KR102298263B1 - Membrane gate thin film transistor and method of fabricating the same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 관점에 의한 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 제조방법은 반도체 기판을 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 식각 방지층을 형성하는 단계; 상기 식각 방지층 상에 희생층을 형성하는 단계; 상기 희생층 상에 멤브레인층을 형성하는 단계; 상기 멤브레인층에 상기 희생층을 노출하는 식각홀을 형성하는 단계; 상기 식각홀을 통해서 상기 희생층을 제거하는 단계; 상기 식각홀을 실링하는 실링층을 형성하여, 상기 멤브레인층과 상기 반도체 기판 사이에 진공 갭을 형성하는 단계; 상기 멤브레인층의 적어도 어느 일부에 패터닝을 수행하여 비아(via)를 형성하는 단계; 및 상기 비아를 통해 노출된 상기 반도체 기판의 전극, 상기 비아의 내벽 및 상기 멤브레인층 상에 전극층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.A method of manufacturing a membrane gate thin film transistor according to an aspect of the present invention comprises: forming a semiconductor substrate; forming an etch stop layer on the semiconductor substrate; forming a sacrificial layer on the etch stop layer; forming a membrane layer on the sacrificial layer; forming an etching hole exposing the sacrificial layer in the membrane layer; removing the sacrificial layer through the etch hole; forming a sealing layer for sealing the etch hole to form a vacuum gap between the membrane layer and the semiconductor substrate; forming vias by patterning at least a portion of the membrane layer; and forming an electrode layer on the electrode of the semiconductor substrate exposed through the via, the inner wall of the via, and the membrane layer.
Description
본 발명은 박막 트랜지스터에 관한 것으로서, 특히, 희생층 식각 공정을 이용한 멤브레인 구조의 전계효과 트랜지스터 타입 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a thin film transistor, and more particularly, to a field effect transistor type device having a membrane structure using a sacrificial layer etching process and a method for manufacturing the same.
전계효과 트랜지스터(또는 FET)는 트랜지스터의 하나로 소스, 드레인, 게이트의 세 극을 가지는 반도체로서, 반도체 결정의 도전성과 전기저항을 전장(또는 전계)으로 제어하는 장치를 말한다. 종래에는 전계효과 트랜지스터 타입 소자의 경우, 전극들의 전면과 후면 모든 부분에 수용체와 표적 생체 물질이 결합되는 구조를 갖는다. 이때, 결합되는 면적에 따라 검출 물질의 검출 정확도가 불안정해지는 문제가 있다.A field effect transistor (or FET) is a semiconductor having three poles, a source, a drain, and a gate. Conventionally, in the case of a field effect transistor type device, the receptor and the target biological material are coupled to all portions of the front and rear surfaces of the electrodes. In this case, there is a problem in that the detection accuracy of the detection material becomes unstable depending on the area to be bound.
또한, 소스 전극과 드레인 전극을 가지는 반도체 기판과 게이트이 물리적으로 분리되어 있지 않기 때문에, 게이트에 접촉되는 가스와 습도 등과 같은 검출 물질이 소스 전극과 드레인 전극에 영향을 미쳐 신뢰성에 한계가 있다.In addition, since the gate and the semiconductor substrate having the source electrode and the drain electrode are not physically separated, the detection material such as gas and humidity in contact with the gate affects the source electrode and the drain electrode, thereby limiting reliability.
한편, 정전용량형 멤브레인 모듈 구조는 정전용량의 변화를 직접 측정하고 멤브레인 모듈을 변경하여 민감도를 향상시켜야 하는 한계가 있다. 또, 웨이퍼 본딩을 이용한 멤브레인 게이트 구조의 전계효과 트랜지스터 타입 소자(MG-FET)는 서로 다른 기판의 강한 접합을 위해 고온에서 제작되고 있다. 하지만, 감도를 향상시키기 위해 3차원 단일 집적 구조가 적용될 경우, 이러한 제조 방법은 하부 소자의 성능 열화를 발생시킬 수 있다. 반면, 웨이퍼 본딩 공정을 저온에서 진행할 경우, 소스, 드레인의 컨택 등 접합 특성이 열화되는 문제가 발생한다.On the other hand, the capacitive membrane module structure has a limitation in that it is necessary to directly measure the change in capacitance and to improve the sensitivity by changing the membrane module. In addition, a field effect transistor type device (MG-FET) having a membrane gate structure using wafer bonding is manufactured at a high temperature for strong bonding of different substrates. However, when a three-dimensional single integrated structure is applied to improve sensitivity, this manufacturing method may cause performance degradation of the underlying device. On the other hand, when the wafer bonding process is performed at a low temperature, there is a problem in that bonding characteristics such as source and drain contact are deteriorated.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 검출 정확도 및 신뢰도가 우수한 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.An object of the present invention is to solve various problems including the above problems, and an object of the present invention is to provide a membrane gate thin film transistor having excellent detection accuracy and reliability, and a method for manufacturing the same. However, these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereto.
본 발명의 일 관점에 의한 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 제조방법을 제공한다.A method of manufacturing a membrane gate thin film transistor according to an aspect of the present invention is provided.
상기 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 제조방법은 반도체 기판을 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 식각 방지층을 형성하는 단계; 상기 식각 방지층 상에 희생층을 형성하는 단계; 상기 희생층 상에 멤브레인층을 형성하는 단계; 상기 멤브레인층에 상기 희생층을 노출하는 식각홀을 형성하는 단계; 상기 식각홀을 통해서 상기 희생층을 제거하는 단계; 상기 식각홀을 실링하는 실링층을 형성하여, 상기 멤브레인층과 상기 반도체 기판 사이에 진공 갭을 형성하는 단계; 상기 멤브레인층의 적어도 어느 일부에 패터닝을 수행하여 비아(via)를 형성하는 단계; 및 상기 비아를 통해 노출된 상기 반도체 기판의 전극, 상기 비아의 내벽 및 상기 멤브레인층 상에 전극층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.The method of manufacturing the membrane gate thin film transistor includes: forming a semiconductor substrate; forming an etch stop layer on the semiconductor substrate; forming a sacrificial layer on the etch stop layer; forming a membrane layer on the sacrificial layer; forming an etching hole exposing the sacrificial layer in the membrane layer; removing the sacrificial layer through the etch hole; forming a sealing layer for sealing the etch hole to form a vacuum gap between the membrane layer and the semiconductor substrate; forming vias by patterning at least a portion of the membrane layer; and forming an electrode layer on the electrode of the semiconductor substrate exposed through the via, the inner wall of the via, and the membrane layer.
상기 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 제조방법에 있어서, 상기 희생층을 형성하는 단계는, 상기 식각 방지층 상에 식각 채널을 구비하는 채널층을 형성하는 단계; 및 상기 채널층 상에 상기 희생층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.In the method of manufacturing the membrane gate thin film transistor, the forming of the sacrificial layer includes: forming a channel layer having an etch channel on the etch stop layer; and forming the sacrificial layer on the channel layer.
상기 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 제조방법에 있어서, 상기 식각 채널에 의해서 상기 희생층의 적어도 어느 일부분에 오목부가 형성되어, 상기 멤브레인층의 일부가 상기 오목부 내로 하방 돌출되도록 형성될 수 있다.In the method of manufacturing the membrane gate thin film transistor, a concave portion may be formed in at least a portion of the sacrificial layer by the etch channel so that a portion of the membrane layer protrudes downwardly into the concave portion.
상기 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 제조방법에 있어서, 상기 실링층은 상기 식각홀을 통해서 상기 식각 채널 내로 하방 돌출된 상기 멤브레인층 부분까지 형성될 수 있다.In the method of manufacturing the membrane gate thin film transistor, the sealing layer may be formed up to a portion of the membrane layer protruding downwardly into the etch channel through the etch hole.
상기 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 제조방법에 있어서, 제 2 항에 있어서, 상기 전극층은 상기 식각 채널 방향으로 일부 하방 돌출되도록 상기 멤브레인층 상에 형성될 수 있다.The method of claim 2 , wherein the electrode layer may be formed on the membrane layer to partially protrude downward in the etch channel direction.
상기 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 제조방법에 있어서, 상기 진공 갭은 상기 실링층, 상기 멤브레인층, 및 상기 식각 방지층에 의해서 둘러싸일 수 있다.In the method of manufacturing the membrane gate thin film transistor, the vacuum gap may be surrounded by the sealing layer, the membrane layer, and the etch stop layer.
상기 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 제조방법에 있어서, 상기 식각 방지층, 상기 실링층 및 상기 멤브레인층은 동일 물질로 형성할 수 있다.In the method of manufacturing the membrane gate thin film transistor, the etch stop layer, the sealing layer, and the membrane layer may be formed of the same material.
상기 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 제조방법에 있어서, 상기 식각 방지층, 상기 실링층 및 상기 멤브레인층은 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.In the method of manufacturing the membrane gate thin film transistor, the etch stop layer, the sealing layer, and the membrane layer may include silicon nitride.
상기 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 제조방법에 있어서, 상기 반도체 기판을 형성하는 단계는, 실리콘 기판 상에 실리콘 산화물층을 형성하는 단계; 상기 실리콘 산화물층 상에 반도체 채널을 형성하는 단계; 및 상기 반도체 채널 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.In the method of manufacturing the membrane gate thin film transistor, the forming of the semiconductor substrate includes: forming a silicon oxide layer on the silicon substrate; forming a semiconductor channel on the silicon oxide layer; and forming a source electrode and a drain electrode on the semiconductor channel.
상기 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 제조방법에 있어서, 상기 반도체 채널은 IGZO(Indium gallium zinc oxide)를 포함할 수 있다.In the method of manufacturing the membrane gate thin film transistor, the semiconductor channel may include indium gallium zinc oxide (IGZO).
본 발명의 다른 관점에 의한 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터를 제공한다.Another aspect of the present invention provides a membrane gate thin film transistor.
상기 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성된 식각 방지층; 상기 식각 방지층 상에 형성된 멤브레인층; 및 상기 멤브레인층 상에 형성된 전극층;을 포함하고, 상기 멤브레인층은 캐비티를 포함하는 진공 갭에 의해서 상기 반도체 기판 상으로 이격되며, 상기 진공 갭은 상기 식각 방지층, 상기 멤브레인층 및 상기 멤브레인층 상에 형성된 상기 실링층에 의해 밀폐될 수 있다.The membrane gate thin film transistor may include a semiconductor substrate; an etch stop layer formed on the semiconductor substrate; a membrane layer formed on the etch stop layer; and an electrode layer formed on the membrane layer, wherein the membrane layer is spaced apart from the semiconductor substrate by a vacuum gap including a cavity, and the vacuum gap is formed on the etch stop layer, the membrane layer, and the membrane layer It may be sealed by the formed sealing layer.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예들에 따른 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터는 감도가 더욱 향상되어 낮은 농도의 물질도 검출이 용이하고, 저비용으로 검출 정확도 및 신뢰도가 높다. 나아가, 본 발명의 실시예들에 따른 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 제조방법에 따르면 반도체 기판을 이용하여 진공 갭을 경제적으로 제조함으로써, 고수율의 제작이 가능하며, 메모리 분야에도 적용이 가능할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The membrane gate thin film transistor according to the embodiments of the present invention made as described above has improved sensitivity, so that it is easy to detect a substance at a low concentration, and the detection accuracy and reliability are high at a low cost. Furthermore, according to the manufacturing method of the membrane gate thin film transistor according to the embodiments of the present invention, by economically manufacturing the vacuum gap using a semiconductor substrate, it is possible to manufacture with a high yield and can be applied to the memory field. Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터 및 그 제조방법 보여주는 개략적인 단면도들이다.
도 2는 본 발명의 실험예에 따른 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 희생층 식각 공정 조건에 의한 희생층 식각 과정을 보여주는 광학현미경(OM) 이미지이다.
도 3은 본 발명의 실험예에 따른 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 단면 미세조직을 전자현미경(SEM)으로 분석한 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 멤브레인층의 직경에 의한 미세구조를 집속이온빔 전자현미경(FIB SEM)으로 분석한 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 작동 원리를 설명하기 위한 모식도이다.1 is a schematic cross-sectional view showing a membrane gate thin film transistor and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention.
2 is an optical microscope (OM) image showing a sacrificial layer etching process according to the sacrificial layer etching process condition of the membrane gate thin film transistor according to an experimental example of the present invention.
3 is an image of a cross-sectional microstructure of a membrane gate thin film transistor according to an experimental example of the present invention analyzed with an electron microscope (SEM).
4 is an image of the microstructure according to the diameter of the membrane layer of the membrane gate thin film transistor according to the experimental example of the present invention analyzed by a focused ion beam electron microscope (FIB SEM).
5 is a schematic diagram for explaining an operating principle of a membrane gate thin film transistor according to an experimental example of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, several preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.Examples of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those of ordinary skill in the art, and the following examples may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is as follows It is not limited to an Example. Rather, these embodiments are provided so as to more fully and complete the present disclosure, and to fully convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. In addition, in the drawings, the thickness or size of each layer is exaggerated for convenience and clarity of description.
본 발명은 멤브레인의 휘어짐으로 인한 정전용량의 변화량을 소스와 드레인을 가지는 전계효과 트랜지스터를 제공한다. 이하에서, 도면을 참조하여 이에 대해 상세하게 설명한다.The present invention provides a field effect transistor having a source and a drain for the amount of change in capacitance due to the bending of the membrane. Hereinafter, this will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터 및 그 제조방법 보여주는 개략적인 단면도들이다.1 is a schematic cross-sectional view showing a membrane gate thin film transistor and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention.
도 1의 (a) 및 (b)를 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 식각 방지층(110)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 반도체 기판(100)은 실리콘 기판(10) 상에 실리콘 산화물층(20)을 형성한다. 예컨대, 실리콘 산화물은 SiO2을 포함할 수 있다. 이후에 실리콘 산화물층(20) 상에 반도체 채널(30)을 형성한다. 여기서, 반도체 채널(30)은 IGZO(Indium gallium zinc oxide)를 포함할 수 있다. 반도체 채널(30)을 증착한 이후에 반도체 채널(30)의 가장자리 일부분을 제거하여 실리콘 산화물층(20)을 노출시킨다. 노출된 실리콘 산화물층(20)의 일부 및 반도체 채널(30)의 양 가장자리 영역 상에 소스 전극(42) 및 드레인 전극(44)을 각각 형성한다. 소스전극(42) 및 드레인 전극(44)을 포함하는 전 영역과 반도체 채널(30)의 전면 상에 보호층(50)을 형성한다. 보호층(50)은 실리콘 산화물층(20)과 동일한 재료를 사용할 수 있으나, 경우에 따라 실리콘 산화물 이외의 산화물 또는 질화물을 사용할 수 있다.Referring to FIGS. 1A and 1B , the
이후에 보호층(50)이 형성된 반도체 기판(100) 상에 식각 방지층(110)을 전체적으로 형성할 수 있다. 식각 방지층(110)은 실리콘 질화물(silicon nitride), 예컨대 Si3N4을 포함할 수 있으며, 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD)법으로 균일하게 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 CVD법으로는 저진공 CVD(LP CVD) 또는 플라즈마 강화 CVD(PE CVD)법을 이용할 수 있다.Thereafter, the
도 1의 (c) 및 (d)를 참조하면, 식각 방지층(110) 상에 식각 채널(127)을 구비하는 채널층(120)을 형성하고, 채널층(120)을 소정 크기로 패터닝하여 식각 채널(127)을 형성할 수 있다. 식각 채널(127)은 식각 방지층(110)의 가장자리부분에서 소정 거리만큼 안쪽에 위치하여, 이후 형성되는 층이 하방으로 돌출되어 형성되도록 해줄 수 있다. 예를 들어, 채널층(120)은 비정질 실리콘을 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 1C and 1D , a
이러한 식각 채널(127)은 포토리소그래피 및 식각 공정을 이용하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 식각은 이방성 식각 특성을 갖는 플라즈마 건식 식각, 예컨대 반응성 이온 에칭(RIE)법을 이용할 수 있다.The
이후에, 채널층(120) 상에 희생층(125)을 형성할 수 있다. 희생층(125)은 식각 채널(127)을 덮도록 형성되며, 예를 들어, 희생층(125)은 비정질 실리콘을 포함할 수 있다. 희생층(125)은 식각 채널(127)을 덮도록 형성하되, 식각 채널(127)의 모양을 따라서 식각 채널(127) 내로 하방 돌출되도록 형성될 수 있다.Thereafter, a
구체적으로 보면, 화학기상증착(CVD)법으로 비정질 실리콘층을 채널층(120) 및 식각 채널(127)을 덮도록 두껍게 증착한 후, 식각 방지층(110)의 가장자리부분에서 소정 거리만큼 안쪽까지 패터닝할 수 있다. 비정질 실리콘층의 두께는 채널층(120)의 두께 및 희생층(125)의 두께를 합한 것을 의미한다.Specifically, an amorphous silicon layer is thickly deposited to cover the
도 1의 (e)를 참조하면, 희생층(125) 상에 멤브레인층(130)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 화학기상증착(CVD)법으로 희생층(125) 및 식각 방지층(110) 상에 전면적으로 멤브레인층(130)을 증착할 수 있다. 멤브레인층(130)은 실리콘 질화물(silicon nitride), 예컨대 Si3N4을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1E , the
멤브레인층(130)은 희생층(125) 상에 컨포멀(conformal)하게 형성되며, 따라서 희생층(125)의 식각 채널(127)의 모양을 따라서 이 부분이 식각 채널(127) 내로 하방 돌출되도록 형성될 수 있다.The
이후에 멤브레인층(130)에 희생층(125)을 노출하는 식각홀(135)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 식각홀(135)은 포토리소그래피 및 식각 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 식각홀(135)은 이후 실링 단계를 고려하여 희생층(125)의 가장자리 부분을 노출하도록 형성될 수 있다.Thereafter, an
도 1의 (f)를 참조하면, 식각홀(135)을 통해서 희생층(125)을 제거하여 빈 공간(129)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 희생층(125)의 제거는 등방성 식각을 이용할 수 있고, 예컨대 습식 식각법을 이용하여 식각액이 식각홀(135)로부터 희생층(125)의 측면부터 서서히 제거하도록 수행할 수 있다. 예를 들어, 희생층(125)이 비정질 실리콘인 경우 식각액은 KOH 용액을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1F , an
도 1의 (g)를 참조하면, 식각홀(135)을 밀봉하는 실링층(140)을 형성하여, 멤브레인층(130)과 반도체 기판(100) 사이에 진공 갭(145)을 형성할 수 있다. 실링층(140)을 형성하는 단계는 실질적으로 진공 공정을 이용하므로, 진공 갭(145) 내부는 소정 압력의 진공 상태가 될 수 있다.Referring to FIG. 1G , a
예를 들어, 실링층(140)은 실리콘 질화물(silicon nitride), 예컨대 Si3N4을 포함할 수 있으며, 모서리 도포성(step coverage)이 우수한 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD)법으로 균일하게 형성될 수 있다. 실링층(140)은 식각홀(135)의 바닥으로부터 성정하여 실링층(140)을 막을 때까지 형성될 수 있다. For example, the sealing layer 140 may include silicon nitride, such as Si 3 N 4 , and is uniformly formed by a chemical vapor deposition (CVD) method having excellent step coverage. can be formed. The sealing layer 140 may be formed from the bottom of the
이 경우, 멤브레인층(130)의 하방 돌출 부분이 실링층(140)이 진공 갭(145) 내에서 성장을 정지하는 가이드 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 실링층(140)은 식각홀(135)을 통해서 식각 채널(127) 내로 하방 돌출된 멤브레인층(130) 부분까지 형성될 수 있다. In this case, the downwardly protruding portion of the
나아가, 진공 갭(145)은 실링층(140), 멤브레인층(130) 및 식각 방지층(110)에 의해서 둘러싸여져 밀폐될 수 있다. 이러한 진공 갭(145), 보다 구체적으로는 멤브레인층(130)의 일부분이 캐비티를 포함하는 진공 갭(145)에 의해서 반도체 기판(100) 상으로 이격 배치될 수 있다.Furthermore, the
다른 예로서, 식각홀(135)을 밀봉하는 방법으로 PECVD(Plasma Enhanced CVD) 기법을 이용할 경우, 식각 채널(127)을 형성하지 않고, 식각 방지층(110) 상에 희생층(125)을 직접 형성함으로써, 진공 갭(145)을 구현할 수 있다. 상기 PECVD 기법을 이용하여 식각홀(135)을 밀봉할 경우, 측면 방향으로의 컨포멀(conformal)한 증착이 용이하기 때문에, 식각 방지층(110) 상에 식각 채널(127)을 형성하는 단계를 생략할 수 있다. 이에 따라, 공정 스텝(step) 수의 감소에 따른 공정 최적화에 용이할 수 있다.As another example, when a plasma enhanced CVD (PECVD) technique is used as a method of sealing the
도 1의 (h) 및 (i)를 참조하면, 식각홀(135)을 밀봉한 이후에 멤브레인층(130)의 적어도 어느 일부에 패터닝을 수행하여 비아(via, 137)를 형성한다. 비아(137)를 통해 노출된 반도체 기판(100)의 소스 전극(42)과 드레인 전극(44), 비아(137)의 내벽 및 멤브레인층(130) 상에 전극층(150)을 형성한다.Referring to (h) and (i) of FIG. 1 , after sealing the
전극층(150)은 도전성 금속 물질로 형성할 수 있다. 전극층(150)은 멤브레인층(130)의 구조를 따라서 형성되므로, 식각 채널(127) 방향으로 일부 하방 돌출되도록 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 식각 방지층(110), 실링층(140) 및 멤브레인층(130)의 일부 또는 전부는 동일 물질, 예컨대 실리콘 질화물로 형성될 수 있다.The
전술한 실시예에 따르면, 반도체 기판(100) 상에 희생층(125)을 형성하여 멤브레인 구조를 용이하게 제조할 수 있고, 나아가 고가의 실리콘-온-절연체(silicon on insulator, SOI) 기판을 이용하지 않고서도 저비용으로 진공 갭(145)을 갖는 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터(1000)를 제조할 수 있다.According to the above-described embodiment, a membrane structure can be easily manufactured by forming the
본 발명에 의한 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터(1000)는 전류량 변화를 검출하는 종래의 전계효과 트랜지스터 타입 소자와 달리, 게이트에 접촉되는 검출 물질이 소스 전극(42)과 드레인 전극(44)을 가지는 반도체 기판(100)과 물리적으로 분리되는 구조를 형성하여 검출 정확도 및 신뢰도를 높일 수 있다.The membrane gate
또한, 본 발명은 SOI(Silicon On Insulator) 기판을 사용하지 않아도 멤브레인 구조의 전계효과 트랜지스터 타입 소자(MG-FET)를 제작함으로써 저비용으로 제작이 가능하다. 또, 희생층 식각 공정 등 기존의 CMOS 반도체 공정을 이용한 제작으로 고수율의 제작을 가능하다. In addition, the present invention can be manufactured at low cost by manufacturing a field effect transistor type device (MG-FET) having a membrane structure without using a silicon on insulator (SOI) substrate. In addition, it is possible to manufacture with a high yield by using a conventional CMOS semiconductor process such as a sacrificial layer etching process.
또한, 저온에서 본딩하여 멤브레인 구조의 전계효과 트랜지스터 타입 소자 (MG-FET)를 제작할 경우 발생하는 소스 드레인의 컨택 문제를 해결할 수 있으며, 표적 검출 물질을 감지할 수 있는 층을 게이트 전면 상에 부착하여 질량 변화나 멤브레인의 스트레스 변화를 감지하여 가스 센서나 바이오 센서 등으로 응용이 가능한 장점이 있다. In addition, it is possible to solve the source-drain contact problem that occurs when manufacturing a membrane-structured field-effect transistor type device (MG-FET) by bonding at low temperature, and attaching a layer that can detect a target detection material on the front side of the gate It has the advantage that it can be applied as a gas sensor or a biosensor by detecting a change in mass or a change in membrane stress.
한편, 진공 갭의 압력을 공정상에서 변화를 주어 절대적인 압력을 측정하는 압력센서 및 정전용량형 미세 초음파 트랜스듀서 (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer, CMUT)과 유사한 구조로 전계효과 트랜지스터를 통한 증폭을 통해 감도를 향상시킨 초음파 센서로도 적용이 가능하다. 멤브레인 게이트를 플래시 메모리의 플로팅 게이트로 사용하여 동적인 쓰기/읽기 기능을 향상시킬 수 있는 메모리 분야에도 적용이 가능하다.On the other hand, the structure similar to the pressure sensor and capacitive micromachined ultrasonic transducer (CMUT) that measures the absolute pressure by changing the pressure of the vacuum gap during the process improves the sensitivity through amplification through the field effect transistor. It can also be applied as an ultrasonic sensor. It can also be applied to the memory field where the dynamic write/read function can be improved by using the membrane gate as a floating gate of the flash memory.
특히, 희생층 식각 공정 등 저온에서의 제작이 가능한 본 발명은 저온에서의 제작이 요구되는 3차원 단일 집적 구조의 적용이 가능하기 때문에 민감도를 획기적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.In particular, the present invention, which can be fabricated at a low temperature, such as a sacrificial layer etching process, is expected to dramatically improve sensitivity because it enables the application of a three-dimensional single integrated structure that requires fabrication at a low temperature.
이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 실시예들을 설명한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실시예들만으로 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, embodiments for helping understanding of the present invention will be described. However, the following experimental examples are only for helping understanding of the present invention, and the present invention is not limited only to the following examples.
본 발명의 실험예로서, p type Si 웨이퍼 상에 100㎚ 두께의 SiO2를 열(thermal) 증착 방법을 이용하여 형성하였다. 이후에, 30㎚ 두께의 IGZO 층을 스퍼터링 방법을 이용하여 SiO2 상에 형성하였고, 이를 퍼니스(furnace)에서 400의 온도에서 1시간동안 열처리를 수행하였다. 이후에 MA6 장비(상용장비)를 이용하여 IGZO 층을 패터닝하였다. 이 때, 습식식각으로 IGZO 층을 식각하였는데, 습식 조건은 물과 염산의 비율을 H2O:HCl=200:10로 제어한 후 90초 동안 진행하였다. As an experimental example of the present invention, SiO 2 having a thickness of 100 nm was formed on a p-type Si wafer by using a thermal deposition method. Then, a 30 nm thick IGZO layer was formed on SiO 2 using a sputtering method, which was Heat treatment was performed at a temperature of Thereafter, the IGZO layer was patterned using MA6 equipment (commercial equipment). At this time, the IGZO layer was etched by wet etching, and the wet condition was carried out for 90 seconds after controlling the ratio of water and hydrochloric acid to H 2 O:HCl=200:10.
패터닝 된 IGZO 층 상에 30㎚ 두께의 Mo를 스퍼터링 방법으로 증착하고, MA6 장비를 이용하여 이를 패터닝함으로써, 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하였다. 이후에 100㎚ 두께의 SiO2를 플라즈마화학기상증착(PECVD) 방법을 이용하여 버퍼층을 형성하였다.A source electrode and a drain electrode were formed by depositing 30 nm thick Mo on the patterned IGZO layer by a sputtering method, and patterning it using MA6 equipment. Thereafter, a buffer layer of 100 nm thick SiO 2 was formed using a plasma chemical vapor deposition (PECVD) method.
이후에, SiO2 버퍼층 상에 식각방지층으로서 100㎚ 두께의 Si3N4를 플라즈마화학기상증착(PECVD) 방법을 이용하여 250에서 증착하였다. 식각방지층 상에 125㎚ 두께의 a-Si를 스퍼터링 방법으로 증착하고, 이를 MA6 장비로 패터닝하여 식각 채널을 형성하였다. 이후에 125㎚ 두께의 a-Si를 동일한 방법으로 희생층을 증착하였다. 두 번의 a-Si 증착 과정을 통해 희생층의 두께가 결정될 수 있다.After that, Si 3 N 4 having a thickness of 100 nm as an etch stop layer on the SiO 2 buffer layer was deposited using a plasma chemical vapor deposition (PECVD) method. was deposited in A-Si with a thickness of 125 nm was deposited on the etch stop layer by sputtering, and the etch channel was formed by patterning it with MA6 equipment. Thereafter, a sacrificial layer was deposited on a-Si with a thickness of 125 nm in the same manner. The thickness of the sacrificial layer may be determined through two a-Si deposition processes.
희생층 상에 멤브레인층으로서 300㎚ 두께의 Si3N4를 플라즈마화학기상증착(PECVD) 방법을 이용하여 증착하고, 식각홀을 형성하였다. 식각홀을 이용하여 희생층을 제거하였다. As a membrane layer on the sacrificial layer, Si 3 N 4 having a thickness of 300 nm was deposited using a plasma chemical vapor deposition (PECVD) method to form an etch hole. The sacrificial layer was removed using an etching hole.
상기 희생층을 제거하는 방법은 증류수(DI water)로 린스(rinse)처리하고, 증류수와 불산(HF)을 50:1로 제조한 후 30초간 디핑하고, 다시 증류수로 린스처리하였다. 이후에 45%의 KOH 식각액을 이용하여 희생층을 제거하고, 증류수 및 이소프로필 알코올(IPA; Isopropyl Alcohol)을 이용하여 린스처리하였다.The method of removing the sacrificial layer was rinsed with distilled water (DI water), distilled water and hydrofluoric acid (HF) were prepared at a ratio of 50:1, dipping was performed for 30 seconds, and then rinsed with distilled water again. Thereafter, the sacrificial layer was removed using a 45% KOH etchant, and rinsed with distilled water and isopropyl alcohol (IPA).
이후에 400㎚ 두께의 Si3N4를 선택적으로 증착하여 식각홀을 밀봉하여 진공 갭을 구현하고, 멤브레인층의 양단 부근에 비아(via)를 형성하였다. 이후에 멤브레인층의 상부면 전체, 비아 내벽 및 비아에 의해 외부로 노출된 소스 전극 및 드레인 전극 상에 100 ㎚ 두께의 Mo를 증착하여 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터 샘플을 제조하였다. Thereafter, Si 3 N 4 having a thickness of 400 nm was selectively deposited to seal the etch hole to implement a vacuum gap, and vias were formed near both ends of the membrane layer. Thereafter, a membrane gate thin film transistor sample was prepared by depositing Mo with a thickness of 100 nm on the entire upper surface of the membrane layer, the inner wall of the via, and the source and drain electrodes exposed to the outside by the via.
도 2는 본 발명의 실험예에 따른 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 희생층 식각 공정 조건에 의한 희생층 식각 과정을 보여주는 광학현미경(OM) 이미지이다.2 is an optical microscope (OM) image showing a sacrificial layer etching process according to the sacrificial layer etching process condition of the membrane gate thin film transistor according to an experimental example of the present invention.
도 2를 참조하면, 희생층 식각 공정시 30시간에서 36시간으로 에칭속도가 증가할 경우, 측면 방향으로 식각된 영역(노란색 부채꼴 형상의 면적 증가)이 증가한 것으로 확인된다. 즉, 식각 공정 시간 제어를 통해서, 측면 방향으로의 식각을 수행할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 식각액의 온도 조절을 통해 식각 속도를 조절하여 식각 공정 시간을 제어할 수 있었다.Referring to FIG. 2 , when the etching rate is increased from 30 hours to 36 hours during the sacrificial layer etching process, it is confirmed that the area etched in the lateral direction (increase in the area of the yellow sector shape) increases. That is, it was confirmed that etching in the lateral direction could be performed by controlling the etching process time. In addition, it was possible to control the etching process time by controlling the etching rate by controlling the temperature of the etching solution.
도 3은 본 발명의 실험예에 따른 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 단면 미세조직을 전자현미경(SEM)으로 분석한 이미지이고, 도 4는 본 발명의 실험예에 따른 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 멤브레인층의 직경에 의한 미세구조를 집속이온빔 전자현미경(FIB SEM)으로 분석한 이미지이다.3 is an image obtained by analyzing the cross-sectional microstructure of a membrane gate thin film transistor according to an experimental example of the present invention with an electron microscope (SEM), and FIG. It is an image analyzed by a focused ion beam electron microscope (FIB SEM).
도 3 및 도 4를 참조하면, 희생층 식각 공정을 통해, 250㎚ 두께의 a-Si 층이 선택적으로 제거되고, 진공 갭이 안정적으로 형성된 것을 확인할 수 있었다. 멤브레인의 직경(상면에서 바라봤을 때 멤브레인의 지름(도 3의 (a) 참조))이 20㎛ 이상부터 80㎛ 미만까지는 멤브레인층의 붕괴(collapse) 현상이 발생하지 않고, 균일하게 형성된 것을 확인할 수 있었다(도 3의 (c) 및 4의 (a) 참조). 3 and 4 , it was confirmed that the a-Si layer having a thickness of 250 nm was selectively removed through the sacrificial layer etching process, and a vacuum gap was stably formed. When the diameter of the membrane (the diameter of the membrane when viewed from the top (see Fig. 3 (a))) is 20 μm or more to less than 80 μm, it can be confirmed that the collapse of the membrane layer does not occur and is uniformly formed. (see FIGS. 3(c) and 4(a)).
특히, 도 4의 (b)에 의하면, 멤브레인의 직경이 20㎛일 경우, 멤브레인층의 중심부에서 대기압(외부 자극)에 의해 50㎚ 정도 휘어지는 현상(deflection)이 발생되었다.In particular, according to (b) of FIG. 4 , when the diameter of the membrane was 20 μm, deflection of about 50 nm occurred at the center of the membrane layer by atmospheric pressure (external stimulus).
반면, 도 4의 (c)에 의하면, 멤브레인의 직경이 80㎛ 이상일 경우, 멤브레인층의 중심부가 희생층의 두께(250㎚) 이상으로 휘어져 식각방지층에 붙어버리는 현상(collapse)이 발생되었다(도 4의 (c) 참조). 즉, 희생층을 이용하여 멤브레인층을 반도체 기판 상으로 이격시킬 때, 진공 갭을 안정적으로 형성하는 데 멤브레인의 크기(직경 및 두께)가 영향을 주는 것으로 판단된다. On the other hand, according to (c) of FIG. 4, when the diameter of the membrane is 80 μm or more, the central portion of the membrane layer is bent beyond the thickness (250 nm) of the sacrificial layer and a phenomenon (collapse) occurred (Fig. See (c) of 4). That is, when the membrane layer is spaced apart from the semiconductor substrate using the sacrificial layer, it is determined that the size (diameter and thickness) of the membrane affects stably forming a vacuum gap.
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 작동 원리를 설명하기 위한 모식도이다.5 is a schematic diagram for explaining an operating principle of a membrane gate thin film transistor according to an experimental example of the present invention.
도 5를 참조하면, 게이트 역할을 하는 멤브레인의 전면 상에 바이오 리셉터(bio receptor)를 형성하여 표적 생체 물질이 특이 결합할 때, 멤브레인의 휘는 정도에 따른 정전용량의 차이로 채널의 전류량 변화(전기적 신호로 변환 및 증폭하여 전류량 변화를 검출)를 검출할 수 있다.Referring to FIG. 5 , when a bioreceptor is formed on the front surface of the membrane serving as a gate and a target biomaterial specifically binds, a change in the amount of current of the channel due to a difference in capacitance according to the degree of bending of the membrane (electrical It is converted into a signal and amplified to detect a change in the amount of current).
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, which are merely exemplary, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.
10: 실리콘 기판
20: 실리콘 산화물층
30: 반도체 채널
42: 소스 전극
44: 드레인 전극
50: 보호층
100: 반도체 기판
110: 식각 방지층
120: 채널층
125: 희생층
127: 식각 채널
129: 빈 공간
130: 멤브레인층
135: 식각홀
137: 비아
140: 실링층
145: 진공 갭
150: 전극층
1000: 멤브레인 게이트 박막 트랜지스터10: silicon substrate
20: silicon oxide layer
30: semiconductor channel
42: source electrode
44: drain electrode
50: protective layer
100: semiconductor substrate
110: etch stop layer
120: channel layer
125: sacrificial layer
127: etch channel
129: empty space
130: membrane layer
135: etching hole
137: via
140: sealing layer
145: vacuum gap
150: electrode layer
1000: membrane gate thin film transistor
Claims (11)
상기 반도체 기판 상에 식각 방지층을 형성하는 단계;
상기 식각 방지층 상에 희생층을 형성하는 단계;
상기 희생층 상에 멤브레인층을 형성하는 단계;
상기 멤브레인층에 상기 희생층을 노출하는 식각홀을 형성하는 단계;
상기 식각홀을 통해서 상기 희생층을 제거하는 단계;
상기 식각홀을 실링하는 실링층을 형성하여, 상기 멤브레인층과 상기 반도체 기판 사이에 진공 갭을 형성하는 단계;
상기 멤브레인층의 적어도 어느 일부에 패터닝을 수행하여 비아(via)를 형성하는 단계; 및
상기 비아를 통해 노출된 상기 반도체 기판의 전극, 상기 비아의 내벽 및 상기 멤브레인층 상에 전극층을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 진공 갭은 상기 실링층, 상기 멤브레인층, 및 상기 식각 방지층에 의해서 둘러싸인,
멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 제조방법.forming a semiconductor substrate;
forming an etch stop layer on the semiconductor substrate;
forming a sacrificial layer on the etch stop layer;
forming a membrane layer on the sacrificial layer;
forming an etching hole exposing the sacrificial layer in the membrane layer;
removing the sacrificial layer through the etch hole;
forming a sealing layer for sealing the etch hole to form a vacuum gap between the membrane layer and the semiconductor substrate;
forming vias by patterning at least a portion of the membrane layer; and
Forming an electrode layer on the electrode of the semiconductor substrate exposed through the via, the inner wall of the via, and the membrane layer;
The vacuum gap is surrounded by the sealing layer, the membrane layer, and the etch stop layer,
A method for manufacturing a membrane gate thin film transistor.
상기 희생층을 형성하는 단계는,
상기 식각 방지층 상에 식각 채널을 구비하는 채널층을 형성하는 단계; 및
상기 채널층 상에 상기 희생층을 형성하는 단계;를 포함하는,
멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 제조방법.The method of claim 1,
The step of forming the sacrificial layer,
forming a channel layer having an etch channel on the etch stop layer; and
Including; forming the sacrificial layer on the channel layer;
A method for manufacturing a membrane gate thin film transistor.
상기 식각 채널에 의해서 상기 희생층의 적어도 어느 일부분에 오목부가 형성되어, 상기 멤브레인층의 일부가 상기 오목부 내로 하방 돌출되도록 형성되는,
멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 제조방법.3. The method of claim 2,
A concave portion is formed in at least a portion of the sacrificial layer by the etching channel so that a portion of the membrane layer protrudes downwardly into the concave portion,
A method for manufacturing a membrane gate thin film transistor.
상기 실링층은 상기 식각홀을 통해서 상기 식각 채널 내로 하방 돌출된 상기 멤브레인층 부분까지 형성된,
멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 제조방법.3. The method of claim 2,
The sealing layer is formed up to a portion of the membrane layer protruding downwardly into the etch channel through the etch hole,
A method for manufacturing a membrane gate thin film transistor.
상기 전극층은 상기 식각 채널 방향으로 일부 하방 돌출되도록 상기 멤브레인층 상에 형성된,
멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 제조방법.3. The method of claim 2,
The electrode layer is formed on the membrane layer to partially protrude downward in the etch channel direction,
A method for manufacturing a membrane gate thin film transistor.
상기 식각 방지층, 상기 실링층 및 상기 멤브레인층은 동일 물질로 형성하는,
멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 제조방법.The method of claim 1,
The etch stop layer, the sealing layer and the membrane layer are formed of the same material,
A method for manufacturing a membrane gate thin film transistor.
상기 식각 방지층, 상기 실링층 및 상기 멤브레인층은 실리콘 질화물을 포함하는,
멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 제조방법.The method of claim 1,
The etch stop layer, the sealing layer and the membrane layer comprising silicon nitride,
A method for manufacturing a membrane gate thin film transistor.
상기 반도체 기판을 형성하는 단계는,
실리콘 기판 상에 실리콘 산화물층을 형성하는 단계;
상기 실리콘 산화물층 상에 반도체 채널을 형성하는 단계; 및
상기 반도체 채널 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계;를 포함하는,
멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 제조방법.The method of claim 1,
Forming the semiconductor substrate comprises:
forming a silicon oxide layer on a silicon substrate;
forming a semiconductor channel on the silicon oxide layer; and
Including; forming a source electrode and a drain electrode on the semiconductor channel;
A method for manufacturing a membrane gate thin film transistor.
상기 반도체 채널은 IGZO(Indium gallium zinc oxide)를 포함하는,
멤브레인 게이트 박막 트랜지스터의 제조방법.10. The method of claim 9,
The semiconductor channel includes indium gallium zinc oxide (IGZO),
A method for manufacturing a membrane gate thin film transistor.
상기 반도체 기판 상에 형성된 식각 방지층;
상기 식각 방지층 상에 형성된 멤브레인층; 및
상기 멤브레인층 상에 형성된 전극층;을 포함하고,
상기 멤브레인층은 캐비티를 포함하는 진공 갭에 의해서 상기 반도체 기판 상으로 이격되며,
상기 진공 갭은 상기 식각 방지층, 상기 멤브레인층 및 상기 멤브레인층 상에 형성된 실링층에 의해 밀폐된,
멤브레인 게이트 박막 트랜지스터.semiconductor substrate;
an etch stop layer formed on the semiconductor substrate;
a membrane layer formed on the etch stop layer; and
and an electrode layer formed on the membrane layer;
The membrane layer is spaced apart on the semiconductor substrate by a vacuum gap including a cavity,
The vacuum gap is closed by the etch stop layer, the membrane layer, and a sealing layer formed on the membrane layer,
Membrane gate thin film transistor.
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---|---|---|---|---|
WO2016076954A1 (en) * | 2014-11-12 | 2016-05-19 | Qualcomm Incorporated | Hydrogenated p-channel metal oxide semiconductor thin film transistors |
CN104701383B (en) * | 2015-03-24 | 2018-09-11 | 京东方科技集团股份有限公司 | Thin film transistor (TFT) and array substrate and preparation method thereof, display device |
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- 2019-12-04 KR KR1020190159962A patent/KR102298263B1/en active IP Right Grant
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