KR20080112877A - Ｚｎ 산화물계 박막 트랜지스터 및 Ｚｎ 산화물의 식각용액 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 Zn 산화물계 박막 트랜지스터 및 Zn 산화물의 식각 용액에 관한 것이다. 게이트, 상기 게이트에 대응되는 위치에 Zn 산화물로 형성된 채널, 상기 게이트 및 채널 사이에 형성된 게이트 절연체 및 상기 채널의 양측부와 각각 접촉하며 형성된 소스 및 드레인을 포함하는 박막 트랜지스터에 있어서, 상기 소스 및 드레인 사이의 채널에 형성된 함입부를 포함하는 Zn 산화물계 박막 트랜지스터 및 상기 함입부 형성용 Zn 산화물 식각 용액을 제공한다.
Description
도 1은 종래 기술에 의한 박막 트랜지스터를 나타낸 단면도이다.
도 2a는 종래 기술에 의한 박막 트랜지스터의 소스 및 드레인 형성 시 플라즈마 공정에 의한 경우 액티브 영역에 데미지가 생길 때 게이트 전압에 대한 드레인 전류 값을 나타낸 그래프이다.
도 2b는 종래 기술에 의한 박막 트랜지스터의 소스 및 드레인 형성 시 습식 에칭 공정에 의한 경우 액티브 영역에 데미지가 생길 때 게이트 전압에 대한 드레인 전류 값을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 Zn 산화물계 박막 트랜지스터의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 실시예에 의한 Zn 산화물계 박막 트랜지스터의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 Zn 산화물계 박막 트랜지스터의 게이트 전압에 대한 드레인 전류 값을 나타낸 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 의한 Zn 산화물의 식각 용액에 의한 습식 식각 전후의 ZnO 표면을 나타낸 이미지이다.
도 7는 본 발명의 실시예에 의한 Zn 산화물의 식각 용액으로 박막 트랜지스터를 식각한 경우의 습도 테스트 결과를 나타낸 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10, 31... 기판 11... 절연층
12, 32... 게이트 13, 33... 게이트 절연층
14, 34... 채널 15a, 35a... 소스
15b, 35b... 드레인 16... 데미지 영역
본 발명은 Zn 산화물계 박막 트랜지스터 및 Zn 산화물의 식각 용액에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Zn 산화물계 박막 트랜지스터 형성 시, 채널 영역에 존재하는 데미지 영역을 제거한 박막 트랜지스터 및 Zn 산화물계 식각 용액에 관한 것이다.
현재 박막 트랜지스터(Thin film transistor)는 다양한 응용 분야에 이용되고 있으며 특히, 디스플레이 분야에서 스위칭 및 구동 소자로 이용되고 있다. 또한 크로스 포인트형 메모리 소자의 선택 스위치로 사용되고 있다. 박막 트랜지스터의 이동도(mobility) 또는 누설전류 등은 채널층의 재질 및 상태에 크게 좌우된다.
현재 산화물 반도체 소자로 최근 각광을 받는 것으로 ZnO계 박막 트랜지스터이다. ZnO 계열 물질로 Zn 산화물, InZn 산화물 또는 GaInZn 산화물 등을 박막 트 랜지스터의 채널 영역에 사용한 것으로, ZnO계 반도체 소자는 저온 공정으로 제작이 가능하고 비정질 상이기 때문에 대면적화가 용이한 장점을 가진다.
도 1은 종래 기술에 의한 박막 트랜지스터를 나타내 도면이다. 도 1을 참조하면, 표면에 절연층(11)이 형성된 기판(10) 상의 일 영역에 게이트(12)가 형성되어 있다. 기판(10) 및 게이트(12) 상에는 절연층(13)이 형성되어 있으며, 게이트(12)에 대응되는 절연층(13) 상에는 Zn 산화물계 물질로 형성된 채널(14)이 형성되어 있다. 게이트의 양측부에는 소스(15a) 및 드레인(15b)이 형성되어 있다.
종래 기술에 의한 박막 트랜지스터 제조 시, 채널(14) 및 절연층(13) 상에 전극 물질을 적층 후, 건식 또는 습식 식각 공정에 의해 소스(15a) 및 드레인(15b)을 형성하였다. 이때, 식각 공정에 의하여 채널(14)에 데미지 영역(16)이 형성될 우려가 있다. 이를 보다 상세히 설명하면, 건식 식각 공정은 통상 플라즈마 식각 공정을 이용하는데 식각 공정 중 Zn 산화물계 물질로 형성된 채널(14)이 플라즈마 데이지를 받게되며, 습식 식각 공정을 이용하는 경우 전극 물질이 채널(14)의 표면 또는 측면에 잔류하게 되어 박막 트랜지스터의 전기적 특성을 열화시키는 문제점이 있다.
도 2a는 종래 기술에 의한 박막 트랜지스터의 소스 및 드레인 형성 시 플라즈마 공정에 의한 경우 액티브 영역에 데미지가 생길 때 게이트 전압에 대한 드레인 전류 값을 나타낸 그래프이다. 도 2a를 참조하면, 플라즈마에 의한 식각 공정을 거친 경우, 게이트 전압을 인가한 경우 박막 트랜지스터의 특성이 나타나지 않고, 거의 일직선 형태로 10-6 A의 off 전류를 나타내며, 10-4 A의 on 전류 값을 나타내는 것을 알 수 있다.
도 2b는 종래 기술에 의한 박막 트랜지스터의 소스 및 드레인 형성 시 습식 에칭 공정에 의한 경우 액티브 영역에 데미지가 생길 때 게이트 전압에 대한 드레인 전류 값을 나타낸 그래프이다. 도 2b를 참조하면, 약 10-13 A의 off 전류와 10-3A의 on 전류 값을 나타내고 있으나, 그래프가 이단 곡선 형태로 나타나는 것을 알 수 있다. 이는 소스(15a) 또는 드레인(15b) 형성 물질이 식각 공정을 거친 후, 채널(14) 표면에 잔류하여 박막 트랜지스터의 전기적 특성에 악영향을 미치기 때문이다.
본 발명에서는 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 데미지 영역이 존재하지 않고, 안정된 전기적 특성을 지닌 Zn 산화물계 박막 트랜지스터를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 Zn 산화물계 물질의 식각 공정을 용이하게 제어할 수 있는 Zn 산화물의 식각 용액을 제공하는 것이다.
본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여, 게이트, 상기 게이트에 대응되는 위치에 Zn 산화물로 형성된 채널, 상기 게이트 및 채널 사이에 형성된 게이트 절연체 및 상기 채널의 양측부와 각각 접촉하며 형성된 소스 및 드레인을 포함하는 박막 트랜지스터에 있어서,
상기 소스 및 드레인 사이의 채널에 형성된 함입부;를 포함하는 Zn 산화물계 박막 트랜지스터를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 함입부는 상기 소스 및 상기 드레인과 접촉하는 채널 영역과 단차되게 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 Zn 산화물은 ZnO, InZnO 또는 GaInZnO 인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는 박막 트랜지스터의 제조 방법에 있어서,
(가) 기판 상에 게이트를 형성하고, 상기 기판 및 상기 게이트 상에 게이트 절연층을 형성하는 단계;
(나) 상기 게이트에 대응되는 상기 게이트 절연층 상에 Zn 산화물계 물질로 채널을 형성하는 단계;
(다) 상기 게이트 절연층 및 상기 채널 상에 전도성 물질을 도포하고, 상기 채널 상의 전도성 물질을 식각하여 소스 및 드레인을 형성하는 단계; 및
(라) 상기 소스 및 드레인 사이에 노출된 상기 채널 표면을 일부 식각하여 함입부를 형성하는 단계;를 포함하는 Zn 산화물계 박막 트랜지스터의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 (라) 단계는, 상기 채널은 염산, 불산 또는 인산 중 적어도 어느 하나와 아세트산의 수용액으로 형성된 Zn 산화물 식각 용액으로 습식 식각하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는 염산, 불산 또는 인산 중 적어도 어느 하나와 아세트산의 수용액으로 형성된 Zn 산화물의 식각 용액을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 Zn 산화물 식각 용액은 염산, 불산 또는 인산 중 적어도 어느 하나가 0.1 ~ 1 vol%로 포함된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 Zn 산화물 식각 용액은 아세트산이 5 ~ 50 vol%로 포함된 것을 특징으로 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 Zn 산화물계 박막 트랜지스터 및 그 제조 방법에 대해 상세히 설명하고자 한다. 도면에 도시된 각 층의 두께 및 폭은 설명을 위하여 다소 과장되게 표현되었음을 명심하여야 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 Zn 산화물계 박막 트랜지스터의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 3에서는 바텀 게이트(bottom gate)형 박막 트랜지스터를 나타내었으나, 본 발명의 실시예에 의한 박막 트랜지스터는 탑 게이트(top gate)형 및 바텀 게이트형 박막 트랜지스터에 모두 적용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 Zn 산화물계 박막 트랜지스터는 기판(31)의 일영역 상에 형성된 게이트(32), 기판(31) 및 게이트(31) 상에 형성된 게이트 절연층(33), 게이트(32)에 대응되는 게이트 절연층(33) 상에 형성된 채널(34) 및 채널(34)의 양단부와 접촉하며 게이트 절연층(33) 상에 형성된 소스(35a) 및 드레인(35b)을 포함한다. 본 발명의 실시예에 의한 Zn 산화물계 박막 트랜지스터에서는 소스(35a) 및 드레인(35b) 사이의 채널(34)에 함입부(recession : R)가 형성된 것을 특징으로 한다. 상세히 살펴보면, 함입부(R)는 소 스(35a) 및 드레인(35b)과 접촉하지 않은 채널(34) 표면이 식각되어 제거된 영역이다. 따라서, 함입부(R)는 소스(35a) 및 드레인(35b)과 접촉하는 채널(34) 영역과 단차되게(stepped) 형성된 것을 알 수 있다. 함입부(R) 함입부(R)는 도 1에 나타낸 종래 기술에 의한 박막 트랜지스터의 채널(14)에 형성된 데미지 영역(16)이 제거됨으로써, 박막 트랜지스터의 전기적 특성의 안정화를 도모하고자 형성된 것이다.
도 4a 내지 도 4e를 참조하여, 본 발명의 실시예에 의한 박막 트랜지스터의 제조 방법에 대해 상세히 설명하고자 한다.
도 4a를 참조하면, 기판(31) 상의 일 영역에 전도성 물질을 도포 및 식각하여 게이트(32)를 형성한다. 기판(31)은 실리콘, Glass, 플라스틱 또는 유기물질을 사용할 수 있으며, 실리콘을 사용하는 경우, 기판(31) 표면에 열산화 처리를 하여 실리콘 산화층을 형성시켜 사용한다. 게이트(32)는 전도성 물질인 금속 또는 금속 산화물 등을 이용하여 형성할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 기판(31) 및 게이트(32) 상에 절연 물질을 도포하여 게이트 절연층(14)을 형성시킨다. 게이트 절연층(14)은 일반적인 반도체 공정 시 사용하는 절연 물질을 이용할 수 있다. 예를 들어, SiO2 또는 SiO2보다 유전율이 높은 High-K 물질인 HfO2, Al2O3, Si3N4 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
도 4c를 참조하면, 게이트(32)에 대응되는 게이트 절연층(33) 상에 채널(34)을 형성한다. 채널은 통상적인 박막 트랜지스터의 채널에 사용하는 물질로 형성할 수 있으며, 예를 들어 Zn 산화물 계열인 Zn 산화물, InZn 산화물 또는 GaInZn 산화 물로 형성할 수 있다.
도 4d를 참조하면, 게이트 절연층(33) 및 채널(34) 상에 전도성 물질을 도포하고 채널(34) 상부의 전도성 물질을 식각하여 소스(35a) 및 드레인(35b)을 형성한다. 소스(35a) 및 드레인(35b)은 금속 또는 전도성 금속 산화물로 형성할 수 있으며, 예를 들어 Pt, Ru, Au, Ag, Mo, Al, W 또는 Cu와 같은 금속 또는 IZO(InZnO) 또는 AZO(AlZnO)와 같은 금속 또는 전도성 산화물을 사용할 수 있다.
도 4e를 참조하면, 채널(34)의 표면을 식각하여 함입부(R)을 형성한다. 함입부(R)는 채널(34)의 표면 중 소스(35a) 및 드레인(35b)과 접촉하지 않는 영역을 식각하여 형성한 것이다.
함입부(R) 형성하기 위해서, 채널(34)을 형성하는 Zn 산화물계 물질을 식각해야 한다. 통상적으로 Zn 산화물계 물질을 식각하는 경우, 염산(HCl), 불산(HF) 또는 인산(P2O5)의 수용액 등에 의해 식각 공정을 진행한다. 염산(HCl), 불산(HF) 또는 인산(P2O5)의 수용액으로 Zn 산화물 계열 물질을 식각하는 경우, 산의 농도를 제어하여 Zn 산화물 계열 물질의 식각 속도를 조절할 수 있다. 그러나, 식각 속도가 통상 20nm/min 이상으로 매우 빨라 박막의 두께 조절이 어려우므로 정밀한 식각 공정에 한계가 있다. Zn 산화물계 물질의 식각 속도를 용이하게 조절하기 위하여, 본 발명에서는 아세트산이 첨가된 식각 용액을 제공한다.
본 발명의 실시예에 의한 Zn 산화물의 식각 용액은 염산, 불산 또는 인산 중 적어도 어느 하나와 아세트산(CH3COOH)을 혼합한 수용액이다. 이 때, 염산, 불산 또 는 인산은 0.1 ~ 1 vol%이며, 아세트산은 5 ~ 50 vol% 범위인 것이 바람직하다. 구체적인 식각 용액의 제조 방법을 예를 들어 설명하면, 먼저, 염산, 불산 또는 인산 1ml에 DI water 99ml와 혼합하여 묽은 산을 제조한다. 그리고, 아세트산 10ml를 첨가한 후 교반한다. 본 발명의 실시예에 의한 Zn 산화물의 식각 용액으로 Zn 산화물을 식각하는 경우, 식각 속도는 1 내지 8nm/min이므로 Zn 산화물을 정밀한 두께 범위로 식각하는 것이 가능하다. 따라서, Zn 산화물로 형성된 채널(34)을 본 발명의 실시예에 의한 Zn 산화물 식각 용액으로 식각함으로써 함입부(R)를 용이하게 형성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 박막 트랜지스터의 게이트 전압에 대한 드레인 전류 값을 나타낸 그래프이다. 여기서 사용된 시편은 Si 기판 표면에 100nm 두께의 SiO2가 형성되며, 게이트는 200nm 두께의 Mo, 게이트 절연층은 200nm 두께의 Si3N4, 채널은 함입부를 포함하여 70nm 두께의 GaInZn 산화로 형성된 것이며, 소스 및 드레인은 Ti/Pt로 형성된 것이다.
도 5를 참조하면, 오프 전류가 10-12A 이하이며, On 전류가 약 10-4 A이다. On/Off 전류 비는 108 이상이므로 높은 On/Off 전류 비 및 낮은 Off 전류 특성을 나타내어 박막 트랜지스터로서의 특성이 우수함을 알 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 의한 Zn 산화물 식각 용액으로 ZnO 표면 습식 식각하기 전후의 AFM(atomic force microscope)이미지이다. 도 6a는 습식 식각 전의 ZnO의 표면을 나타낸 것으로 표면 거칠기가 약 0.286nm(rms)이었다. 도 6b는 습식 식각 후의 ZnO 표면을 나타낸 것으로, 표면 거칠기가 약 0.829nm(rms)이므로 박막 트랜지스터로 사용하는데 문제가 없는 것을 확인할 수 있다.
도 7는 본 발명의 실시예에 의한 Zn 산화물의 식각 용액으로 박막 트랜지스터를 식각한 경우의 습도 테스트 결과를 나타낸 도면이다. A는 박막 트랜지스터 시편을 형성 직후의 특성을 나타낸 그래프이다. B는 박막 트랜지스터 시편을 약 95% 습도 조건에서 14시간을 방치한 후의 특성을 나타낸 그래프이다. C는 습도 조건에 방치한 박막 트랜지스터 시편의 Zn 산화물 채널을 본 발명의 실시에에 의한 Zn 산화물 식각 용액에 의해 습식 식각한 후의 전기적 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, Zn 산화물은 습도에 민감하므로 95%의 습도 조건에서 14시간 방치한 후에는 Vth가 (-) 전압 방향으로 이동하는 것을 알 수 있다(A->B). 이는 박막 트랜지스터의 채널 표면에 OH-기가 매우 얇게 흡착되어 나타나는 현상이다. 그러나, 본 발명의 실시예에 의한 Zn 산화물 식각 용액으로 박막 트랜지스터의 채널 표면을 에칭한 경우, 초기 특성으로 회복하는 것을 확인할 수 있다.(B->C) 결과적으로, 본 발명의 실시예에 의한 Zn 산화물 식각 용액의 경우 Zn 산화물의 식각 속도를 매우 느리게 조절할 수 있으므로 박막 트랜지스터 채널에 데미지를 입히지 않고 OH- 흡착층을 용이하게 제거할 수 있음을 알 수 있다.
상기와 같은 실시예를 통해서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상에 의해 함입부가 형성된 박막 트랜지스터를 형성할 수 있다. 본 발명의 실시예에 의한 산화물 박막 트랜지스터는 바텀 게이트 형 또는 탑 게이트형으로 사용될 수 있다. 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 채널 표면을 일부 제거하여 함입부를 형성함으로써, 종래 소스 및 드레인 형성 공정 시, 채널에 형성되는 데미지 영역을 제거하여 우수한 전기적 특성을 지닌 박막 트랜지스터를 제공할 수 있다.
둘째, 박막 트랜지스터의 채널에 사용되는 Zn 산화물계 물질의 식각 속도를 용이하게 제어할 수 있는 새로운 식각 용액을 제공할 수 있다.
Claims (11)
- 게이트, 상기 게이트에 대응되는 위치에 Zn 산화물로 형성된 채널, 상기 게이트 및 채널 사이에 형성된 게이트 절연체 및 상기 채널의 양측부와 각각 접촉하며 형성된 소스 및 드레인을 포함하는 박막 트랜지스터에 있어서,상기 소스 및 드레인 사이의 채널에 형성된 함입부를 포함하는 것을 특징으로 하는 Zn 산화물계 박막 트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,상기 함입부는 상기 소스 및 상기 드레인과 접촉하는 채널 영역과 단차되게 형성된 것을 특징으로 하는 Zn 산화물계 박막 트랜지스터.
- 제 1항 또는 제 2항 중 어느 한 항에 있어서,상기 Zn 산화물은 ZnO, InZnO 또는 GaInZnO 인 것을 특징으로 하는 Zn 산화물계 박막 트랜지스터.
- 박막 트랜지스터의 제조 방법에 있어서,(가) 기판 상에 게이트를 형성하고, 상기 기판 및 상기 게이트 상에 게이트 절연층을 형성하는 단계;(나) 상기 게이트에 대응되는 상기 게이트 절연층 상에 Zn 산화물계 물질로 채널을 형성하는 단계;(다) 상기 게이트 절연층 및 상기 채널 상에 전도성 물질을 도포하고, 상기 채널 상의 전도성 물질을 식각하여 소스 및 드레인을 형성하는 단계; 및(라) 상기 소스 및 드레인 사이에 노출된 상기 채널 표면을 일부 식각하여 함입부를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 Zn 산화물계 박막 트랜지스터의 제조 방법.
- 제 4항에 있어서,상기 Zn 산화물은 ZnO, InZnO 또는 GaInZnO 인 것을 특징으로 하는 Zn 산화물계 박막 트랜지스터의 제조 방법.
- 제 4항 또는 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 (라) 단계는,상기 채널은 염산, 불산 또는 인산 중 적어도 어느 하나와 아세트산의 수용액으로 형성된 Zn 산화물 식각 용액으로 습식 식각하는 것을 특징으로 하는 Zn 산화물계 박막 트랜지스터의 제조 방법.
- 제 6항에 있어서,상기 Zn 산화물 식각 용액은 염산, 불산 또는 인산 중 적어도 어느 하나가 0.1 ~ 1 vol%로 포함된 것을 특징으로 하는 Zn 산화물계 박막 트랜지스터의 제조 방법.
- 제 6항에 있어서,상기 Zn 산화물 식각 용액은 아세트산이 5 ~ 50 vol%로 포함된 것을 특징으로 하는 Zn 산화물계 박막 트랜지스터의 제조 방법.
- 염산, 불산 또는 인산 중 적어도 어느 하나와 아세트산의 수용액으로 형성된 것을 특징으로 하는 Zn 산화물의 식각 용액.
- 제 9항에 있어서,상기 염산, 불산 또는 인산 중 적어도 어느 하나가 0.1 ~ 1 vol%로 포함된 것을 특징으로 하는 Zn 산화물의 식각 용액.
- 제 9항에 있어서,상기 아세트산이 5 ~ 50 vol%로 포함된 것을 특징으로 하는 Zn 산화물의 식각 용액.
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