KR20080053362A - 반도체 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명에서, 기판의 면 방향으로 열 수축율 또는 열팽창 계수의 이방성을 갖는 플라스틱 필름 기판(1) 상에 박막 트랜지스터를 형성한다. 기판의 열 수축율 또는 열팽창 계수가 최대인 방향(7)이 박막 트랜지스터의 채널에 흐르는 전류의 방향(8)이 비평행이 되도록 채널을 형성한다. 그러면, 플라스틱 필름 기판 상에 형성되는, 안정하고 균일한 전기 특성을 갖는 박막 트랜지스터가 제공된다.
산화물 반도체, 박막 트랜지스터, TFT 소자, 열 수축율
Description
본 발명은, 기판의 면 방향(in-plane)으로 열 수축율 또는 열팽창 계수의 이방성을 갖는 기판 상에 형성되는 반도체 소자에 관한 것이다．
최근, 플렉시블하고 경량인 기판 상에 배치되는 발광 소자, 디스플레이 패널 등의 관한 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다. 예를 들어, ZnO를 주성분으로 함유하는 투명한 도전성 산화물 다결정 박막을 채널층으로서 이용하는 박막 트랜지스터(TFT)의 개발이 활발하게 이루어지고 있다(일본 특허공개공보 제2002-76356호 참조).
상기 박막은 저온에서 형성될 수 있고, 가시광에 투명하기 때문에，플라스틱판이나 필름 등의 기판 상에 플렉시블한 투명 TFT를 형성할 수 있다.
한편，필름 형상의 플렉시블 기판 상에 기상법에 의해 형성되는 박막은, 그 박막 내에 존재하는 잔류 응력에 의해 기판이 휘어지는(warped) 문제가 있었다. 이 문제를 해결하기 위한 수단으로서, 막 형성 공정중에 기판을 구부림(bending)으로써 잔류 내부 응력을 없애거나 보상하는 방법이 제안되어 있다(일본 특허공개공보 H06-280026호 참조).
본 발명의 목적은, 기판의 면 방향으로 열 수축율 또는 열팽창 계수의 이방성을 갖는 기판 상에, 안정된 반도체 소자 특성을 갖는 반도체 소자, 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
플라스틱판, 수지 필름 등의 플렉시블한 기판을 이용하는 경우, 기판을 포함하는 박막 적층체의 휘어짐, 열 수축 또는 열 팽창 등에 의해 발생하는 사이즈 변화, 및 잔류 응력에 대한 인자들에 대하여 악영향을 미친다. 특히, 열가소성 수지를 시트 형상으로 용융 처리하고, 이 열가소성 수지를 종방향 및 횡방향의 2축으로 연신(stretching)함으로써 얻어지는 플라스틱 필름이 기판으로서 이용되는 경우, 그 악영향은 현저할 수 있다. 이는, 2축 연신 처리로 인해 면 방향으로 열 수축율 또는 열팽창 계수가 변하기 때문이다. 예를 들어, 기판의 사이즈 변화는 그 기판 상에 형성된 반도체 소자에 있어서 전류 흐름의 경로 길이, 피에조 저항 등을 변화시킨다. 따라서, 제조된 소자는 원래의 디자인과는 상이할 것이다. 예를 들면, 열 수축된 기판이 드레인과 소스 간의 채널을 단축시키는 경우, 기생 용량이 커지거나, 컷오프 주파수가 감소하게 된다.
통상적으로, 반도체 소자의 제조 공정은 다수의 고온 프로세스들을 포함한다. 즉, 그 프로세스들의 각각은 실온으로부터 고온으로, 또한 고온으로부터 실온으로 변하는 온도 사이클을 포함한다. 따라서，면 방향으로 열 수축율 또는 열팽창 계수의 이방성을 갖는 기판은 온도 사이클에 의해 수축 또는 팽창됨으로써, 기판의 사이즈가 변하게 된다. 따라서, 반도체 소자의 사이즈 변화, 변형, 내부 왜곡, 및 응력에 영향을 주어, 전술한 바와 같이 반도체 소자의 특성에 영향을 끼친다.
본 발명은 기판 상의 반도체 소자를 통해 전류가 흐르는 방향에 대한 레이아웃을 정교하게 고안함으로써, 반도체 소자의 사이즈 변화, 변형, 내부 왜곡, 및 응력 등을 억제하는 데 이용된다.
이하, 구체적으로 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 기판의 면 방향으로 열 수축율 또는 열팽창 계수의 이방성을 갖는 기판의 기판면 상에 형성되는 반도체 소자로서, 상기 기판의 열 수축율 또는 열팽창 계수가 최대인 방향은 상기 반도체 소자를 통해 흐르는 전류의 방향에 비평행인(nonparallel) 것을 특징으로 하는 반도체 소자가 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 기판의 면 방향으로 열 수축율 또는 열팽창 계수의 이방성을 갖는 기판의 기판면 상에 형성되는 반도체 소자로서, 상기 기판의 열 수축율 또는 열팽창 계수가 최소인 방향은 상기 반도체 소자를 통해 흐르는 전류의 방향에 평행한 반도체 소자가 제공된다.
본 발명에서，반도체 소자는 MOSFET, 박막 트랜지스터(TFT), 자외선 센서, 태양 전지, 또는 이온 감응 트랜지스터 등의 일반적으로 공지된 전기 소자를 포함한다.
본 발명에 따르면, 열팽창 또는 열 수축에 의한 악영향을 회피할 수 있다. 그 결과, 반도체 소자의 균일하고 높은 안정성, 긴 수명, 및 수율의 향상을 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 이점들은 첨부하는 도면과 연계하여 설명되는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이며, 참조 문자는 도면 전체를 통해 동일하거나 유사한 부분을 나타낸다.
첨부하는 도면은 본 명세서에 포함되어 일부를 구성하고, 본 발명의 실시예를 설명하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 이론을 설명하는 데 기여한다.
도 1은, 플라스틱 필름 기판 상에 형성된 비정질 In-Ga-Zn-O 박막을 채널에 이용한, 본 발명의 일 실시예 및 예 1에 따른 탑(top) 게이트형 TFT를 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예 및 예 1에 따른 TFT를 나타내는 상면도.
도 3은 예 1(θ=90°)에서 제조된 TFT의 전류(IDS) 대 전압(VDS) 특성을 나타내는 도면.
도 4는 예 1(θ=90°)에서 제조된 TFT의 전류(IDS) 대 전압(VGS) 특성을 나타내는 도면.
도 5는 예 2(θ=45°)에서 제조된 TFT의 전류(IDS) 대 전압(VDS) 특성을 나타내는 도면.
도 6은 예 2(θ=45°)에서 제조된 TFT의 전류(IDS) 대 전압(VGS) 특성을 나타내는 도면.
도 7은 비교예(θ=0°)에서 제조된 TFT의 전류(IDS) 대 전압(VDS) 특성을 나 타내는 도면.
도 8은 비교예(θ=0°)에서 제조된 TFT의 전류(IDS) 대 전압(VGS) 특성을 나타내는 도면.
최근，In-Ga-Zn-O 비정질 산화물을 채널층에 이용한 박막 트랜지스터가 보고되어 있다(K.Nomura et.al, Nature, Vol.432, pp.488-492 November 2004, 영국). 이 트랜지스터는, 실온에서 플라스틱이나 글래스 기판 상에 형성될 수 있다. 전계효과 이동도는 6 ~ 9 cm2V-1s-1이기 때문에, 노멀리-오프형 트랜지스터가 얻어질 수 있다.
또한, In, Ga, Zn, 및 O를 포함하는 막, 및 이에 관련된 막의 성장 조건에 관한 연구 개발을 적극적으로 진행시킨 결과, 본 발명의 발명자들은 막 형성 시에 산소 분위기의 조건하에서, 전자 캐리어 농도가 1O18/cm3 미만인 미세결정(microcrystal)들을 포함하는 투명 산화막을 개발하였다. 그 후, 발명자들은 이 투명한 반도전성 산화물 비정질 박막을 TFT 채널층으로서 이용한 TFT의 제조에 성공하였다. 투명한 반도전성 산화막은 In, Ga, Zn, 및 O를 포함하는 투명한 비정질 산화막이다. 결정 상태에서의 산화막의 조성은 InGaO3(ZnO)m(m은 6 미만의 자연수)으로 표현된다. 미세결정들은 산화막 내에 포함되어 있다. 전자 캐리어 농도는 1018/cm3 미만이다. 또한, 발명자들은 플라스틱 필름 상에 In, Ga, Zn, 및 O를 포 함하는 막을 이용하여 반도체 소자를 제조하는 것도 성공하였다.
이 박막 트랜지스터를 포함하는 반도체 소자는, 기판의 면 방향으로 열 수축율 또는 열팽창 계수의 이방성을 갖는 기판의 기판면 상에 형성되는 반도체 소자에 적용될 수 있다.
본 발명은 전술한 박막 트랜지스터에 한정되는 것은 아니다. 이와 같은 박막 트랜지스터는 플라스틱 필름 기판 상에 상온에서 형성될 수도 있기 때문에，본 발명에 적합하게 이용할 수 있다. 따라서, 비정질의 투명한 산화물 박막을 채널층으로서 이용한 TFT를 플라스틱 필름 기판 상에 형성한 일례를 본 발명의 바람직한 실시예로서 설명한다. 본 발명에 이용되는 박막 트랜지스터의 다른 예로는, ZnO를 주성분으로서 포함하는 투명한 도전성 산화물 다결정 박막을 채널층으로서 이용한 TFT가 있다.
도 1은 플라스틱 필름 기판 상에 형성된 비정질 In-Ga-Zn-O 박막을 채널층으로서 이용한 탑 게이트형 TFT 소자의 단면도이다. 도 2는 그 TFT 소자의 평면도이다.
필름 기판의 면 방향으로의 열 수축율 또는 열팽창 계수의 이방성은 필름 제조자로부터 공급되는 측정 데이터, 또는 사용자가 획득한 측정 데이터를 이용하여 결정될 수 있다. 측정 방법으로서는 기계적 또는 광학적인 방법이 알려져 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 기판(1)의 열 수축율 또는 열팽창 계수가 최대인 방향(7)(도 2 중 화살표로 나타냄)과 TFT 소자의 채널에 흐르는 전류의 방향(8)(도 2 중 두꺼운 화살표에서 나타냄)이 이루는 각도가 θ(본 도면 중 참조 번호 9는 각 도 θ을 나타냄)로 설정되도록, 포토피소그래피 방법으로 필름 기판(1)의 표면에 드레인 전극 및 소스 전극을 패터닝한다. 그 후, 리프트-오프(lift-off) 법으로 드레인 전극(4) 및 소스 전극(3)을 형성한다. 즉, 채널에 흐르는 전류의 방향(드레인 전극과 소스 전극 사이에 흐르는 전류의 방향)을 결정하여 채널을 형성한다. 드레인 전극(4)의 위치와 소스 전극(3)의 위치가 서로 역인 경우도 가능하다는 것에 유념하자(이 경우, 전류의 흐름 방향은 역이다).
제조 공정의 결과로서, 각도 θ가 0°인 경우, TFT 소자를 통해 흐르는 온-전류 IDS=1.69×10-4A이다. 또한，TFT 소자의 온/오프 비는 3×105를 초과한다는 것에 유념하자.
각도 θ는 0°초과 90°이하인 값으로 적절히 설정된다. 각도 θ는 기판의 열 수축율 또는 열팽창 계수가 최대인 방향과 반도체 소자의 채널에 흐르는 전류의 방향이 이루는 각도이다.
기판의 면 방향으로의 열 수축율 또는 열팽창 계수의 이방성을 갖는 기판 상에 형성된 반도체 소자에 있어서, 기판의 열 수축율 또는 열팽창 계수가 최대인 방향은 반도체 소자에 형성된 채널에 흐르는 전류의 방향에 비평행(nonparallel)하기 때문에, 온 전류가 증가한다.
본 발명에서，기판의 열 수축율 또는 열팽창 계수가 최대인 방향과 반도체 소자에 형성된 채널에 흐르는 전류의 방향이 이루는 각도 θ는, 이들 두 방향이 비평행이 되게 하는 것만으로 충분하다(θ=O인 경우만 제외). 상기 각도는 45°이상 90°이하인 것이 바람직하다. 상기 각도는 60°이상 90°이하이면 보다 바람직하다. 최적의 각도는 80°이상 90°이하이다. 전술한 바와 같이, 기판의 열 수축율 또는 열팽창 계수가 최대인 방향과 반도체 소자에 형성된 채널에 흐르는 전류의 방향이 이루는 각도가 이들 두 방향이 비평행이 되게 하는 경우, TFT 소자의 이동도가 증가될 수 있으며, 서브-임계 기울기(Sub-threshold slope) 특성의 S-값(이하, 간단히 "S-값"이라 한다)이 감소된다. 후술하는 예에서, 상기 각도가 0°에 비해 45°인 경우, 그리고 45°에 비해 90°인 경우에, TFT 소자의 이동도가 보다 증가될 수 있으며, 또한 S-값이 보다 감소될 수 있다. 90°의 경우를 0°의 경우와 비교하면, TFT 소자의 이동도가 약 30% 증가할 수 있고, S-값이 약 60% 감소할 수 있다. 따라서, 트랜지스터 특성의 개선, 예를 들어 스위칭 속도의 증대가 달성될 수 있다.
반도체 소자에 형성된 채널에 흐르는 전류의 방향과 기판의 열 수축율 또는 열팽창 계수가 최대인 방향이 이루는 각도가 90°에 가까운 경우, TFT 소자의 이동도가 보다 증가될 수 있고, S-값이 감소될 수 있다. 이는, 상기 각도가 90°에 보다 가까운 경우, 그 각도는 기판의 열 수축율 또는 열팽창 계수가 최소인 각도에 보다 근접하기 때문이다. 따라서, 기판의 열 수축율 또는 열팽창 계수가 최소인 방향과 반도체 소자를 통해 흐르는 전류의 방향이 실질적으로 평행(평행 또는 평행에 가까운 상태)하게 이루어지는 것이 바람직하다. 이 방향들은 서로 평행하게 되도록 하는 것이 최적이다. 여기서, 평행 또는 평행에 가까운 상태란, 기판의 열 수축율 또는 열팽창 계수가 최소인 방향과 반도체 소자에 흐르는 전류의 방향이 이 루는 각도가 0°이상 30°이하인 것을 의미한다.
기판의 면 방향으로의 열 수축율 또는 열팽창 계수의 이방성을 갖는 기판이 복수의 방향을 갖고, 각각이 기판의 열 수축율 또는 열팽창 계수가 최대인 방향의 경우(예를 들어, 종방향과 횡방향의 각각에서 열 수축율 또는 열팽창 계수가 최대인 경우)에는, 반도체 소자를 통해 흐르는 전류의 방향이 복수의 방향에 대해 비평행이 되도록 설정하는 것으로 충분한다.
화합물 In-Ga-Zn-O로 이루어진 막 등의 투명 산화물 반도체막을 형성하는 경우, 대부분 그 내부에는 응력이 발생하여, 결정화의 발생, 배향성의 변화, 및 크랙의 발생 등이 야기된다. 특히, 플라스틱 기판과 같이, 면 방향으로 열 수축율 또는 열팽창 계수의 이방성을 갖는 기판 상에 막이 형성되는 경우, 산화물 반도체막에 발생하는 응력은 산화물 반도체막의 비결정성을 변화시키거나, 막의 피에조 저항 및 피로 특성에 영향을 줄 수 있다.
그러나，기판의 열 수축율 또는 열팽창 계수가 최대인 방향과 반도체 소자에 형성된 채널에 흐르는 전류의 방향이 이루는 각도를 적절한 범위로 조정하는 경우, TFT 소자군의 생산 수율을 현저하게 향상시킬 수 있다. 이는, 특히 대면적의 기판 의 경우에 중요하다.
전술한 고분자 수지 기판으로서는，30분 150℃의 조건에서 열 수축율이 0.01% 이상 9% 이하인 기판을 이용하는 것이 바람직하다.
전술한 고분자 수지 기판으로서는，열팽창 계수가 5×1O-6 이상 1×1O-5 이하 인 기판을 이용하는 것이 바람직하다.
전술한 고분자 수지 기판으로서는，25 마이크로미터의 두께 및 6KV 이상의 절연 파괴 전압을 갖는 기판을 이용하는 것이 바람직하다.
바람직한 형태에 따르면, 반도체 소자의 각 제조 프로세스에서의 최고 온도는 50℃ 이상 300℃ 이하로 설정된다. 플라스틱 필름을 기판으로서 사용하는 경우에는, 기판 온도는 200℃ 미만으로 유지하는 것이 바람직하다.
전술한 열가소성 수지 기판은 트리아세테이트, 디아세테이트, 셀로판, 폴리에테르 술폰, 폴리에테르에테르 술폰, 폴리술폰, 폴리에테르 이미드, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리비닐 알코올, 폴리아닐레이트, 폴리메틸 메타크릴레이트, 비닐리덴 플루오르화물, 폴리스틸렌, AS 수지, ABS 수지, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 염화 비닐 수지, 메타크릴 수지, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프날레이트, 폴리아미드, 폴리아세탈, 변형 폴리페닐렌 에테르, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리아미드이미드, 폴리이미드, 폴리프탈아미드, 사이클릭 폴리올레핀 폴리머, 사이클로올레핀 폴리머, 폴리에테르에테르 케톤, 및 액정 폴리머으로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 한 종류의 열가소성 수지로 이루어지는 것이 바람직하다.
열가소성 수지 기판으로서, 열가소성 수지를 시트 형상으로 용융 처리하고, 이 열가소성 수지를 횡방향 및 종방향 모두의 2축으로 연신함으로써 얻어지는 필름 기판이 이용될 수 있다.
TFT(Thin Film Transistor)는 게이트 단자, 소스 단자, 및 드레인 단자를 포 함한다. TFT는 세라믹, 글래스, 플라스틱 등으로 이루어지는 유전체 기판 상에 형성된 반도체 박막을 전자 또는 홀이 이동하는 채널층으로서 이용하고, 게이트 단자에 인가되는 전압에 대응하는 소스 단자와 드레인 단자 사이의 채널층에 흐르는 전류를 제어하는 기능을 갖는 능동 소자이다.
여기서 사용될 수 있는 TFT 소자는, 예를 들어 반도체 채널층 상에 게이트 유전체 막과 게이트 단자를 그 순서대로 형성하는 스태거(탑 게이트}구조, 또는 게이트 단자 위에 게이트 유전체 막과 반도체 채널층을 그 순서대로 형성하는 역스태거(바텀 게이트) 구조를 갖는 소자이다.
반도체 소자의 활성층은 스퍼터링법, 증착법, CVD법, 에피택셜 성장법, 광여기 퇴적법, 펄스 레이저 증착법, 및 이온 플레이팅법으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 박막 형성법에 의해 형성될 수 있다． 양산(mass production)의 관점에서는, 스퍼터링법이 가장 적합하다． 스퍼터링법에 의해 140℃ 이하의 온도에서, 활성층으로서 In, Ga, Zn, O를 포함하는 비정질의 투명한 산화물 박막을 이용한 TFT가 제조될 수 있다.
비정질의 투명한 산화물 박막의 재료로서는, In-Ga-Zn-O, In-Ga-Zn-Sn-O, Ga-Zn-Sn-O, In-Sn-Zn-O, In-Zn-O, 또는 In-Sn-Sb-O등의 화합물을 이용하여, 반도체 소자의 활성층을 형성하는 것이 바람직하다.
비정질의 투명한 산화물 박막의 재료에 대하여는, Sn, Al, Sb, Cd, Ge, P, As, N, 및 Mg 로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 한 종류의 불순물을 In, Ga, Zn, 및 O를 포함하는 화합물에 첨가할 수 있다.
비정질의 투명한 산화물 박막은 필름의 전기 저항을 높이기 위한 불순물 이온을 의도적으로 첨가하지 않고, 산소 가스를 포함하는 분위기 속에서 형성하는 것이 바람직한 형태이다.
투명한 반도전성의 비정질 In-Ga-Zn-O 산화물 박막이 TFT의 채널층으로서 이용되는 경우，전자 이동도가 1cm2/(V·sec)를 초과, 바람직하게는 5cm2/(V·sec)를 초과하고, 전자 캐리어 농도가 1O18/cm3 미만, 바람직하게는, 1O16/cm3 미만인 경우, 오프상태(즉, 게이트 전압이 인가되지 않은 경우)에서의 드레인과 소스 단자 사이에 흐르는 전류는 10 마이크로암페어 미만, 바람직하게는 0.1 마이크로암페어 미만이 될 수 있다． 박막을 이용하면, 전자 이동도가 1cm2/(V·sec)를 초과, 바람직하게는 5cm2/(V·sec)를 초과할 때에, 핀치 오프 후의 포화 전류는 10마이크로암페어를 초과하고, 전류의 온·오프비는 103을 초과할 수 있다．
투명한 산화막이 채널층으로서 이용되는 경우, SiO2, Al2O3, Y2O3, HfO2, HfSiOx, HfSiON, HfAlOx 중 하나, 또는 이들의 화합물을 적어도 2개를 포함하는 혼합 결정 화합물을 이용하여 게이트 유전체 막을 포함하는 트랜지스터를 형성하는 것이 바람직한 형태이다. 게이트 유전체 막과 채널층 박막의 계면에 결함이 존재 하면，전자 이동도가 감소하고, 트랜지스터 특성에 히스테리시스가 발생한다. 게이트 절연막의 종류에 따라 누설 전류가 크게 변한다． 따라서, 채널층에 적합한 게이트 절연막을 선택할 필요가 있다． Al2O3 막을 이용하면, 누설 전류를 저감할 수 있다. Y2O3막을 이용하면, 히스테리시스를 보다 작게 할 수 있다. 고유전율을 갖는 HfO2막을 이용하면, 전자 이동도를 증가시킬 수 있다． 혼합 결정 막을 이용하면, 누설 전류 및 히스테리시스가 작고, 전자 이동도가 큰 TFT를 형성할 수 있다. 게이트 유전체 막 및 채널층의 형성은 실온에서 행할 수 있으므로, TFT 구조로서 스태거 구조 및 역스태거 구조 중 어느 것이나 형성할 수 있다．
In, Ga, 및 Zn을 포함하는 비정질 산화물의 예를 설명하였다. 본 발명은 Sn, In, 및 Zn 로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 한 종류의 원소를 포함하는 비정질 산화물에 적용할 수 있다.
비정질 산화물의 구성 원소 중 적어도 하나로서 Sn을 선택하는 경우, Sn은 Sn1-xM4x로 치환될 수 있으며, 여기서 0<x<1이며, M4는 Sn보다 원자 번호가 작은 Ⅳ족 원소인 Si, Ge, 및 Zr로 이루어지는 군으로부터 선택된다.
비정질 산화물의 구성 원소 중 적어도 하나로서 In을 선택하는 경우, In은 In1-yxM3y로 치환될 수 있으며, 여기서 0<y<1이며, M3는 Lu 또는 In보다 원자 번호가 작은 Ⅲ족 원소인 B, Al, Ga, 및 Y로 이루어지는 군으로부터 선택된다.
비정질 산화물의 구성 원소 중 적어도 하나로서 Zn을 선택하는 경우, Zn은 Zn1-zM2z로 치환될 수 있으며, 여기서 0<z<1이며, M2는 Zn보다 원자 번호가 작은 Ⅱ족 원소인 Mg 및 Ca로 이루어지는 군으로부터 선택된다.
본 발명에 적용할 수 있는 비정질 재료의 구체적인 예는, Sn-In-Zn 산화물, In-Zn-Ga-Mg 산화물, In 산화물, In-Sn 산화물, In-Ga 산화물, In―Zn 산화물, Zn-Ga 산화물, 및 Sn-In-Zn 산화물을 포함한다. 구성 재료의 조성비는 반드시 1:1로 설정되는 것은 아니다. Zn 또는 Sn이 단독으로 사용되는 경우에는, 비정질 상(phase)을 형성하기 어려울 수 있다. 그러나, In이 첨가되면, 비정질 상이 형성되기 쉽다. 예를 들면, In-Zn 계의 경우에는, 산소를 제외한 원자 수의 비율이, In의 농도가 약 20 원자% 이상인 조성이 얻어지도록 조절하는 것이 바람직하다. Sn-In 계의 경우에는, 산소를 제외한 원자 수의 비율이, In의 농도가 약 80 원자% 이상인 조성이 얻어지도록 조절하는 것이 바람직하다. Sn-In-Zn 계의 경우에는, 산소를 제외한 원자 수의 비율이, In의 농도가 약 15 원자% 이상인 조성이 얻어지도록 조절하는 것이 바람직하다.
측정 대상으로서의 박막 상에 입사각 약 0.5도의 저 입사각으로 X선 회절을 행하는 경우에 클리어(clear)한 회절 피크가 검출되지 않는(즉, 헤일로(halo) 패턴이 관측된)다면, 박막이 비정질인 것으로 판정될 수 있다. 본 발명은, 전계 효과 트랜지스터의 채널층에 전술한 재료들 중 어느 하나를 이용할 경우에, 해당 채널층이 미세결정의 구성 재료를 포함하는 것을 제외하는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 예에 대해 설명한다. 이하에 기재하는 예들의 각각은, 플라스틱 필름 기판 상에 비정질의 투명한 산화물 박막을 채널에 이용한 TFT를 제조된 일례이다.
(예 1)
２축으로 연신된 플라스틱 필름 기판 상에, TFT의 채널에 흐르는 전류의 방향이 플라스틱 필름 기판의 열 수축율가 최대인 방향과 비평행이 되도록, 상기 채널을 형성하는，비정질 In-Ga-Zn-O 박막을 채널에 이용한 TFT를 제조하는 예가 도시되어 있다. 플라스틱 필름 기판 상에 제조되는 TFT는 탑 게이트형 TFT 소자이며, 그 구성은 이미 설명한 도 1 및 도 2에 도시한 구성과 동일하다.
사용될 플라스틱 필름 기판은 시트 형상의 플라스틱 필름(TORAY사에서 제조한 ２축으로 연신한 폴리에틸렌 테레프탈레이트로서, 상품명은 Lumira, 제조번호는 T56, 두께는 125 마이크로미터, 사이즈는 5cm2, 종방향(필름 길이 방향) 열 수축율은 1.2, 횡방향 열 수축율은 0.5)이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 플라스틱 필름 기판의 열 수축율이 최대인 방향과 TFT의 채널에 흐르는 전류의 방향이 비평행인 90°의 각 θ가 되도록, 포토리소그래피법에 의해 필름 표면 상에 드레인 및 소스의 전극을 패터닝한다. 그 후 리프트-오프(lift-off)법에 의해 드레인 전극 및 소스 전극(그 재료는 Au/Ti이며, 두께는 45nm)을 형성한다.
그 후, 스퍼터링법에 의해, InGaO3(ZnO)4 조성을 갖는 다결정 소결 재료를 타겟으로서 이용하여, 미세결정을 포함하는 In-Ga-Zn-O계 비정질 산화물 반도체 박막을 필름 기판 상에 퇴적한다. 박막 형성 조건은 다음과 같다: Ar: 44 sccm, O2: 1.6 sccm ~ 1.7 sccm, 프로세스 압력: 4.2 mTorr, 고주파 파워 밀도: 약 3.7 W/cm2, 기판 온도: 비가열, 및 필름 두께: 50 nm.
마지막으로, 게이트 유전체 막으로서 이용되는 Y203 막(두께 140 nm, 유전율 약 15, 및 0.5 MV/cm 인가 시에 누설 전류 밀도 10-3A/cm2 를 가짐)을 스퍼터링법에 의해 형성한다. 다음, Y203 막 상에 Au/Ti 필름(두께 45 nm)을 형성하고, 포토리소그래피법과 리프트-오프법에 의해 게이트 단자를 형성한다. 이로써, 플라스틱 필름 기판 상에 비정질 In-Ga-Zn-O 박막을 채널에 이용한 탑 게이트형 TFT를 제조한다.
전술한 모든 프로세스에는, 기판이 의도적으로 가열되지 않은 상태 하에서 수행된다. 따라서，써모라벨(thermolabel)(Nichiyu Giken Kogyo사)을 이용하여 온도 측정이 행해진다. 다음, Y203 막이 스퍼터링법에 의해 형성되는 경우, 프로세스 온도는 약 135도에 도달한다. 이 온도는 TFT의 제조 프로세스에서의 최고 온도로 결정된다. 마지막으로, 일련의 온도 사이클 후에 5cm2 의 필름 기판이 만곡(bending)된다. 그 결과, 그 중심부는 그 주변부에 비해 약 1mm 낮아졌다.
도 3은 실온에서 측정한 TFT 소자(채널 길이는 3 마이크로미터, 채널 폭은 30 마이크로미터, θ각은 90°)의 전류(IDS) 대 전압(VDS) 특성을 나타낸다. 드레인 전압 VDS 가 증가함에 따라 드레인 전류 IDS가 증가하기 때문에 채널이 n형 반도체라는 것이 명백하다． 도 4는 실온에서 측정한 TFT 소자의 전류(IDS) 대 전압(VGS) 특 성을 나타낸다. VDS = 6V 에서 게이트 전압 VGS의 임계치는 약 0.35V이다. VGS = 6V 에서, 전류 IDS = 2.66×10-4 A가 흘렀다. 이는 게이트 바이어스에 의해 절연성 미세결정을 포함하는 In-Ga-Zn-O계 비정질 반도체 박막 내에 캐리어들이 유기될 수 있다는 것에 대응한다. 트랜지스터의 온/오프 비는 5.5×104을 초과한다. 서브-임계 기울기 특성의 S-값은 약 O.O7 V/dec 이었다. 전계 효과 이동도는 출력 특성으로부터 산출되었다. 그 결과, 포화 영역에서 전계 효과 이동도는 약 20.3 cm2(V·sec)- 1 인 것으로 발견되었다.
(예 2)
예 1에서와 동일한 사이즈를 갖는 TFT 소자를 제조하고, θ각은 45°로 설정한다. 도 5는 실온에서 측정한 TFT 소자(채널 길이는 3 마이크로미터, 채널 폭은 30 마이크로미터, θ각은 45°)의 전류(IDS) 대 전압(VDS) 특성을 나타낸다. 도 6은 실온에서 측정한 TFT 소자의 전류(IDS) 대 전압(VGS) 특성을 나타낸다. VDS = 6V 에서 게이트 전압 VGS의 임계치는 약 0.64V 였다. VGS = 6V 에서, 전류 IDS = 1.83×10-4 A가 흘렀다. 서브-임계 기울기 특성의 S-값은 약 O.14 V/dec 이었다. 전계 효과 이동도는 출력 특성으로부터 산출되었다. 그 결과, 포화 영역에서 전계 효과 이동도는 약 17.1 cm2(V·sec)- 1 인 것으로 발견되었다.
(비교예)
예 1에서와 동일한 사이즈를 갖는 TFT 소자를 제조하고, θ각은 0°로 설정한다. 도 7는 실온에서 측정한 TFT 소자(채널 길이는 3 마이크로미터, 채널 폭은 30 마이크로미터, θ각은 0°)의 전류(IDS) 대 전압(VDS) 특성을 나타낸다. 도 8은 실온에서 측정한 TFT 소자의 전류(IDS) 대 전압(VGS) 특성을 나타낸다. VDS = 6V 에서 게이트 전압 VGS의 임계치는 약 0.72V 였다. VGS = 6V 에서, 전류 IDS = 1.69×10-4 A가 흘렀다. 서브-임계 기울기 특성의 S-값은 약 O.20 V/dec 이었다. 전계 효과 이동도는 출력 특성으로부터 산출되었다. 그 결과, 포화 영역에서 전계 효과 이동도는 약 15.6 cm2(V·sec)- 1 인 것으로 발견되었다.
표 1은 예 1 및 2와 비교예를 요약하여 얻어진 데이터를 나타낸다.
상기 실험예에 따르면, θ각을 크게 할수록, 온-전류가 증가하는 것을 발견하였다. 오프 전류와 누설 전류 IGS에서 어떠한 현저한 변화도 관측되지 않았다.
전술한 바와 같이, 기판의 열 수축율 또는 열팽창 계수가 최대인 방향과 반도체 소자에 형성된 채널에 흐르는 전류의 방향이 이루는 각도가 비평행이 되도록 설정하는 경우, TFT 소자의 이동도는 증가될 수 있고, 서브-임계 기울기 특성의 S-값은 감소될 수 있다. 여기서, 각도가 0°보다 45°인 경우, 45°보다 90°인 경우, TFT 소자의 이동도는 약 30% 증가될 수 있으며, 서브-임계 기울기 특성의 S-값은 약 60% 감소될 수 있다. 따라서, 스위칭 속도의 증대 등의 트랜지스터 특성을 향상시킬 수 있다.
TFT는, TFT의 오프 상태에서 게이트 전류가 0.1 마이크로암페어 미만이고 온/오프 비가 1O4를 초과하는 그러한 트랜지스터 특성을 갖는 노멀리-오프형이다. 본 발명에 따르면, 스퍼터링 증착법에 의해 가시광에 투명한 TFT가 플라스틱 필름 상에 제조될 수 있다.
본 발명에 따르면, 기판의 면 방향으로 열 수축율 또는 열팽창 계수의 이방성을 갖는 기판 상에 형성되는, 안정하고 균일한 전기 특성을 갖는 반도체 소자, 이 반도체 소자를 이용한 회로 및 장치 등을 제공할 수 있다.
예를 들면, 본 발명은 소프트 플라스틱 필름 상에 형성된 투명한 산화막을 TFT의 활성층으로서 이용하는 TFT에 응용할 수 있으며, 또한 플렉시블한 디스플레이의 화소 드라이버, 인증용 IC 카드, 및 상품 ID 태그를 포함하는 분야에도 응용할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들이 본 발명의 사상 및 범위 내에서 이루어질 수 있기 때문에, 본 발명은 청구범위에서 한정되는 것 외에 특정 실시예에 한정되는 것은 아니라는 것을 이해해야 한다.
본 출원은, 본 명세서에 참조로서 포함되는 2005년 9월 6일자 일본 특허출원 제2005-258269호의 우선권을 주장한다.
Claims (6)
- 기판의 면 방향으로 열 수축율 또는 열팽창 계수의 이방성을 갖는 기판의 기판면 상에 형성되는 반도체 소자로서,상기 기판의 상기 열 수축율 또는 상기 열팽창 계수가 최대인 방향은 상기 반도체 소자를 통해 흐르는 전류의 방향에 비평행인(nonparallel) 반도체 소자.
- 기판의 면 방향으로 열 수축율 또는 열팽창 계수의 이방성을 갖는 기판의 기판면 상에 형성되는 반도체 소자로서,상기 기판의 상기 열 수축율 또는 상기 열팽창 계수가 최소인 방향은 상기 반도체 소자를 통해 흐르는 전류의 방향에 평행인 반도체 소자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 반도체 소자는 In, Ga, Zn, 및 O를 포함하는 투명 산화물 반도체가 이용되는 활성층을 포함하는 반도체 소자.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,상기 기판은 폴리머 수지로 이루어지는 반도체 소자.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,상기 기판은, 열가소성 수지를 시트 형상으로 용융-처리(melt-processing)하고 상기 열가소성 수지를 종방향 및 횡방향으로 2축 연신(biaxially stretching)함으로써 얻어지는 플라스틱 필름인 반도체 소자.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,상기 반도체 소자는 박막 트랜지스터인 반도체 소자.
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