기 제 2 입자들 각각은 염료를 포함하며 전계 없이는 이동하지 않는다는 것을 주의하자. 게다가, 상기 제 1 입자들 및 상기 제 2 입자들은 상이한 컬러들(무색일 수 있는)을 가진다.
따라서, 전기영동 표시 장치는 높은 유전체 상수를 가진 물질이 고-전계 영역으로 이동하는 소위 유전체 전기영동 효과를 이용하는 표시 장치이다.
상기 마이크로캡슐들이 용매로 확산되는 용액은 전자 잉크로서 불리운다. 이러한 전자 잉크는 유리, 플라스틱, 옷감, 종이 등 상에서 인쇄될 수 있다. 더욱이, 염료를 가진 컬러 필터 또는 입자들을 사용함으로써, 컬러 표시가 또한 달성될 수 있다.
상기 마이크로캡슐들에서 상기 제 1 입자들 및 상기 제 2 입자들은 각각 도전성 재료, 절연 재료, 반도체 재료, 자성 재료, 액정 재료, 강유전성 재료, 전계발광 재료, 전기영동 재료, 및 자기영동 재료로부터 선택된 단일 재료로 형성되거나 또는 이들 중 임의의 것의 복합 재료로 형성될 수 있다.
전자 페이퍼로서, 트위스팅 볼 표시 방법을 사용한 표시 장치가 사용될 수 있다. 상기 트위스팅 볼 표시 방법은 각각 흰색 및 검은색으로 컬러링된 구형 입자들이 표시 소자를 위해 사용된 전극층들인 제 1 전극층 및 제 2 전극층 사이에 배열되는 방법을 나타내며, 상기 구형 입자들의 방향을 제어하기 위해 전위차가 상기 제 1 전극층 및 상기 제 2 전극층 사이에 생성되며, 따라서 표시가 수행된다.
도 9는 반도체 장치의 일 실시예로서 액티브 매트릭스 전자 페이퍼를 도시한다. 도 9에서 상기 전자 페이퍼는 트위스팅 볼 표시 방법을 사용한 표시 장치의 일 예이다. 상기 트위스트 볼 표시 방법은 각각이 흰색 및 검은색으로 컬러링된 구형 입자들이 표시 소자에 포함된 전극층 사이에 배열되는 방법을 나타내고, 전위차가 상기 구형 입자들의 방향을 제어하기 위해 상기 전극층들 사이에서 생성되며, 따라서 표시가 수행된다.
상기 트랜지스터(4010)에 연결된 상기 제 1 전극층(4030) 및 상기 제 2 기판(4006) 상에 제공된 상기 제 2 전극층(4031) 사이에, 검은색 영역(4615a), 흰색 영역(4615b), 및 그 각각이 액체로 채워진 상기 영역들 주변의 캐비티(4612)를 포함하는 구형 입자들(4613)이 제공된다. 구형 입자들(4613) 주변의 공간은 수지와 같은 충전재(4614)로 채워진다. 상기 제 2 전극층(4031)은 공통 전극(대향 전극)에 대응한다. 상기 제 2 전극층(4031)은 공통 전위선에 전기적으로 접속된다.
도 7 내지 도 9에서, 유리 기판뿐만 아니라 가요성 기판이 상기 제 1 기판(4001) 및 상기 제 2 기판(4006)으로서 사용될 수 있다는 것을 주의하자. 예를 들면, 투광성 특징들을 가진 플라스틱 기판이 사용될 수 있다. 플라스틱을 위해, 섬유 유리-보강 플라스틱(fiberglass-reinforced plastics; FRP) 판, 폴리비닐 플루오라이드(polyvinyl fluoride; PVF) 막, 폴리에스테르 막, 또는 아크릴 수지막이 사용될 수 있다. 알루미늄 포일이 PVF 막들 또는 폴리에스테르 막들 사이에 끼여지는 구조를 가진 시트가 또한 사용될 수 있다.
상기 산화물 절연층(4020) 및 상기 보호 절연층(4024)은 트랜지스터의 보호 막들로서 기능한다.
또한, 상기 산화물 절연층(4020)은 수소, 수분, 수산기, 및 수소화물과 같운 불순물들을 제거하는 단계에서 감소되는 산소를 상기 산화물 반도체층에 공급하는 기능을 가진다.
상기 산화물 절연층(4020)으로서, 산화 실리콘층, 산질화 실리콘층과 같은 많은 산소를 포함한 절연층이 스퍼터링법에 의해 형성될 수 있다.
상기 보호 절연층(4024)은 대기 중에 포함된 유기 물질, 금속, 또는 수증기와 같은 오염 불순물들이 들어가는 것을 방지하며; 따라서 치밀한 막이 바람직하게는 상기 보호 절연층(4024)을 위해 사용된다는 것을 주의하자. 상기 보호 절연층(4024)으로서, 질화 실리콘막, 산질화 실리콘막, 산화 알루미늄 막, 질화 알루미늄 막, 산질화 알루미늄 막, 또는 질화 산화 알루미늄 막의 단층 또는 적층이 스퍼터링법에 의해 형성될 수 있다.
평탄화 절연막으로서 작용하는 상기 절연층(4021)은 아크릴, 폴리이미드, 벤조사이클로부텐, 폴리아미드, 또는 에폭시와 같이, 내열성을 가진 유기 재료를 사용하여 형성될 수 있다. 이러한 유기 재료들 외에, 저-유전율 재료(로우-k 재료), 실록산계 수지, 포스포실리케이트 유리(phosphosilicate glass; PSG), 보로포스포실리케이트 유리(borophosphosilicate glass; BPSG) 등을 사용하는 것이 또한 가능하다. 상기 절연층은 이들 재료들로 형성된 복수의 절연막들을 적층함으로써 형성될 수 있다는 것을 주의하자.
상기 산화물 절연층(4020), 상기 보호 절연층(4024), 및 상기 절연층(4021)을 형성하기 위한 방법에 대한 특별한 제한은 없으며, 다음 중 임의의 것이 그 재료에 의존하여 사용될 수 있다: 스퍼터링법, SOG법, 스핀 코팅, 디핑(dipping), 스프레이 코팅, 또는 액적 토출법(예로서, 잉크젯 법, 스크린 인쇄, 또는 오프셋 인쇄)와 같은 방법; 닥터 나이프, 롤 코터, 커튼 코터, 또는 나이프 코터와 같은 툴(장비); 등.
상기 표시 장치는 광원 또는 표시 소자로부터 광을 투과함으로써 표시를 수행한다. 따라서, 광이 투과되는 상기 화소부에 제공된 상기 기판들 및 절연막들 및 도전막들과 같은 박막들이 가시광 파장 범위에서의 광에 대하여 투광성 특징들을 가진다.
상기 표시 소자에 전압을 인가하기 위한 상기 제 1 전극층(4030) 및 상기 제 2 전극층(4031)(그 각각은 화소 전극층, 공통 전극층, 대향 전극층 등으로서 불리울 수 있다)은 투광성 특징들 또는 광-반사 특징들을 가질 수 있으며, 이것은 광이 추출되는 방향, 상기 전극층이 제공되는 위치, 및 상기 전극층의 패턴 구조에 의존한다.
산화 텅스텐을 포함한 산화 인듐, 산화 텅스텐을 포함한 인듐 아연 산화물, 산화 티타늄을 포함한 산화 인듐, 산화 티타늄을 포함한 인듐 주석 산화물, 인듐 주석 산화물(이하, ITO로 불림), 인듐 주석 산화물, 또는 산화 실리콘이 첨가되는 인듐 주석 산화물과 같은 투광성 도전성 재료가 상기 제 1 전극층(4030) 및 상기 제 2 전극층(4031)을 위해 사용될 수 있다.
상기 제 1 전극층(4030) 및 상기 제 2 전극층(4031)은 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 바나듐(V), 니오븀(Nb), 탄탈(Ta), 크롬(Cr), 코발트(Co), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 또는 은(Ag)와 같은 금속; 그 합금; 및 그 질화물로부터 선택된 한 종류 또는 복수 종류들을 사용하여 형성될 수 있다.
도전성 고분자(또한, 도전성 폴리머라 불림)를 포함한 도전성 조성물이 상기 제 1 전극층(4030) 및 상기 제 2 전극층(4031)을 위해 사용될 수 있다. 상기 도전성 고분자로서, 소위π-전자 공액 도전성 폴리머가 사용될 수 있다. 예를 들면, 폴리아닐린 또는 그 유도체, 폴리피롤 또는 그 유도체, 폴리치오펜 또는 그 유도체, 아닐린, 피롤, 및 치오펜 중 하나 이상의 공중합체 또는 그 유도체가 주어질 수 있다.
상기 트랜지스터는 정전기 등으로 인해 쉽게 깨지기 때문에, 바람직하게는 상기 구동 회로를 보호하기 위한 보호 회로가 제공된다. 상기 보호 회로는 바람직하게는 비선형 소자를 사용하여 형성된다.
상술된 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 6에 도시된 상기 트랜지스터들 중 임의의 것을 사용함으로써, 다양한 기능들을 가진 반도체 장치가 제공될 수 있다.
(실시예 8)
실시예 1 내지 실시예 6에 도시된 상기 트랜지스터들 중 임의의 것이 사용될 때, 대상물의 데이터를 판독하기 위한 이미지 센서 기능을 가진 반도체 장치가 제작될 수 있다.
도 10a는 이미지 센서 기능을 가진 반도체 장치의 일 예를 도시한다. 도 10a는 포토 센서의 등가 회로이며 도 10b는 상기 포토 센서의 일부를 도시하는 단면도이다.
포토다이오드(602)에서, 하나의 전극은 포토다이오드 리셋 신호선(658)에 전기적으로 접속되며, 다른 전극은 트랜지스터(640)의 게이트에 전기적으로 접속된다. 상기 트랜지스터(640)의 소스 및 드레인 중 하나는 포토 센서 기준 신호선(672)에 전기적으로 접속되며 상기 소스 및 상기 드레인 중 다른 하나는 트랜지스터(656)의 소스 및 드레인 중 하나에 전기적으로 접속된다. 상기 트랜지스터(656)의 게이트는 게이트 신호선(659)에 전기적으로 접속되며, 그것의 상기 소스 및 상기 드레인 중 다른 하나는 포토 센서 출력 신호선(671)에 전기적으로 접속된다.
본 명세서에서의 회로도들에서, 산화물 반도체층을 사용한 트랜지스터가 그것이 산화물 반도체층을 포함한 트랜지스터로서 식별될 수 있도록 심볼 "OS"로 표시된다. 도 10a에서, 상기 트랜지스터(640) 및 상기 트랜지스터(656)는 산화물 반도체층을 사용한 트랜지스터들이다.
도 10b는 포토 센서에서 상기 포토다이오드(602) 및 상기 트랜지스터(640)의 단면도이다. 센서로서 기능하는 상기 포토다이오드(602) 및 상기 트랜지스터(640)는 절연 표면을 가진 기판(601)(TFT 기판) 위에 제공된다. 기판(613)은 접착층(608)을 사이에 개재하여 상기 포토다이오드(602) 및 상기 트랜지스터(640) 위에 제공된다.
절연층(631), 보호 절연층(632), 층간 절연층(633), 및 층간 절연층(634)은 상기 트랜지스터(640) 위에 제공된다. 상기 포토다이오드(602)는 상기 층간 절연층(633) 위에 제공된다. 상기 포토다이오드(602)에서, 제 1 반도체층(606a), 제 2 반도체층(606b), 및 제 3 반도체층(606c)이 상기 층간 절연층(633) 위에 형성된 전극층(641)과 상기 층간 절연층(634) 위에 형성된 전극층(642) 사이에서, 상기 층간 절연층(633) 측으로부터 순차적으로 적층된다.
상기 전극층(641)은 상기 층간 절연층(634)에 형성된 도전층(643)에 전기적으로 접속되며, 상기 전극층(642)은 상기 전극층(644)을 통해 게이트 전극층(645)에 전기적으로 접속된다. 상기 게이트 전극층(645)은 상기 트랜지스터(640)의 게이트 전극층에 전기적으로 접속되며, 상기 포토다이오드(602)는 상기 트랜지스터(640)에 전기적으로 접속된다.
여기에서, 상기 제 1 반도체층(606a)으로서 p-형 도전성을 가진 반도체층, 상기 제 2 반도체층(606b)으로서 고-저항 반도체층(i-형 반도체층), 및 상기 제 3 반도체층(606c)으로서 n-형 도전성을 가진 반도체층이 적층되는 PIN 포토다이오드가 일 예로서 도시된다.
상기 제 1 반도체층(606a)은 p-형 반도체층이며 p-형 도전성을 부여하는 불순물 원소를 포함하는 비정질 실리콘막을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 제 1 반도체층(606a)은 13족에 속하는 불순물 원소(붕소(B)와 같음)를 포함하는 반도체 소스 가스를 사용한 플라즈마 CVD법에 의해 형성된다. 상기 반도체 소스 가스로서, 실란(SiH4)이 사용될 수 있다. 대안적으로, Si2H6, SiH2Cl2, SiHCl3, SiCl4, SiF4 등이 사용될 수 있다. 또한, 대안적으로, 불순물 원소를 포함하지 않는 비정질 실리콘막이 형성될 수 있으며, 그 후 불순물 원소는 확산법 또는 이온 주입법을 사용하여 상기 비정질 실리콘막에 도입될 수 있다. 가열 등은 상기 불순물 원소를 확산시키기 위해 이온 주입법 등에 의해 상기 불순물 원소를 도입한 후 행해질 수 있다. 이 경우에, 상기 비정질 실리콘막을 형성하기 위한 방법으로서, LPCVD법, 기상 성장법, 스퍼터링법 등이 사용될 수 있다. 상기 제 1 반도체층(606a)은 바람직하게는 10 nm 이상 50 nm 이상의 두께를 갖도록 형성된다.
상기 제 2 반도체층(606b)은 i-형 반도체층(진성 반도체층)이고 비정질 실리콘막을 사용하여 형성된다. 상기 제 2 반도체층(606b)의 형성을 위해, 비정질 실리콘막이 플라즈마 CVD법에 의해 반도체 소스 가스를 사용하여 형성된다. 상기 반도체 소스 가스로서, 실란(SiH4)이 사용될 수 있다. 대안적으로, Si2H6, SiH2Cl2, SiHCl3, SiCl4, SiF4 등이 사용될 수 있다. 상기 제 2 반도체층(606b)은 대안적으로 LPCVD법, 기상 성장법, 스퍼터링법 등에 의해 형성될 수 있다. 상기 제 2 반도체층(606b)은 바람직하게는 200 nm 이상 1000 nm 이상의 두께를 갖도록 형성된다.
상기 제 3 반도체층(606c)은 n-형 반도체층이며 n-형 도전성을 부여하는 불순물 원소를 포함한 비정질 실리콘막을 사용하여 형성된다. 상기 제 3 반도체층(606c)은 15족에 속하는 불순물 원소(예로서, 인(P))을 포함한 반도체 소스 가스를 사용한 플라즈마 CVD법에 의해 형성된다. 상기 반도체 소스 가스로서, 실란(SiH4)이 사용될 수 있다. 대안적으로, Si2H6, SiH2Cl2, SiHCl3, SiCl4, SiF4 등이 사용될 수 있다. 또한, 대안적으로, 불순물 원소를 포함하지 않는 비정질 실리콘막이 형성될 수 있으며, 그 후 불순물 원소는 확산법 또는 이온 주입법의 사용으로 상기 비정질 실리콘막으로 도입될 수 있다. 가열 등이 상기 불순물 원소를 확산시키기 위해 이온 주입법 등에 의해 상기 불순물 원소를 도입한 후 행해질 수 있다. 이 경우에, 상기 비정질 실리콘막을 형성하기 위한 방법으로서, LPCVD법, 기상 성장법, 스퍼터링법 등이 사용될 수 있다. 상기 제 3 반도체층(606c)은 바람직하게는 20 nm 이상 200 nm 이상의 두께를 갖도록 형성된다.
상기 제 1 반도체층(606a), 상기 제 2 반도체층(606b), 및 상기 제 3 반도체층(606c)이 반드시 비정질 반도체를 사용하여 형성되는 것은 아니며, 그것들은 다결정 반도체, 미결정 반도체(반-비정질 반도체(SAS))를 사용하여 형성될 수 있다.
상기 미결정 반도체는 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy)가 고려될 때 비정질 및 단결정 사이의 중간인 준안정적 상태(metastable state)에 속한다. 즉, 상기 미결정 반도체는 자유 에너지에 관하여 안정된 제 3 상태를 가진 반도체이며 단거리 질서 및 격자 왜곡을 가진다. 주상형 또는 침형 결정들은 기판 표면에 대하여 정상 방향으로 성장한다. 미결정 반도체의 대표적인 예인 미결정 실리콘의 라만 스펙트럼은, 단결정 실리콘의 라만 스펙트럼의 피크를 나타내는 520 ㎝-1보다 낮은 파수들에 위치된다. 즉, 상기 미결정 실리콘의 라만 스펙트럼의 피크는 단결정 실리콘을 나타내는 520㎝-1과 비정질 실리콘을 나타내는 480㎝-1 사이에 존재한다. 또한, 상기 미결정 실리콘은 미결합수를 종료하기 위해 적어도 1 원자% 이상의 수소 또는 할로겐을 포함한다. 게다가, 상기 미결정 실리콘은 격자 왜곡을 추가로 촉진하기 위해 헬륨, 아르곤, 크립톤, 또는 네온과 같은 희가스 원소를 포함하며, 따라서 안정성이 증가되고 양호한 미결정 반도체 막이 획득될 수 있다.
상기 미결정 반도체 막은 수십 내지 수백 MHz의 주파수를 가진 고-주파수 플라즈마 CVD법 또는 1 GHz 이상의 주파수를 가진 마이크로파 플라즈마 CVD법에 의해 형성될 수 있다. 대표적으로, 상기 미결정 반도체 막은 수소를 갖고 희석되는 SiH4, Si2H6, SiH2Cl2, SiHCl3, SiCl4, 또는 SiF4와 같은 실리콘 수소화물을 사용하여 형성될 수 있다. 실리콘 수소화물 및 수소 이외에 헬륨, 아르곤, 크립톤 또는 네온으로부터 선택된 한 종류 또는 복수 종류들의 희가스 원소들을 가진 희석을 갖고, 상기 미결정 반도체 막이 형성될 수 있다. 이 경우에, 수소 대 실리콘 수소화물의 유량비는 5:1 내지 200:1, 바람직하게는 50:1 내지 150:1, 보다 바람직하게는 100:1이다. 또한, CH4 또는 C2H6과 같은 탄화물 가스, GeH4 또는 GeF4, F2 등과 같은 게르마늄 가스가 실리콘을 포함한 가스로 혼합될 수 있다.
광전 효과에 의해 생성된 홀들의 이동도는 전자들의 것보다 낮기 때문에, PIN 포토다이오드는 p-형 반도체층 측 상에서의 표면이 수광면으로서 사용될 때 보다 양호한 특성들을 가진다. 여기에서, 그 위에 PIN 다이오드가 형성되는 상기 기판(601)의 표면으로부터 상기 포토다이오드(602)에 의해 수신된 광(622)이 전기 신호들로 변환되는 일 예가 설명될 것이다. 상기 수광면 상에서의 상기 반도체 측의 것으로부터 반대인 도전형을 가진 상기 반도체층 측에 도달하는 광은 외란광(disturbance light)이며; 그러므로, 상기 전극층은 바람직하게는 차광 도전성 막으로부터 형성된다. 상기 n-형 반도체층 측의 표면은 대안적으로 수광면으로서 사용될 수 있다.
절연 재료의 사용으로, 상기 절연층(631), 상기 보호 절연층(632), 상기 층간 절연층(633), 및 상기 층간 절연층(634)이 스퍼터링법, SOG법, 스핀 코팅, 디핑, 스프레이 코팅, 또는 액적 토출법(예로서, 잉크젯 법, 스크린 인쇄, 오프셋 인쇄 등)과 같은 방법, 또는 닥터 나이프, 롤 코터, 커튼 코터, 또는 나이프 코터와 같은 툴(장비)을 갖고, 재료에 의존하여 형성될 수 있다.
상기 절연층(631)으로서, 산화 실리콘층, 산질화 실리콘층, 산화 알루미늄층, 산질화 알루미늄층 등과 같은 산화물 절연층의 단층 또는 적층이 사용될 수 있다.
상기 보호 절연층(632)의 무기 절연 재료로서, 질화 실리콘층, 질화 산화 실리콘층, 질화 알루미늄층, 질화 산화 알루미늄층 등과 같은 질화물 절연층의 단층 또는 적층이 사용될 수 있다. 높은 항복 전압을 가진 치밀하고 고-품질의 절연층의 형성이 가능하기 때문에, 바람직하게는 마이크로파들(2.45 GHz)을 사용한 고-밀도 플라즈마 CVD가 이용된다.
표면 거칠기의 감소를 위해, 평탄화 절연막으로서 기능하는 절연층이 바람직하게는 상기 층간 절연층들(633, 634)로서 사용된다. 상기 층간 절연층들(633, 634)을 위해, 폴리이미드, 아크릴 수지, 벤조사이클로부텐 수지, 폴리아미드, 또는 에폭시 수지와 같은 내열성을 가진 재료가 사용될 수 있다. 이러한 유기 절연 재료들 외에, 저-유전율 재료(로우-k 재료), 실록산계 수지, 포스포실리케이트 유리(PSG), 보로포스포실리케이트 유리(BPSG) 등의 단층 또는 적층을 사용하는 것이 가능하다.
상기 포토다이오드(602)에 들어가는 광(622)을 검출함으로써, 대상물의 데이터가 판독될 수 있다. 백라이트와 같은 광원이 대상물의 데이터 판독시 사용될 수 있다.
실시예 1 내지 실시예 6에서의 예로서 도시된 트랜지스터들은 상기 트랜지스터(640)로서 사용될 수 있다. 수소, 수분, 수산기, 또는 수소화물(또한, 수소 화합물이라 불림)과 같은 불순물들을 산화물 반도체층으로부터 의도적으로 제거함으로써 고정제된 산화물 층을 포함한 트랜지스터는 전기적 특성들에서의 변화를 억제하고 전기적으로 안정된다. 결과적으로, 높은 신뢰성을 가진 반도체 장치가 제공될 수 있다.
이 실시예는 다른 실시예들에 설명된 상기 구조들과 적절히 조합하여 실시될 수 있다.
(실시예 9)
본 명세서에 개시된 액정 표시 장치가 다양한 전자 기기들(게임기들을 포함한)에 적용될 수 있다. 전자 기기들의 예들은 텔레비전 세트(또한 텔레비전, 또는 텔레비전 수신기라 불림), 컴퓨터 등의 모니터, 디지털 카메라 또는 디지털 비디오 카메라와 같은 카메라, 디지털 포토 프레임, 휴대 전화기(예로서, 휴대 전화 또는 휴대 전화 장치), 휴대용 게임기, 휴대 정보 단말, 오디오 재생 장치, 파친코 기계와 같은 대형 게임기 등이다. 상기 실시예들 중 임의의 것에 설명된 상기 액정 표시 장치를 포함한 전자 기기들의 예들이 설명될 것이다.
도 11a는 하우징들(9630), 표시부(9631), 조작 키들(9632), 태양 전지(9633), 및 충전 및 방전 제어 회로(9634)를 포함할 수 있는 전자 서적 판독기(또한 e-북 판독기라 불림)를 도시한다. 도 11a에 도시된 상기 e-북 판독기는 상기 표시부 상에 다양한 종류들의 정보(예로서, 정지 이미지, 움직이는 이미지, 및 텍스트 이미지)를 표시하는 기능, 상기 표시부 상에 달력, 날짜, 시간 등을 표시하는 기능, 상기 표시부 상에 표시된 정보를 조작 또는 편집하는 기능, 다양한 종류들의 소프트웨어(프로그램들)에 의한 처리를 제어하는 기능 등을 가진다. 도 11a에서, 상기 충전 및 방전 제어 회로(9634)는 일 예로서 배터리(9635) 및 DCDC 변환기(이하, 변환기로 약칭)(9636)를 가진다는 것을 주의하자. 실시예 1 내지 실시예 8 중 임의의 것에 도시된 상기 반도체 장치가 상기 표시부(9631)에 적용될 때, 매우 신뢰성 있는 e-북 판독기가 획득될 수 있다.
도 11a에 도시된 상기 구조에서 상기 표시부(9631)로서 반투과형 또는 반사형 액정 표시 장치를 사용하는 경우에, 상기 e-북 판독기는 비교적 밝은 환경에서 사용될 수 있다. 상기 경우에, 상기 태양 전지(9633)에 의한 전력 생성 및 상기 배터리(9635)에 의한 충전이 효과적으로 수행될 수 있으며, 이것은 바람직하다. 상기 태양 전지(9633)는 상기 하우징(9630)의 공간(표면 또는 이면) 상에 적절하게 제공될 수 있고, 상기 배터리(9635)는 효율적으로 충전될 수 있으며, 이는 바람직하다. 리튬 이온 전지가 상기 배터리(9635)로서 사용될 때, 소형화 등의 이점이 있다.
도 11a에 도시된 상기 충전 및 방전 제어 회로(9634)의 구성 및 동작이 도 11b의 블록도를 참조하여 설명된다. 도 11b는 상기 태양 전지(9633), 상기 배터리(9635), 상기 변환기(9636), 변환기(9637), 스위치들(SW1 내지 SW3), 및 상기 표시부(9631)를 도시한다. 상기 충전 및 방전 제어 회로(9634)는 상기 배터리(9635), 상기 변환기(9636), 상기 변환기(9637), 및 상기 스위치들(SW1 내지 SW3)을 포함한다.
먼저, 상기 태양 전지(9633)가 외부 광을 사용함으로써 전력을 생성하는 경우에 동작 예에 대한 설명이 주어진다. 상기 태양 전지(9633)에 의해 생성된 전력은 상기 배터리(9635)에 저장되는 전압이 되도록 상기 변환기(9636)에 의해 승압 또는 감압된다. 상기 태양 전지(9633)로부터의 전력이 상기 표시부(9631)의 동작을 위해 사용될 때, 상기 스위치(SW1)는 턴 온되며 상기 전력은 상기 표시부(9631)를 위해 요구된 전압이 되도록 상기 변환기(9637)에 의해 승압 또는 감압된다. 표시가 상기 표시부(9631) 상에서 수행되지 않을 때, 상기 스위치(SW1)는 턴 오프되며, 상기 스위치(SW2)는 턴 온될 수 있고, 그에 의해 상기 배터리(9635)는 충전된다.
다음으로, 동작의 일 예가 상기 태양 전지(9633)가 외부 광을 사용하여 전력을 생성하지 않는 경우에 대해 설명된다. 상기 배터리(9635)에 저장된 상기 전력은 상기 스위치(SW3)가 턴 온 될 때 상기 변환기(9637)에 의해 승압 또는 감압된다. 그 후, 상기 배터리(9635)로부터의 상기 전력은 상기 표시부(9631)의 동작을 위해 사용된다.
상기 태양 전지(9633)는 여기에서 충전 수단의 일 예로서 도시되지만, 상기 배터리(9635)를 충전하는 것은 또 다른 수단에 의해 수행될 수 있다는 것을 주의하자. 대안적으로, 또 다른 충전 수단의 조합이 사용될 수 있다.
도 12a는 본체(3001), 하우징(3002), 표시부(3003), 키보드(3004) 등을 포함한 랩탑 퍼스널 컴퓨터를 도시한다. 실시예 1 내지 실시예 8 중 임의의 것에 도시된 상기 반도체 장치가 상기 표시부(3003)에 적용될 때, 매우 신뢰성 있는 랩탑 퍼스널 컴퓨터가 획득될 수 있다.
도 12b는 본체(3021)에 표시부(3023), 외부 인터페이스(3025), 조작 버튼(3024) 등을 포함한 휴대 정보 단말(PDA)이다. 스타일러스(3022)는 조작을 위한 액세서리로서 포함된다. 실시예 1 내지 실시예 8 중 임의의 것에 도시된 상기 반도체 장치를 상기 표시부(3023)에 인가함으로써, 보다 높은 신뢰성을 가진 휴대 정보 단말(PDA)이 획득될 수 있다.
도 12c는 e-북 판독기의 일 예이다. 예를 들면, 상기 e-북 판독기(2700)는 두 개의 하우징들, 즉 하우징(2701) 및 하우징(2703)을 포함한다. 상기 하우징(2701) 및 상기 하우징(2703)은 상기 e-북 판독기(2700)가 축으로서 힌지(hinge)(2711)를 갖고 개폐되도록 상기 힌지(2711)와 결합된다. 이러한 구조를 갖고, 상기 e-북 판독기(2700)가 종이 서적과 같이 동작할 수 있다.
표시부(2705) 및 표시부(2707)는 각각 상기 하우징(2701) 및 상기 하우징(2703)에 통합된다. 상기 표시부(2705) 및 상기 표시부(2707)는 하나의 이미지 또는 상이한 이미지들을 표시할 수 있다. 상이한 이미지들이 상이한 표시부들 상에 표시되는 구조에서, 예를 들면, 우측 표시부(도 12c에서 상기 표시부(2705))는 텍스트를 표시할 수 있고 좌측 표시부(도 12c에서 상기 표시부(2707))는 이미지들을 표시할 수 있다. 실시예 1 내지 실시예 8 중 임의의 것에 도시된 상기 반도체 장치가 상기 표시부들(2705, 2707)에 적용될 때, 높은 신뢰성을 가진 상기 e-북 판독기(2700)가 획득될 수 있다.
도 12c는 상기 하우징(2701)이 조작부 등을 갖춘 일 예를 도시한다. 예를 들면, 상기 하우징(2701)은 전원 스위치(2721), 조작 키들(2723), 스피커(2725) 등을 갖춘다. 상기 조작 키들(2723)을 갖고, 페이지들이 넘겨질 수 있다. 키보드, 포인팅 디바이스 등이 또한 상기 표시부가 제공되는 상기 하우징의 표면상에 제공될 수 있다는 것을 주의하자. 또한, 외부 접속 단자(이어폰 단자, UBS 단자 등), 기록 매체 삽입부 등이 상기 하우징의 이면 또는 측면 상에 제공될 수 있다. 게다가, 상기 e-북 판독기(2700)는 전자 사전의 기능을 가질 수 있다.
상기 e-북 판독기(2700)는 데이터를 무선으로 송신 및 수신할 수 있는 구성을 가질 수 있다. 무선 통신을 통해, 원하는 서적 데이터 등이 전자 서적 서버로부터 구매되고 다운로드될 수 있다.
도 12d는 두 개의 하우징들, 하우징(2800) 및 하우징(2801)을 포함한 휴대 전화이다. 상기 하우징(2801)은 표시 패널(2802), 스피커(2803), 마이크로폰(2804), 포인팅 디바이스(2806), 카메라 렌즈(2807), 외부 접속 단자(2808) 등을 포함한다. 상기 하우징(2800)은 상기 휴대 정보 단말, 외부 메모리 슬롯(2811) 등의 충전의 기능을 가진 태양 전지(2810)를 포함한다. 또한, 안테나가 상기 하우징(2801)에 통합된다. 실시예 1 내지 실시예 8 중 임의의 것에 도시된 상기 반도체 장치가 상기 표시 패널(2802)에 적용될 때, 매우 신뢰성 있는 휴대 전화가 획득될 수 있다.
또한, 상기 표시 패널(2802)은 터치 패널을 구비한다. 표시되는 복수의 조작 키들(2805)은 도 12d에서 점선들로 표시된다. 전압이 상기 태양 전지(2810)로부터 출력된 전압이 각각의 회로에 대해 충분히 높도록 증가되는 승압 회로가 또한 포함된다는 것을 주의하자.
상기 표시 패널(2802)에서, 상기 표시 방향은 사용 패턴에 의존하여 적절히 변경될 수 있다. 상기 휴대 전화는 상기 표시 패널(2802)과 동일한 표면상에 카메라 렌즈(2807)를 구비하며, 따라서 그것은 비디오 전화로서 사용될 수 있다. 상기 스피커(2803) 및 상기 마이크로폰(2804)은 음성 통화들뿐만 아니라 비디오전화 통화들, 사운드 녹음 및 재생 등을 위해 사용될 수 있다. 게다가, 도 12d에 도시된 바와 같이 개발되는 상태에서 상기 하우징들(2800, 2801)은 하나가 다른 하나 위에 겹쳐지도록 슬라이딩에 의해 시프트할 수 있으며; 그러므로, 상기 휴대 전화의 크기는 감소될 수 있고, 이것은 휴대 전화를 운반하기에 적절하게 만든다.
상기 외부 접속 단자(2808)는 AC 어댑터 및 USB 케이블과 같은 다양한 유형들의 케이블들에 연결될 수 있고, 충전 및 퍼스널 컴퓨터와의 데이터 통신이 가능하다. 또한, 대량의 데이터가 저장 매체를 상기 외부 메모리 슬롯(2811)에 삽입함으로써 저장될 수 있고 이동될 수 있다.
상기 기능들 외에, 적외선 통신 기능, 텔레비전 수신 기능 등이 제공될 수 있다.
도 12e는 본체(3051), 표시부(A)(3057), 접안부(3053), 조작 스위치(3054), 표시부(B)(3055), 배터리(3056) 등을 포함한 디지털 비디오 카메라이다. 실시예 1 내지 실시예 8 중 임의의 것에 도시된 상기 반도체 장치가 상기 표시부(A)(3057) 및 상기 표시부(B)(3055)에 적용될 때, 매우 신뢰성 있는 디지털 비디오 카메라가 획득될 수 있다.
도 12f는 텔레비전 세트의 일 예를 도시한다. 텔레비전 세트(9600)에서, 표시부(9603)가 하우징(9601)에 통합된다. 상기 표시부(9603)는 이미지들을 표시할 수 있다. 여기에서, 상기 하우징(9601)는 지지대(9605)에 의해 지지된다. 실시예 1 내지 실시예 8 중 임의의 것에 도시된 상기 반도체 장치가 상기 표시부(9603)에 적용될 때, 높은 신뢰성을 가진 상기 텔레비전 세트(9600)가 획득될 수 있다.
상기 텔레비전 세트(9600)는 상기 하우징(9601)에 포함된 조작 스위치 또는 별개의 원격 제어기에 의해 조작될 수 있다. 상기 원격 제어기는 상기 원격 제어기로부터 출력된 데이터를 표시하기 위한 표시부를 구비할 수 있다.
상기 텔레비전 세트(9600)는 수신기, 모뎀 등을 구비한다는 것을 주의하자. 상기 수신기의 사용으로, 일반적인 텔레비전 방송이 수신될 수 있다. 게다가, 상기 표시 장치가 상기 모뎀을 통해 배선들을 갖고 또는 배선 없이 통신 네트워크에 연결될 때, 단-방향(송신자로부터 수신자로) 또는 양-방향(송신자 및 수신자 사이에 또는 수신자들 사이에) 정보 통신이 수행될 수 있다.
이 실시예는 다른 실시예들에 설명된 상기 구조와 적절히 조합하여 실시될 수 있다.
[예 1]
이 예에서, 실시예 4에서의 도 4b에 도시된 상기 탑-게이트 트랜지스터가 제작된다. 동시에, 시트 저항을 평가하기 위한 테스트 소자 그룹(test element group; TEG)이 제작되며, 산소가 도입되는 산화물 반도체층의 상기 시트 저항이 평가된다. 먼저, 상기 트랜지스터 및 상기 TEG를 제작하기 위한 방법이 도 13a 및 도 13b를 참조하여 설명된다.
도 13a에 도시된 바와 같이, 트랜지스터(540)는 하지층(536), 산화물 반도체층(503), 소스 전극층(505a), 드레인 전극층(505b), 게이트 절연층(567), 게이트 전극층(501), 보호 절연층(569), 배선층(565a), 및 배선층(565b)을 포함하며, 이것은 절연 표면을 가진 기판(500) 위에 형성된다.
TEG(550)는 상기 하지층(536), 상기 산화물 반도체층(503), 상기 소스 전극층(505a) 및 상기 드레인 전극층(505b)과 동시에 형성된 전극층(505c), 및 상기 게이트 절연층(567)을 포함하며, 이것은 절연 표면을 가진 상기 기판(500) 위에 형성된다. 도 13a에 도시된 상기 TEG(550)는 도 13b에 도시된 점선(AA1-AA2)에 대응하는 단면도인 것을 주의하자.
도 13b는 도 13a에 도시된 상기 TEG(550)의 평면도를 도시한다. 상기 산화물 반도체층(503) 위에, 빗-형상 전극층(505c)이 형성된다. 상기 산화물 반도체층(503)의 시트 저항은 전위를 상기 전극층(505c)에 인가함으로써 측정될 수 있다. 상기 전극층(505c)이 형성되지 않는 영역은 L/W=100㎛/50000㎛의 크기를 가진다.
다음으로, 도 13a 및 도 13b에 도시된 상기 트랜지스터(540) 및 상기 TEG(550)를 제작하기 위한 방법이 설명된다.
먼저, 상기 하지층(536)으로서, 산화 실리콘막(300 nm의 두께를 가짐)이 100℃에서 스퍼터링법에 의해 상기 기판(500) 위에 형성된다.
다음으로, 30 nm의 두께를 가진 산화물 반도체층이 In-Ga-Zn-O계 금속 산화물 타겟(In2O3:Ga2O3:ZnO = 1:1:1)을 사용하여 상기 하지층(536) 위에 형성된다. 상기 산화물 반도체층은 다음 조건들 하에서 형성된다: 상기 압력은 0.4 Pa이고, 상기 직류(DC) 전원은 0.5 kW이고, 상기 분위기는 아르곤 및 산소를 포함한 분위기(아르곤:산소 = 30sccm:15sccm)이며, 상기 온도는 200℃이다.
상기 산화물 반도체층은 선택적으로 에칭되며, 그에 의해 상기 섬형상 산화물 반도체층(503)을 형성한다. 그 후, 소스 전극층 및 드레인 전극층으로서 기능하는 도전막으로서, 텅스텐막(50 nm의 두께를 가진)이 200℃에서 스퍼터링법에 의해 상기 산화물 반도체층(503) 위에 형성된다. 여기에서, 상기 텅스텐막은 상기 소스 전극층(505a), 상기 드레인 전극층(505b), 및 상기 전극층(505c)을 형성하기 위해 선택적으로 에칭된다.
상기 게이트 절연층(567)은 상기 소스 전극층(505a), 상기 드레인 전극층(505b), 및 상기 전극층(505c), 그 일부들이 노출되는 상기 산화물 반도체층(503), 및 상기 하지층(536) 위에 형성된다. 산질화 실리콘막(30 nm의 두께를 가짐)이 플라즈마 CVD법에 의해 상기 게이트 절연층(567)으로서 형성된다. 이 예에서, 도 4b에 도시된 게이트 절연층으로서 기능하는 상기 보호 절연층이 형성되지 않는다는 것을 주의하자.
산소가 상기 게이트 절연층(567)을 통해 상기 산화물 반도체층(503)에 도입된다(산소 도입). 이온 주입법이 상기 산소 도입을 위해 사용된다. 상기 처리는 소스 가스로서 16O2(16O+)를 사용한 25 keV의 가속 전압에서 수행된다. 상기 산소 도입은, 산소 도입 없음, 4.5×1014 이온/㎠의 도즈량에서의 산소 도입, 및 4.5×1015 이온/㎠의 도즈량에서의 산소 도입의 3개의 조건들 하에서 수행되고, 3개의 샘플들이 형성된다는 것을 주의하자.
제 1 열 처리가 질소 분위기 하에서 450℃로 1시간 동안 수행된 후, 스퍼터리 장치의 사용으로, 질화 탄탈막(30 nm의 두께를 가짐) 및 텅스텐막(370 nm의 두께를 가짐)의 적층이 상기 게이트 절연층(567) 위에 게이트 전극층으로서 형성된다. 그 후, 상기 적층은 선택적으로 에칭되며, 그에 의해 상기 게이트 전극층(501)을 형성한다.
산화 실리콘막(300 nm의 두께를 가짐)이 상기 게이트 전극층(501) 및 상기 게이트 절연층(567)과 접하도록 200℃에서 스퍼터링법에 의해 상기 보호 절연층(569)으로서 형성된다. 여기에서, 상기 보호 절연층(569) 및 상기 게이트 절연층(567)인 상기 산화 실리콘막이 선택적으로 에칭되며, 따라서 개구들이 접촉 영역에 형성된다.
접속 배선으로서, 티타늄막(50 nm의 두께를 가짐), 알루미늄 막(100 nm의 두께를 가짐), 및 티타늄막(5 nm의 두께를 가짐)이 스퍼터링법에 의해 이러한 순서로 적층된다. 상기 적층은 선택적으로 에칭되며, 그에 의해 상기 배선층(565a) 및 상기 배선층(565b)이 형성된다.
상기 단계들을 통해, 상기 트랜지스터(540) 및 상기 TEG(550)가 형성된다.
도 13에 도시된 상기 TEG(550)를 사용함으로써, 상기 산화물 반도체층(503)의 시트 저항이 측정된다. 상기 시트 저항의 측정 결과들이 도 14에 도시된다.
도 14의 그래프에서, 수직 축은 상기 시트 저항의 측정 결과들을 도시하며 상기 수평 축은 상기 산소 도입의 각각의 조건들을 도시한다. 상기 수평 축에 도시된 플롯들(571, 572, 573)은 각각 산소 도입 없음, 4.5×1014 이온/㎠의 도즈량에서의 산소 도입, 및 4.5×1015 이온/㎠의 도즈량에서의 산소 도입의 조건들에 대응한다는 것을 주의하자. 각각의 플롯은 유리 기판 위에 형성된 시트 저항을 평가하기 위한 13개의 TEG들의 데이터를 도시한다.
도 14의 그래프로부터, 산소 도입 없는 조건 하에서의 상기 플롯(571)에서, 상기 시트 저항은 1.0×107 Ω/㎠ 내지 1.7×108 Ω/㎠이다. 4.5×1014 이온/㎠의 도즈량에서의 산소 도입의 조건 하에서의 상기 플롯(572)에서, 상기 시트 저항은 1.0×108 Ω/㎠ 내지 1.0×109 Ω/㎠이다. 4.5×1015 이온/㎠의 도즈량에서의 산소 도입의 조건 하에서의 상기 플롯(573)에서, 상기 시트 저항은 1.0×108 Ω/㎠ 내지 1.0×1010 Ω/㎠이다.
상술된 바와 같이, 산소가 산화물 절연층인 상기 게이트 절연층(567)을 통해 상기 산화물 반도체층(503)에 도입될 때, 상기 산화물 반도체층(503)의 시트 저항이 증가된다는 것이 이해될 수 있다. 또한, 상기 산화물 반도체층(503)의 시트 저항은 도입된 산소의 농도에 의해 제어될 수 있다는 것이 확인되었다.
상기 결과들은 산화물 절연층(게이트 절연층)이 산화물 반도체층과 접하도록 형성될 때, 산소가 상기 산화물 절연층을 통해 도입되며(산소 도입), 열 처리가 수행되고, 상기 산화물 반도체의 주성분 중 하나인 산소가 상기 산소를 포함한 산화물 절연층으로부터 상기 산화물 반도체층에 공급될 수 있다는 것을 보여준다. 따라서, 상기 산화물 반도체층은 전기적으로 i-형(진성)이도록 보다 고정제되며, 상기 산화물 반도체층의 시트 저항은 증가된다.
결과적으로, 높은 신뢰성 및 안정된 전기적 특성들을 가진 산화물 반도체를 사용한 반도체 장치가 제공될 수 있다.
이 예는 다른 실시예들에 설명된 상기 구조들 중 임의의 것과 적절하게 조합하여 실시될 수 있다.
본 출원은, 그 전체 내용들이 여기에 참조로서 통합되는, 2010년 2월 26일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 번호 제2010-042024호에 기초한다.
400: 기판 401: 게이트 전극층
402: 게이트 절연층 403: 산화물 반도체층
404a, 404b: 금속 산화물 영역 405a: 소스 전극층
405b: 드레인 전극층 407: 산화물 절연층
409: 보호 절연층 410, 420: 트랜지스터
421: 산소 422: 산화물 반도체층
426, 427: 산화물 절연층 430: 트랜지스터
436: 절연층 437: 산화물 절연층
438: 보호 절연층 440: 트랜지스터
441: 산화물 반도체층 450: 트랜지스터
451: 산화물 반도체층 455a, 455b: 개구
456a, 456b: 도전층 457: 보호 절연층
465a, 465b: 배선층 467: 산화물 절연층
468, 469: 보호 절연층 500: 기판
501: 게이트 전극층 503: 산화물 반도체층
505a: 소스 전극층 505b: 드레인 전극층
505c: 전극층 536: 하지층
540: 트랜지스터 550: TEG
565a, 565b: 배선층 567: 게이트 절연층
569: 보호 절연층 571, 572, 573: 플롯
601: 기판 602: 포토다이오드
606a, 606b, 606c: 반도체층 608: 접착층
613: 기판 631: 절연층
632: 보호 절연층 633, 634: 층간 절연층
640: 트랜지스터 641, 642: 전극층
643: 도전층 645: 게이트 전극층
656: 트랜지스터 658: 포토다이오드 리셋 신호선
659: 게이트 신호선 671: 포토 센서 출력 신호선
672: 포토 센서 기준 신호선 2700: e-북 판독기
2701, 2703: 하우징 2705, 2707: 표시부
2711: 힌지 2721: 전원 스위치
2723: 조작 키 2725: 스피커
2800, 2801: 하우징 2802: 표시 패널
2803: 스피커 2804: 마이크로폰
2805: 조작 키 2806: 포인팅 디바이스
2807: 카메라 렌즈 2808: 외부 접속 단자
2810: 태양 전지 2811: 외부 메모리 슬롯
3001: 본체 3002: 하우징
3003: 표시부 3004: 키보드
3021: 본체 3022: 스타일러스
3023: 표시부 3024: 조작 버튼
3025: 외부 인터페이스 3051: 본체
3053: 접안부 3054: 조작 스위치
3055: 표시부(B) 3056: 배터리
3057: 표시부(A) 4001: 기판
4002: 화소부 4003: 신호선 구동 회로
4004: 주사선 구동 회로 4005: 실링재
4006: 기판 4008: 액정층
4010, 4011: 트랜지스터 4013: 액정 소자
4015: 연결 단자 전극 4016: 단자 전극
4018, 4018a, 418b: FPC 4019: 이방성 도전성 막
4020: 산화물 절연층 4021, 4023: 절연층
4024: 보호 절연층 4030, 4031: 전극층
4032, 4033: 절연층 4510: 격벽
4511: 전계발광 층 4513: 발광 소자
4514: 충전재 4612: 캐비티
4613: 구형 입자 4614: 충전재
4615a: 검은색 영역 4615b: 흰색 영역
9600: 텔레비전 세트 9601: 하우징
9603: 표시부 9605: 지지대
9630: 하우징 9631: 표시부
9632: 조작 키 9633: 태양 전지
9634: 충전 및 방전 제어 회로 9635: 배터리
9636, 9637: 변환기

Claims (5)

  1. 반도체 장치에 있어서,
    게이트 전극;
    상기 게이트 전극 위의 게이트 절연층;
    상기 게이트 절연층 위의 산화물 반도체층;
    상기 산화물 반도체층 위의 제 1 도전층;
    상기 제 1 도전층 위에 있고 상기 제 1 도전층과 직접 접하는 제 2 도전층;
    상기 산화물 반도체층 위의 제 3 도전층;
    상기 제 3 도전층 위에 있고 상기 제 3 도전층과 직접 접하는 제 4 도전층;
    상기 제 2 도전층을 덮는 제 1 금속 산화물 영역;
    상기 제 4 도전층을 덮는 제 2 금속 산화물 영역;
    상기 제 1 금속 산화물 영역 및 상기 제 2 금속 산화물 영역 위에 있고 상기 산화물 반도체층과 직접 접하는 산화물 절연층으로서, 상기 산화물 절연층은 실리콘을 포함하는, 상기 산화물 절연층;
    상기 산화물 절연층 위의 보호 절연층; 및
    상기 보호 절연층 위의 화소 전극을 포함하고,
    상기 화소 전극은 상기 제 1 금속 산화물 영역, 상기 산화물 절연층, 및 상기 보호 절연층에 제공된 개구를 통해 상기 제 2 도전층과 직접 접하는, 반도체 장치.
  2. 반도체 장치에 있어서,
    게이트 전극;
    상기 게이트 전극 위의 게이트 절연층;
    상기 게이트 절연층 위의 산화물 반도체층;
    상기 산화물 반도체층 위의 제 1 도전층;
    상기 제 1 도전층 위에 있고 상기 제 1 도전층과 직접 접하는 제 2 도전층;
    상기 산화물 반도체층 위의 제 3 도전층;
    상기 제 3 도전층 위에 있고 상기 제 3 도전층과 직접 접하는 제 4 도전층;
    상기 제 2 도전층을 덮는 제 1 금속 산화물 영역;
    상기 제 4 도전층을 덮는 제 2 금속 산화물 영역;
    상기 제 1 금속 산화물 영역 및 상기 제 2 금속 산화물 영역 위에 있고 상기 산화물 반도체층과 직접 접하는 산화물 절연층으로서, 상기 산화물 절연층은 실리콘을 포함하는, 상기 산화물 절연층;
    상기 산화물 절연층 위의 보호 절연층; 및
    상기 보호 절연층 위의 화소 전극을 포함하고,
    상기 화소 전극은 상기 제 1 금속 산화물 영역이 제공되지 않은 부분에서 상기 제 2 도전층과 직접 접하는, 반도체 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 산화물 반도체층은 상기 게이트 전극과 중첩하는 오목부를 포함하는, 반도체 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 산화물 반도체층은 상기 제 1 도전층 및 상기 제 3 도전층과 중첩하는 제 1 영역 및 상기 제 1 영역보다 얇은 제 2 영역을 포함하는, 반도체 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 화소 전극 위의 액정층을 더 포함하는, 반도체 장치.
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