KR20100047882A - 박막 반도체 물질을 이용하는 박막 트랜지스터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 활성 채널로서 아연, 주석, 갈륨, 카드뮴 및 인듐으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 성분과 산소 및 질소를 포함한 반도체 물질을 가진 TFTs를 일반적으로 포함한다. 반도체 물질은 바닥부 게이트 TFTs, 상부 게이트 TFTs, 다른 유형의 TFTs에서 이용될 수 있다. TFTs는 채널 및 금속 전극들 모두를 생성하도록 에칭에 의해 패턴화될 수 있다. 이후 소스-드레인 전극들은 에칭 정지층으로서 반도체 물질을 이용하여 건식 에칭에 의해 형성될 수 있다. 활성층 캐리어 농도, 이동성 및 TFT의 다른 층들과의 계면은 예정된 값으로 조절될 수 있다. 조절은 질소 함유 가스 대 산소 함유 가스의 유동비를 변화시키고, 증착된 반도체 필름을 어닐링 및/또는 플라즈마 처리하거나 또는 알루미늄 도핑의 농도를 변화시킴에 의해 수행될 수 있다.
Description
본 발명의 실시예는 일반적으로 산소, 질소 그리고 아연, 갈륨, 카드뮴, 인듐 및 주석으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 성분을 포함한 반도체 물질을 갖는 필드 효과 트랜지스터(field effect transistors; FETs) 및 박막 트랜지스터(TFTs)에 관한 것이다.
TFT 배열에 대해 현재 관심이 특히 높은데, 왜냐하면 이러한 소자들은 컴퓨터 및 텔레비젼 플랫 패널에 종종 이용되는 종류의 액정 활성 매트릭스 디스플레이(LCDs)에 이용될 수 있기 때문이다. 또한, LCDs는 백 라이팅(back lighting)을 위한 발광 다이오드(LEDs)를 포함할 수 있다. 또한, 유기 발광 다이오드(OLEDs)가 활성 매트릭스 디스플레이를 위해 이용되었고, 이러한 OLEDs는 디스플레이의 활성도를 어드레스하기(addressing) 위한 TFTs를 필요로 한다.
비결정질 실리콘으로 만들어진 TFTs는 평면 패널 디스플레이 산업의 핵심 구성요소가 되었다. 불행하게도 비결정질 실리콘은 낮은 이동성과 같은 자체 한계를 갖는다. OLEDs에 필요한 이동성은 비결정질 실리콘으로 얻을 수 있는 것보다 적어도 10배는 크다. 비결정질 실리콘을 위한 증착 온도는 높을 수 있고, 이는 Vth 시프트를 야기할 수 있다. 높은 전류는 비결정질 실리콘에 필요할 수 있고, 이는 OLEDs에서 안정성 이슈를 이끌 수 있다. 한편, 폴리실리콘은 비결정질 실리콘보다 높은 이동성을 갖는다. 폴리실리콘은 결정질이고, 이는 불균일한 증착(deposition)을 이끈다. 비결정질 실리콘의 한계 때문에, OLED 발전은 어려움을 겪어왔다.
최근에 투명한 TFTs가 만들어졌고, 여기서 아연 산화물은 활성 채널층으로서 이용되었다. 아연 산화물은 화합물 반도체이고, 이는 유리 및 플라스틱과 같이 다양한 기판 상에서 비교적 낮은 증착 온도로 결정질 물질로서 성장될 수 있다. 아연 산화물계 TFTs는 가시광에 노출시 디그레이드(degrade)되지 않을 수 있다. 따라서, 실리콘계 TFTs에 대해 필요한 것 같은 쉴드 층(shield layer)이 존재하지 않는다. 쉴드 층이 없는 채로, TFT는 투명하게 남아 있다. 비결정질 실리콘보다 큰 이동성을 갖지만, 아연 산화물은 여전히 낮은 이동성을 갖는다.
따라서, 높은 이동성을 갖는 투명한 활성 채널을 갖는 TFTs에 대해 이 기술 분야에서 요구가 있다.
본 발명은 활성 채널로서 아연, 주석, 갈륨, 카드뮴 및 인듐으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 성분과 산소 및 질소를 포함한 반도체 물질을 가진 TFTs를 일반적으로 포함한다. 반도체 물질은 바닥부 게이트 TFTs, 상부 게이트 TFTs, 및 다른 유형의 TFTs에서 이용될 수 있다. TFTs는 채널 및 금속 전극들 모두를 생성하도록 에칭에 의해 패턴화될 수 있다. 이후, 소스-드레인 전극들은 에칭 정지층으로서 반도체 물질을 이용하여 건식 에칭에 의해 형성될 수 있다. 활성층 캐리어 농도, 이동성 및 TFT의 다른 층들과의 계면은 예정된 값들로 조절될 수 있다. 이러한 조절은 질소 함유 가스 대 산소 함유 가스 유동비를 변화시키고, 증착된 반도체 필름을 어닐링 및/또는 플라즈마 처리하거나 또는 알루미늄 도핑의 농도를 변화시킴에 의해 수행될 수 있다.
일 실시예에서, TFT가 개시된다. 트랜지스터는 아연, 인듐, 주석, 카드뮴, 갈륨 및 이의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 성분과 산소 및 질소를 포함한 반도체층을 포함한다. 다른 실시예에서, TFT 제작 방법이 개시된다. 이 방법은 아연, 인듐, 주석, 카드뮴, 갈륨 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 성분과 산소 및 주석을 포함한 반도체층을 기판 위에 증착시키는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, TFT 제작 방법이 개시된다. 이 방법은 채워진 s 및 d 오비탈을 가진 성분, 채워진 f 오비탈을 가진 성분, 및 이들의 조합을 가진 성분으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 성분과 산소 및 질소를 포함한 반도체층을 기판 위에 증착시키는 단계를 포함한다. 또한, 이 방법은 활성 채널층 위에 소스-드레인 전극층을 증착시키는 단계, 활성 채널을 생성하기 위해 소스-드레인 전극층 및 활성 채널층을 제 1 에칭하는 단계, 및 소스-드레인 전극들을 형성하기 위해 소스-드레인 전극층을 제 2 에칭하는 단계를 포함한다.
본 발명의 상기 언급된 특징들이 더욱 자세히 이해될 수 있도록, 상기 간략히 요약된 본 발명의 특별한 설명은 첨부된 도면에서 그 일부가 도시된 실시예를 참고로 하여 이해될 수 있다. 그러나, 첨부된 도면은 본 발명의 오직 전형적인 실시예 만을 도시하는 것이고, 따라서 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 고려되어서는 안되며, 본 발명은 다른 동등하게 효과적인 실시예를 허용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PVD 챔버의 개략적인 단면도이다.
도 2a-2e는 산소 가스 유동에 따른 아연 및 아연 산화물 피크의 형성을 도시하는 필름에 대한 XRD 그래프이다.
도 3a-3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 질소 가스 유동 속도에 따른 반도체 필름의 형성을 도시하기 위한 XRD 그래프이다.
도 4a-4g는 본 발명의 일 실시예에 따른 바닥부 게이트 TFT를 형성하기 위한 프로세스 순서를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에칭 정지 TFT(etch stop TFT)의 개략적인 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 상부 게이트 TFT의 개략 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 활성 매트릭스 LCD의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 활성 매트릭스 OLED의 개략도이다.
도 9a-9c는 다양한 활성 채널 길이 및 폭에 대한 Vth를 도시한다.
도 10a-10c는 공통의 길이 및 폭을 갖는 활성 채널에 대한 Vth의 비교를 도시한다.
이해를 촉진하기 위해, 도면들에서 공통적인 동일한 요소를 지칭하기 위해 동일한 도면 부호들이 가능한 사용되었다. 일 실시예에서 개시된 요소들은 특별한 인용이 없더라도 다른 실시예에서 유리하게 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PVD 챔버의 개략적인 단면도이다.
도 2a-2e는 산소 가스 유동에 따른 아연 및 아연 산화물 피크의 형성을 도시하는 필름에 대한 XRD 그래프이다.
도 3a-3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 질소 가스 유동 속도에 따른 반도체 필름의 형성을 도시하기 위한 XRD 그래프이다.
도 4a-4g는 본 발명의 일 실시예에 따른 바닥부 게이트 TFT를 형성하기 위한 프로세스 순서를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에칭 정지 TFT(etch stop TFT)의 개략적인 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 상부 게이트 TFT의 개략 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 활성 매트릭스 LCD의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 활성 매트릭스 OLED의 개략도이다.
도 9a-9c는 다양한 활성 채널 길이 및 폭에 대한 Vth를 도시한다.
도 10a-10c는 공통의 길이 및 폭을 갖는 활성 채널에 대한 Vth의 비교를 도시한다.
이해를 촉진하기 위해, 도면들에서 공통적인 동일한 요소를 지칭하기 위해 동일한 도면 부호들이 가능한 사용되었다. 일 실시예에서 개시된 요소들은 특별한 인용이 없더라도 다른 실시예에서 유리하게 이용될 수 있다.
본 발명은 산소, 질소, 그리고 활성 채널로서 아연, 주석, 갈륨, 카드뮴 및 인듐으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 성분을 포함한 반도체 물질을 가진 TFTs를 일반적으로 포함한다. 반도체 물질은 바닥부 게이트 TFTs, 상부 게이트 TFTs, 그리고 다른 유형의 TFTs에 이용될 수 있다. TFTs는 채널 및 금속 전극들 모두를 생성하도록 에칭에 의해 패턴화될 수 있다. 이후, 소스-드레인 전극들이 에칭 정지층으로서 반도체 물질을 이용하는 건식 에칭에 의해 형성될 수 있다. 활성층 캐리어 농도, 이동성 그리고 TFT의 다른 층들과의 인터페이스는 예정된 값으로 조정될 수 있다. 조정은 질소 함유 가스를 산소 함유 가스 유동비로 변화시키는 단계, 증착된 반도체 필름을 어닐링 및/또는 플라즈마 처리하는 단계, 또는 알루미늄 도핑의 농도를 변화시키는 단계에 의해 수행될 수 있다.
질소, 산소 그리고 아연, 인듐, 갈륨, 카드뮴 및 주석으로부터 선택된 하나 이상의 성분을 포함한 반도체 필름은 반응성 스퍼터링에 의해 증착될 수 있다. 반응성 스퍼터링 방법은 예시적으로 설명되고 미국 캘리포니아 산타 클라라의 어플라이드 머티어리얼스사의 자회사인 AKT 아메리카사로부터 구입 가능한 4300 PVD 챔버와 같은 대면적 기판을 프로세스하기 위한 PVD 챔버에서 실행될 수 있다. 그러나, 이러한 방법에 따라 생산된 반도체 필름은 필름 구조 및 조성에 의해 결정될 수 있기 때문에, 반응성 스퍼터링 방법은 롤-대-롤 프로세스 플랫폼(roll-to-roll process platforms)을 포함한 다른 제작자에 의해 생산된 시스템과 대면적 둥근 기판을 프로세스하도록 구성된 시스템을 포함한 다른 시스템 구성에서의 유틸리티를 가질 수 있다. 본 발명은 PVD에 의해 증착되는 것으로 아래에서 예시적으로 설명될 것이나, 화학 기상 증착(CVD), 원자층 증착(ALD), 또는 스핀-온 프로세스를 포함한다른 방법들이 본 발명의 필름을 증착시키는데 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PVD 챔버(100)의 개략 단면도이다. 챔버(100)는 진공 펌프(114)에 의해 비워질 수 있다. 챔버(100) 내에서, 기판(102)은 타겟(104)에 대향하여 배치될 수 있다. 기판은 챔버(100) 내에서 서셉터(106) 상에 배치될 수 있다. 서셉터(106)는 액츄에이터(112)에 의해 화살표 "A"에 의해 도시된 것처럼 올라가고 내려올 수 있다. 서셉터(106)는 프로세싱 위치로 기판(102)을 올리도록 상승되고 그리고 낮춰질 수 있으며, 이에 의해 기판(102)은 챔버(100)로부터 제거될 수 있다. 리프트 핀(108)은 서셉터(106)가 낮춰진 위치에 있을 때 서셉터(106) 위로 기판(102)을 상승시킨다. 그라운딩 스트랩(grounding straps; 110)은 프로세싱 동안 서셉터(106)를 접지시킬 수 있다. 서셉터(106)는 균일한 증착을 돕도록 프로세싱 동안 상승될 수 있다.
타겟(104)은 하나 이상의 타겟들(104)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 타겟(104)은 대면적 스퍼터링 타겟(104)을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 타겟(104)은 다수의 타일(tiles)을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 타겟(104)은 다수의 타겟 스트립을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 타겟(104)은 하나 이상의 원통형 회전식 타겟을 포함할 수 있다. 타겟(104)은 접합층(미도시)에 의해 후방 플레이트(116)에 접합될 수 있다. 하나 이상의 마그네트론(118)은 후방 플레이트(116) 뒤에 배치될 수 있다. 마그네트론(118)은 선형 이동으로 또는 2차원 경로로 후방 플레이트(116)를 가로질러 스캔할 수 있다. 챔버의 벽들은 다크 스페이스 쉴드(dark space shield; 120) 및 챔버 뚜껑 쉴드(112)에 의해 증착으로부터 차폐될 수 있다.
기판(102)을 가로질러 균일한 스퍼터링 증착을 제공하는 것을 돕기 위해, 애노드(124)는 타겟(104) 및 기판(102) 사이에 위치할 수 있다. 일 실시예에서, 애노드(124)는 아크 스프레이된 알루미늄으로 코팅된 비드 블래스트된 스테인리스강(bead blasted stainless steel)일 수 있다. 일 실시예에서, 애노드(124)의 일 단부는 브래킷(130)에 의해 챔버 벽에 장착될 수 있다. 애노드(124)는 타겟(104)에 반대인 전하를 제공하고, 이에 의해 대전된 이온이 일반적으로 그라운드 전위에 있는 챔버 벽에서 보다 더 끌어 당겨질 것이다. 타겟(104) 및 기판(102) 사이에 애노드(124)를 제공함에 의해, 플라즈마는 더욱 균일해질 수 있고, 이는 증착을 도울 수 있다. 박편(flaking)을 감소시키이 위해, 냉각 유체는 하나 이상의 애노드(124)를 통해 제공될 수 있다. 애노드(124)의 팽창 및 수축이 양을 감소시킴에 의해, 애노드(124)로부터의 물질의 박편이 감소될 수 있다. 더 작은 기판들과 작은 프로세싱 챔버를 위해, 챔버 벽이 균일한 플라즈마 분패와 그라운드로의 경로를 제공하기에 충분할 수 있기 때문에 프로세싱 공간에 걸친 애노드(124)는 필요하지 않을 수 있다.
반응성 스퍼터링을 위해, 반응성 가스를 챔버(100) 안으로 제공하는 것이 유리할 수 있다. 또한, 하나 이상의 가스 유입 튜브(126)가 타겟(104) 및 기판(102) 사이에서 챔버(100)를 가로지르는 거리에 걸칠 수 있다. 더 작은 기판 및 작은 챔버를 위해, 균등한 가스 분포가 종래의 가스 유입 수단을 통해 가능할 수 있기 때문에 프로세싱 공간에 걸친(spanning) 가스 유입 튜브(126)는 필요하지 않을 수 있다. 가스 유입 튜브(126)는 가스 패널(132)로부터 스퍼터링 가스를 유입시킬 수 있다. 가스 유입 튜브(126)는 하나 이상의 커플링(128)에 의해 애노드(124)와 커플링될 수 있다. 커플링(128)은 열적으로 전도성인 물질로 만들어질 수 있고, 이에 의해 가스 유입 튜브(126)가 전도적으로 냉각되는 것을 가능하게 한다. 또한, 커플링(128)은 전기적으로 전도성일 수 있고, 이에 의해 가스 유입 튜브(126)는 접지되고 애노드로서 기능을 한다.
반응성 스퍼터링 프로세스는 스퍼터링 챔버에서 기판에 대향하여 금속 스퍼터링 타겟을 배치시키는 단계를 포함할 수 있다. 금속 스퍼터링 타겟은 아연, 갈륨, 인듐, 주석 및 카드뮴으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 성분을 실질적으로 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 스퍼터링 타겟은 채워진 s 오비탈 및 채워진 d 오비탈을 가진 하나 이상의 성분을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 스퍼터링 타겟은 채워진 f 오비탈을 가진 하나 이상의 성분을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 스퍼터링 타겟은 하나 이상의 2가 성분들을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 스퍼터링 타겟은 하나 이상의 3가 성분들을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 스퍼터링 타겟은 하나 이상의 4가 성분들을 포함할 수 있다.
또한, 스퍼터링 타겟은 도펀트를 포함할 수 있다. 이용될 수 있는 적절한 도펀트는 Al, Sn, Ga, Ca, Si, Ti, Cu, Ge, In, Ni, Mn, Cr, V, Mg, SixNy, AlxOy 및 SiC를 포함한다. 일 실시예에서, 도펀트를 알루미늄을 포함한다. 다른 실시예에서, 도펀트는 주석을 포함한다. 한편, 기판은 플라스틱, 페이퍼, 폴리머, 유리, 스테인리스강, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 기판이 플라스틱일 때, 반응성 스퍼터링은 약 180℃ 미만의 온도에서 일어날 수 있다. 증착될 수 있는 반도체 필름의 예는 ZnOxNy:Al, ZnOxNy:Sn, SnOxNy:Al, InOxNy:Al, InOxNy:Sn, CdOxNy:Al, CdOxNy:Sn, GaOxNy:Al, GaOxNy:Sn, ZnSnOxNy:Al, ZnInOxNy:Al, ZnInOxNy:Sn, ZnCdOxNy:Al, ZnCdOxNy:Sn, ZnGaOxNy:Al, ZnGaOxNy:Sn, SnInOxNy:Al, SnCdOxNy:Al, SnGaOxNy:Al, InCdOxNy:Al, InCdOxNy:Sn, InGaOxNy:Al, InGaOxNy:Sn, CdGaOxNy:Al, CdGaOxNy:Sn, ZnSnInOxNy:Al, ZnSnCdOxNy:Al, ZnSnGaOxNy:Al, ZnInCdOxNy:Al, ZnInCdOxNy:Sn, ZnInGaOxNy:Al, ZnInGaOxNy:Sn, ZnCdGaOxNy:Al, ZnCdGaOxNy:Sn, SnInCdOxNy:Al, SnInGaOxNy:Al, SnCdGaOxNy:Al, InCdGaOxNy:Al, InCdGaOxNy:Sn, ZnSnInCdOxNy:Al, ZnSnInGaOxNy:Al, ZnInCdGaOxNy:Al, ZnInCdGaOxNy:Sn, 및 SnInCdGaOxNy:Al을 포함한다.
스퍼터링 프로세스 동안, 아르곤, 질소 함유 가스, 및 산소 함유 가스는 금속 타겟을 반응성 스퍼터링하기 위해 챔버로 제공될 수 있다. B2H6, CO2, CO, CH4 및 이의 조합과 같은 추가적인 첨가제가 또한 스퍼터링 동안 챔버로 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 질소 함유 가스는 N2를 포함한다. 다른 실시예에서, 질소 함유 가스는 N2O, NH3 또는 이의 조합을 포함한다. 일 실시예에서 산소 함유 가스는 O2를 포함한다. 다른 실시예에서 산소 함유 가스는 N2O를 포함한다. 질소 함유 가스의 질소와 산소 함유 가스의 산소는 스퍼터링 타겟으로부터의 금속과 반응하고, 이에 의해 기판 상에 금속, 산소, 질소 및 선택적으로 도펀트를 포함하는 반도체 물질을 형성한다. 일 실시예에서, 질소 함유 가스 및 산소 함유 가스는 별개의 가스들이다. 다른 실시예에서, 질소 함유 가스 및 산소 함유 가스는 동일한 가스를 포함한다.
증착된 필름은 반도체 필름이다. 증착될 수 있는 반도체 필름의 예는 ZnOxNy, SnOxNy, InOxNy, CdOxNy, GaOxNy, ZnSnOxNy, ZnInOxNy, ZnCdOxNy, ZnGaOxNy, SnInOxNy, SnCdOxNy, SnGaOxNy, InCdOxNy, InGaOxNy, CdGaOxNy, ZnSnInOxNy, ZnSnCdOxNy, ZnSnGaOxNy, ZnInCdOxNy, ZnInGaOxNy, ZnCdGaOxNy, SnInCdOxNy, SnInGaOxNy, SnCdGaOxNy, InCdGaOxNy, ZnSnInCdOxNy, ZnSnInGaOxNy, ZnInCdGaOxNy 및 SnInCdGaOxNy를 포함한다. 이전에 언급된 반도체 필름의 각각은 도펀트에 의해 도핑될 수 있다.
반도체 필름은 산질화물(oxynitride) 화합물을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 반도체 필름은 금속 산질화물 화합물 뿐만 아니라 금속 질화물 화합물 모두를 포함한다. 다른 실시예에서, 반도체 필름은 금속 산질화물 화합물, 금속 질화물 화합물, 그리고 금속 산화물 화합물을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 반도체 필름은 금속 산질화물 화합물 및 금속 산화물 화합물을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 반도체 필름은 금속 질화물 화합물 및 금속 산화물 화합물을 포함할 수 있다.
질소 함유 가스 대 산소 함유 가스의 비는 반도체 필름의 비저항, 캐리어 농도 및 이동성에 영향을 미칠 수 있다. 표 1은 아르곤 및 질소 가스의 분위기에서 스퍼터된 주석 타겟에 대한 캐리어 농도, 비저항, 이동성에 대한 질소 유동 속도의 영향을 나타낸다. 일반적으로, 표 1은 질소 유동 속도가 증가할 때 이동성 또한 증가하는 것으로 나타낸다. 아르곤 및 산소 유동 속도는 동일하게 유지될 수 있다. 표 1에서, 아르곤 유동 속도는 60sccm이고 산소 유동 속도는 5sccm이다. 또한, 더 높은 기판 온도는 이동성의 증가를 제공한다. 캐리어 농도는 이동성과 관련하여 약하게 상관 관계를 갖는다. 증착된 필름은 n-유형 반도체 물질이고, 이는 전자 캐리어로서 기능할 수 있고, 따라서 캐리어 농도는 음의 숫자로서 표시된다.
표 1
또한, 산소 함유 가스는 반도체 필름의 이동성, 캐리어 농도, 그리고 비저항에 영향을 미친다. 표 2는 아르곤, 질소 가스 그리고 산소 가스의 분위기에서 스퍼터된 주석 타겟에 대한 이동성, 비저항 및 캐리어 농도에 대한 산소 유동 속도의 영향을 나타낸다. 아르곤 유동 속도는 일정하게 유지될 수 있다. 표 2에서, 아르곤 유동 속도는 60sccm이다. 일반적으로 표 2는 높은 질도 가스 대 산소 가스 비에 대해 이동성이 비결정질 실리콘에 대한 이동성보다 높을 수 있음을 나타낸다. 또한, 질소 대 산소의 비가 높아질수록, 캐리어 농도는 낮아진다. 200sccm의 질소 유동 속도에서, 이동성은 산소 유동 속도가 증가함에 따라 증가하지만, 이후 높은 산소 유동 속도로 감소된다. 일 실시예에서, 이동성은 150℃의 온도에서 약 4cm2/V-s 내지 약 10cm2/V-s일 수 있다. 이동성의 증가는 캐리어 농도에는 상관 관계를 가지지 않는다. 따라서, 이동성 향상은 캐리어의 적은 스캐터링의 결과일 수 있다. 이동성은 질소 첨가제가 이용되지 않는다면 매우 낮을 수 있다. 이러한 시나리오에서, 캐리어 농도는 산소 가스 유동이 증가함에 따라 크게 떨어진다. 주석 타겟에 대한 기판 온도가 높을수록 이동성은 더 뛰어나다. 일 실시예에서, 압력은 약 5mTorr 내지 약 20mTorr일 수 있다.
표 2
또한, 도펀트의 양은 증착된 필름의 이동성에 영향을 미칠 수 있다. 그러나, 이동성은 타겟이 도핑되었는지 아닌지 질소 가스 유동의 증가와 함께 일반적으로 증가할 것이다. 표 3은 이동성, 캐리어 농도, 및 비저항에 대한 도펀트의 영향을 도시한다. 도펀트는 중량 퍼센트로 나타난다. 아르곤 유동 속도는 각각의 증착된 필름에 대해 동일할 수 있다. 표 3에서, 아르곤 유동 속도는 120sccm이다. 도펀트를 이용할 때의 캐리어 농도는 도펀트가 이용되지 않는 경우의 시나리오에서보다 낮을 수 있다. 따라서, 도펀트는 캐리어 농도를 조정하는데 이용될 수 있다.
표 3
표 4는 반도체 필름의 이동성, 캐리어 농도, 및 비저항에 대한 산소 가스 유동의 영향을 개시한다. 일반적으로, 고정된 질소 가스 유동 하에서, 필름에 대한 이동성은 산소 유동이 증가함에 따라 증가할 것이지만 산소 유동 속도의 추가적인 증가에 따라 떨어질 것이다. 아르곤 유동 속도는 각각의 증착된 필름에 대해 동일할 수 있다. 표 4에서 아르곤 유동 속도는 120sccm이다. 일 실시예에서, 필름의 이동성은 질소 함유 가스 대 산소 함유 가스비가 약 10:1 미만이 되면 감소할 것이다. 이동성의 증가는 산소 유동 속도가 증가함에 따라 캐리어 농도에서의 증가와 관계가 없다. 도펀트가 이용될 때, 이동성 및 캐리어 농도는 낮아질 수 있다. 따라서, 캐리어 농도 및 이동성은 존재하는 도펀트의 양에 따라 조정될 수 있다.
표 4
표 5는 반도체 필름의 이동성, 캐리어 농도 및 비저항에 대해 가해진 전력 밀도의 영향을 도시한다. 일반적으로, 전력 밀도는 이동성에 크게 영향을 미치지 않지만, 전력 밀도가 높아질수록 캐리어 농도 및 비저항도 높아진다. 일 실시예에서, 스퍼터링 타겟에 가해진 전력 밀도는 약 0.3W/cm2 내지 약 1.0W/cm2일 수 있다.
표 5
표 6은 반도체 필름을 증착하는데 있어서 산소 함유 가스에 따라 N2O를 이용하는 효과를 도시한다. N2O 가스는 반도체 필름의 이동성을 증가시키고 적절하게 낮은 캐리어 농도를 만드는데 있어서의 산소 함유 가스에 따라 효과적이다.
표 6
표 7은 주석, 산소 및 질소를 포함한 반도체 필름에 대한 화학적 분석과 X-선 광전자 분광기(X-ray photoelectron spectroscopy)를 이용하여 필름에 대한 산소 함유 가스의 영향을 도시한다. 필름 1은 400W의 DC 바이어스가 스퍼터링 타겟에 가해지는 동안 360초 동안 주석 타겟을 스퍼터링함에 의해 증착된다. 아르곤은 60sccm의 유동 속도로 프로세싱 챔버로 유입되었고, 질소는 200sccm의 유동 속도로 유입되었으며, 산소는 5sccm의 유동 속도로 유입되었다. 증착은 250℃의 온도에서 일어났다. 필름 1의 탄소 함유량은 22.5 원자 퍼센트(atomic percent)이고, 질소 함유량은 19.4 원자 퍼센트이며, 산소 함유량은 29.4원자 퍼센트이고, 플루오르 함유량은 0.7원자 퍼센트이며, 주석 함유량은 28.1원자 퍼센트이다. 전부는 아니지만 대부분의 탄소는 외부로부터의 탄소(adventitous carbon)로부터 발생할 수 있다(즉, 탄소 화합물은 대기에 노출된 샘플의 표면으로 흡수된다). 필름 2는 400W의 DC 바이어스가 가해지는 동안 360초 동안 주석 타겟을 스퍼터링 함에 의해 증착된다. 아르곤은 프로세싱 챔버로 60sccm의 유동 속도로 유입되고, 질소는 200sccm의 유동 속도로 유입되며, 산소는 20sccm의 유동 속도로 유입된다. 증착은 250℃의 온도에서 일어난다. 필름 2는 17.3원자 퍼센트의 탄소 함유량, 4.5원자 퍼센트의 질소 함유량, 49.9원자 퍼센트의 산소 함유량, 0.6원자 퍼센트의 플루오르 함유량 그리고 27.7원자 퍼센트의 주석 함유량을 갖는다. 모두는 아니지만 대부분의 탄소는 외부로부터의 탄소로부터 발생할 수 있다(즉, 탄소 화합물은 대기에 노출된 샘플의 표면으로 흡수된다). 표 7에서 도시된 것처럼, 산소 유동 속도(따라서 산소 대 질소의 비)가 증가함에 따라, 산질화물 함유량이 증가하고 또한 주석 산화물 함유량도 증가한다. 그러나, 주석 질화물 함유량 및 실리콘 산질화물 함유량은 감소된다. 표 7에서 R은 산소 또는 질소와 같다.
표 7
표 8은 스퍼터링에 의해 증착되는 다수의 반도체 필름에 대한 결과를 도시한다. 반도체 필름은 아연, 주석, 산소 및 질소로 이루어진다. 반도체 필름은 70원자 퍼센트의 아연 함유량과 30원자 퍼센트의 주석 함유량을 갖는 스퍼터링 타겟으로부터 스퍼터 증착된다. 증착은 스퍼터링 타겟에 가해진 400W의 전력으로 250℃의 온도에서 일어난다. 증착은 20sccm의 산소 유동 속도 및 60sccm의 아르곤 유동 속도 하에서 360초 동안 일어난다. 데이터는 질소 유동 속도(따라서 질소 가스대 산소 가스의 비)가 증가함에 따라 반도체 필름의 이동성이 증가하는 것을 도시한다.
표 8
아연, 산소 및 질소 화합물
아연, 산소 및 질소를 포함한 반도체 필름을 형성하기 위한 바람직한 산소 유동 속도를 결정하기 위해, 산소의 양이 아연 산화물을 형성하도록 아연을 완전히 산화시키는데 충분하지 않은 정도로 산소의 양이 선택될 수 있다. 공급된 산소 함유 가스의 양이 너무 많다면, 필름은 과하게 산화될 수 있기 때문에 필름의 이동성이 충분하지 않을 수 있다. 아연의 산화량은 투과율에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들면, 완전히 산화된 아연은 약 80퍼센트를 넘는 투과율을 가질 수 있다. 바람직한 산소 유동을 결정하는 한 방법은 질소 가스를 이용하지 않으면서 아르곤 및 산소 가스들을 이용하여 반응성 스퍼터링 프로세스를 실행하는 것이다. 이러한 실험들은 상이한 산소 유동 속도에서 수행될 수 있고, 가시광 파장(visible wavelength)에서의 광학적 투과율은 측정될 수 있다. 바람직한 산소 유동은 필름이 얻을 수 있는 최대 투명도를 가지기 직전일 수 있다. 표 9는 다양한 산소 유동 속도에서 반응적으로 스퍼터 증착된 아연 산화물에 대한 광학적 투과율을 도시한다. 일 실시예에서, 최대 바람직한 투과율은 80퍼센트일 수 있다. 다른 실시예에서, 최대 투과율은 유리 흡수 또는 광 간섭이 포함된다면 80퍼센트가 아닐 수 있다. 상이한 DC 타겟 전력, 상이한 기판 온도 또는 N2O와 같은 상이한 산소 함유 가스를 이용할 때 실험은 유용할 수 있다.
표 9
바람직한 산소 가스 유동을 결정하는 다른 방법은 상기에서 논의된 질소의 낮은 양을 제공하거나 또는 질소를 제공하지 않는 조건 하에서 아연 산화물을 형성하기 위해 반응성 스퍼터링을 수행하고 시이트 저항(sheet resistance)을 측정하는 것이다. 약 100 ohm/sq 내지 1.0x107 ohm/sq의 시이트 저항을 만드는 산소 유동 속도는 바람직한 산소 유동 속도일 수 있다.
바람직한 산소 유동 속도를 결정하기 위한 또 다른 방식은 XRD 필름 구조 측정을 수행하는 것이다. 도 2a-2e는 산소 가스 유동에 따른 아연 및 아연 산화물 피크의 형성을 도시하는 필름에 대한 XRD 그래프이다. 도 2a-2e에서 도시된 필름이 각각은 다양한 산소 유동 속도와 1,000W 그리고 600scmm/m3의 아르곤 유동 속도에서 증착되었다.
도 2a는 스퍼터링 동안 산소 가스의 제공이 없을 때 형성된 필름의 XRD 그래프를 도시한다. 다수의 아연 피크들은 다양한 강도를 갖고 만들어졌다. 아연 (002) 피크는 약 625 카운트의 강도로 약 35.5 내지 37의 2테타(즉, 회절기의 탐지기 및 투사되는 x-선 사이의 각)로 도시된다. 아연 (100) 피크는 약 450 카운트의 강도로 약 38 내지 40으로 도시된다. 아연 (101) 피크는 약 1050카운트의 강도로 약 42.5 내지 44로 도시된다. 아연 (102) 피크는 약 325 카운트의 강도로 약 53 내지 55로 도시된다. 아연 (103) 피크는 약 300의 강도로 약 69.5 내지 70으로 도시된다. 아연 (110) 피크는 약 275 카운트의 강도로 약 70 내지 71로 도시된다. 아연 (002): 아연 (100): 아연 (101): 아연 (102): 아연 (103): 아연 (110)에 대한 피크 높이의 비는 약 2.27:1.64:3.82:1.182:1.091:1이다. 모든 피크는 위상 확인을 위해 회절 데이터(ICDD) PDF2 데이터베이스(rev.2004)를 위한 국제 센터(International Center)를 이용하여 마킹되었다.
산소 가스가 50sccm/m3의 유동 속도로 제공될 때, 아연 피크는 도 2b에서 도시된 것처럼 강도가 감소된다. 아연 (002) 피크는 약 500 카운트로 감소된다. 아연 (100) 피크는 약 375카운트로 감소된다. 아연 (101) 피크는 약 750카운트로 감소된다. 아연 (102) 피크는 약 250카운트로 감소된다. 아연 (110) 피크는 약 225 카운트로 감소되고, 아연 (103) 피크는 존재하지 않는다. 아연 (002): 아연 (100): 아연 (101): 아연 (102): 아연 (110)에 대한 피크 높이의 비는 약 2.22:1.67:3.33:1.11:1이다.
산소 가스가 100sccm/m3의 유동 속도로 제공될 때, 도 2c에서 도시된 것처럼 약 375카운트로 감소된 아연 (101) 피크를 제외하고는 모든 아연 피크가 사라진다. 산소 가스가 150sccm/m3으로 제공될 때, 아연 피크는 완전히 사라지나, 아연 산화물 (002) 피크는 도 2d에서 도시된 것처럼 약 950카운트의 강도로 약 33.5 내지 35로 나타난다. 산소 유동 속도가 200sccm/m3으로 증가될 때, 아연 산화물 (002) 피크는 도 2e에서 도시된 것처럼 약 1,000카운트로 그 강도가 증가한다.
XRD 데이터에 따르면, 공급된 산소의 양은 약 150sccm/m3 미만이어야 하는데, 왜냐하면 150sccm/m3에서 강한 아연 산화물 피크가 나타나기 때문이다. 산소의 유동 속도는 챔버 크기에 비례한다. 따라서, 챔버의 크기가 증가함에 따라, 산소 유동 속도도 증가할 수 있다. 유사하게, 챔버의 크기가 감소됨에 따라, 산소 유동 속도가 감소할 수 있다.
바람직한 질소 유동 속도를 결정하기 위해, XRD 필름 구조 측정이 취해질 수 있다. 도 3a-3f는 본 발명의 일 실시예에 따라 다양한 질소 가스 유동 속도에 따라 반도체 필름의 형성을 도시하기 위한 XRD 그래프이다. 도 3a-3f에서 도시된 필름의 각각은 600sccm/m3의 아르곤 유동 속도, 2,000W, 100sccm/m3의 산소 유동 속도 그리고 다양한 질소 유동 속도에서 증착되었다.
도 3a는 질소가 없는 채로 증착된 필름의 XRD 그래프를 도시한다. 그래프는 약 575카운트의 강도를 갖는 아연 산화물 (101) 및 아연 (002)의 약 35 내지 약 37의 피크, 약 380 카운트의 강도를 갖는 아연 (100)의 약 38 내지 약 40의 피크, 및 약 700카운트의 강도를 갖는 아연 (101)의 약 42.5 내지 44의 피크를 포함한 다수의 강한 피크를 나타낸다. 약 390카운트의 강도를 갖는 약 35.5 내지 37의 아연 산화물 (002), 약 275카운트의 강도를 갖는 약 53 내지 55의 아연 (102), 약 225 카운트의 강도를 갖는 약 69.5 내지 70의 아연 (103), 그리고 약 225 카운트의 강도를 갖는 약 70 내지 71의 아연 (110)의 작은 피크들이 또한 존재한다. 아연 산화물 (101): 아연 (002): 아연 (100): 아연 (101): 아연 산화물 (002): 아연 (102): 아연 (103): 아연 (110)에 대한 피크 높이의 비는 약 2.55:2.55:1.24:3.11:1.73:1.22:1:1이다.
질소가 300sccm/m3의 유동 속도에서 반응성 스퍼터링 동안 제공될 때, 아연 및 아연 산화물 피크는 도 3b에서 도시된 것처럼 아연 산화물이 더 이상 존재하지 않을 수 있는 포인트로 크게 감소된다. 질소 유동 속도가 500sccm/m3으로 증가할 때, 모든 아연 및 아연 산화물 피크는 감소되고 필름은 도 3c에서 도시된 것처럼 비결정질 구조를 갖는다.
질소 유동 속도가 1,000sccm/m3으로 증가될 때, 두 개의 새로운 피크가 도 3d에 도시된 것처럼 나타난다. Zn3N2 (222)의 제 1 피크는 약 2050카운트의 강도로 약 31 내지 33에서 형성되었다. Zn3N2 (411)의 제 2 피크는 약 1850카운트의 강도로 약 35 내지 42로 형성되었다. Zn3N2 (222): Zn3N2 (411)에 대한 피크 높이의 비는 약 1.11:1이다. 질소 가스 유동 속도가 1,250sccm/m3으로 증가될 때, Zn3N2 (222) 피크는 약 2500 카운트로 증강되고, Zn3N2 (411) 피크는 약 2600 카운트로 증강되며, 이는 도 3e에서 도시된 것과 같다. Zn3N2 (222): Zn3N2 (411)에 대한 피크 높이의 비는 약 0.96:1이다. 질소 유동 속도가 2,500sccm/m3으로 증가될 때, Zn3N2 (222) 피크 및 Zn3N2 (411) 피크는 각각 약 2350 및 2050으로 약화되지만, Zn3N2 (400)의 새로운 피크가 도 3f에서 도시된 것처럼 약 1700카운트의 강도로 약 36 내지 37.5에서 발생된다. Zn3N2 (222): Zn3N2 (411): Zn3N2 (400)에 대한 피크 높이의 비는 약 1.38:1.21:1이다.
XRD 데이터에 따르면, 공급된 질소의 양은 약 300sccm/m3보다 커야 하는데, 왜냐하면 300sccm/m3에서 아연 산화물 피크는 크게 감소하고, 이에 의해 본질적으로 아연 산화물이 필름에 존재하지 않는다. 질소의 유동 속도는 챔버 크기에 비례한다. 따라서, 챔버의 크기가 증가함에 따라, 질소 유동 속도도 증가할 수 있다. 유사하게, 챔버의 크기가 감소됨에 따라, 질소 유동 속도도 감소될 수 있다.
따라서, 상기로부터 산소 유동 속도 및 상기로부터 질소 유동 속도를 조합하면, 상기에서 논의된 새로운 반도체 필름이 약 2:1보다 큰 질소 대 산소 유동 속도 비로 증착될 수 있다. 일 실시예에서, 질소 대 산소의 유동비는 10:1 내지 약 50:1일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 질소 대 산소의 유동비는 20:1일 수 있다.
반도체 물질을 만들기 위해, 질소 함유 가스의 유동 속도는 상기에서 논의된 것처럼 산소 함유 가스의 유동 속도보다 훨씬 클 수 있다. 증착된 반도체 물질은 비결정질 실리콘보다 큰 이동성을 가질 수 있다. 표 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 질소 가스 유동 속도에 따른 이동성을 도시한다.
표 10
0sccm 산소의 조건 하에서 증착된 필름은 질소 가스의 모든 유동 속도에 대해 5cm2/V-s보다 작은 이동성을 갖는다. 25sccm/m3 산소의 조건 하에서 증착된 필름은 1,500sccm/m3의 질소 유동 속도에 대해서는 약 8cm2/V-s의 이동성을 갖고, 2,500sccm/m3의 질소 유동 속도에 대해서는 약 15cm2/V-s의 이동성을 갖는다. 200sccm/m3 산소의 조건 하에서 증착된 필름은 1,500sccm/m3의 질소 유동 속도에 대해 약 1cm2/V-s의 이동성을 갖고 2,500sccm/m3의 질소 유동 속도에 대해 약 10cm2/V-s의 이동성을 갖는다. 250sccm/m3 산소의 조건 하에서 증착된 필름은 500sccm/m3의 질소 유동 속도에 대해 약 5cm2/V-s의 이동성을 갖고, 1,500sccm/m3의 질소 유동 속도에 대해서는 약 2cm2/V-s의 이동성을 가지며, 2,500sccm/m3의 질소 유동 속도에 대해서는 약 12cm2/V-s의 이동성을 갖는다.
50sccm/m3 내지 150sccm/m3의 산소 유동 속도로 증착된 필름에 대해, 필름의 이동성은 25sccm/m3 및 그 미만의 산소 유동 속도에서 증착된 필름과 200sccm/m3 및 그 초과의 산소 유동 속도에서 증착된 필름을 넘어 크게 증가되었다. 또한, 50sccm/m3 내지 150sccm/m3의 산소 유동 속도로 증착된 필름은 비결정질 실리콘보다 훨씬 큰 이동성을 갖는다. 1,000sccm/m3 내지 2,500sccm/m3의 질소 유동 속도에서, 대부분의 경우에 필름의 이동성을 22cm2/V-s보다 크다. 약 1cm2/V-s의 이동성을 갖는 비결정질 실리콘과 비교할 때, 아연, 산소 및 질소를 포함한 반도체 필름은 이동성에서 상당한 향상을 갖는다. 따라서, 약 10:1 내지 약 50:1의 질소 대 산소 가스 유동비는 폴리실리콘의 이동성의 2배 그리고 비결정질 실리콘의 이동성의 20배보다 큰 이동성을 갖는 반도체 필름을 만들 수 있다. 이 표는 질소 가스 및 산소 가스의 특정 유동 속도를 도시하지만, 산소 가스 및 질소 가스의 유동 속도는 챔버 크기에 따라 상대적이고 따라서 상이한 챔버 크기를 설명하도록 스케일 가능하다.
표 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 가스 유동 속도에 따라서 시이트 저항, 캐리어 농도 및 비저항을 도시한다. 약 10:1 내지 약 50:1의 질소 가스대 산소 가스의 유동 비율에 대해, 아연, 산소 및 질소를 포함한 반도체 층의 시이트 저항은 약 100ohm/sq 내지 약 10,000ohm/sq일 수 있다. 질소 유동 속도 및 산소 유동 속도의 증가로, 전자 캐리어 농도는 낮아진다. 결과적으로 비저항이 증가한다.
표 11
또한, 어닐링은 아연, 산소 및 질소를 포함한 반도체의 이동성을 상당히 증가시킬 수 있다. 표 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 어닐링 이후 질소 가스 유동 속도에 따른 이동성을 도시한다. 어닐링 이후, 이동성은 50cm2/V-s보다 클 수 있다. 일 실시예에서, 이동성은 어닐링에 의해 90cm2/V-s보다 크게 증가될 수 있다. 어닐링은 약 400℃의 온도에서 질소 분위기에서 약 5분 동안 일어날 수 있다.
표 12
또한, 도펀트의 양은 아연, 질소 및 산소를 포함한 반도체 필름의 이동성에 영향을 미칠 수 있다. 표 13 및 14는 알루미늄으로 도핑된 아연 스퍼터링 타겟을 반응적으로 스퍼터링할 때 다양한 질소 및 산소 유동 속도에 대한 이동성, 시이트 저항, 캐리어 농도 및 비저항을 도시한다. 따라서, 스퍼터링 타겟에서의 도펀트의 양은 조정될 수 있고, 이에 의해 예정된 이동성, 시이트 저항, 캐리어 농도 및 비저항이 얻어지는 것을 보장한다.
표 13
표 14
또한, 서셉터의 온도는 반도체 필름의 이동성에 영향을 미칠 수 있다. 표 15는 30℃, 50℃ 및 95℃의 온도에서 아연 스퍼터링 타겟을 스퍼터링하는데 있어서의 다양한 질소 유동 속도에 대한 이동성, 시이트 저항, 캐리어 농도 및 비저항을 도시한다. 표 15로부터 볼 수 있는 것처럼, 반응성 스퍼터링은 상온에 접근하는 온도를 포함하여 400℃보다 상당히 아래의 온도에서 비결정질 실리콘 및 폴리실리콘보다 높은 이동성을 갖는 반도체 필름을 효과적으로 형성할 수 있다. 따라서, 어닐링이 없더라도, 반도체 필름은 비결정질 실리콘보다 높은 이동성을 가질 수 있다.
표 15
전력은 특정 값으로서 여기서 설명될 수 있지만, 스퍼터링 타겟이 가해진 전력은 타겟의 구역에 비례한다. 따라서, 약 10W/cm2 내지 약 100W/cm2의 전력값은 바람직한 결과를 일반적으로 얻을 것이다. 표 16은 1,500sccm/m3 내지 2,500sccm/m3의 질소 가스 유동에 대한 이동성, 캐리어 농도 및 비저항에 대해 인가된 DC 전력의 영향을 도시한다. 1,000W 내지 2,000W의 전력 레벨은 비결정질 실리콘보다 상당히 높은 이동성을 갖는 반도체 필름을 만든다.
표 16
상기 논의된 증착 기술에 따라 증착된 필름은 ZnNxOy와 같은 아연, 질소 및 산소를 갖는 3성분계(ternary) 화합물 반도체 물질을 포함할 수 있다. 일 실시예에서 3성분계 화합물 반도체 물질은 ZnNxOy:Al과 같이 도핑될 수 있다. 3성분계 화합물 반도체 화합물은, 높은 전자 캐리어 밀도 및 높은 전자 이동성을 갖는 아연 산화물과 반대로 상온에서 증착될 때 낮은 전자 캐리어 밀도 및 높은 이동성을 가질 수 있다. 일 실시예에서 3성분계 화합물은 30cm2/V-s보다 높은 이동성과 1.0e+19 #/cc보다 낮은 전자 캐리어 밀도를 갖는다. 필름이 약 400℃에서 어닐링될 때, 이동성은 100cm2/V-s보다 크게 증가될 수 있고, 전자 캐리어 밀도는 필름의 결정학적 방향 및 조성을 변경시키지 아니한 채로 1.0e+18 #/cc보다 낮을 수 있다. 필름이 비결정질 화합물 또는 낮은 방향성(poorly oriented) 결정학적 화합물일 때에도 높은 이동성 및 낮은 전자 밀도는 3성분계 화합물에 대해 얻어질 수 있다.
또한, 3성분계 화합물의 광학적 밴드갭은 아연 산화물과 비교하여 향상될 수 있다. 아연 산화물은 일반적으로 약 3.2eV의 밴드갭을 갖는다. 한편, 아연, 질소 및 산소를 포함한 3성분계 화합물은 약 3.1eV 내지 약 1.2eV의 밴드갭을 가질 수 있다. 밴드갭은 질소 대 산소 유동비, 전력 밀도, 압력, 어닐링 및 증착 온도와 같은 증착 파라미터들을 변경시킴에 의해 조정될 수 있다. 낮은 밴드갭 때문에, 3성분계 화합물은 광전자 소자들 및 다른 전자 소자들에 이용될 수 있다. 600℃와 같은 매우 높은 프로세싱 온도에서, 3성분계 필름은 p-유형 또는 n-유형 반도체 물질로 변환될 수 있다. 어닐링 또는 플라즈마 처리는 화합물 구조 및 화학적 조성을 근본적으로 변경시키지 아니한 채로 미세하게 조정될 수 있다. 미세한 조정은 화합물의 성질이 화합물이 이용될 수 있는 소자들의 성능 요구사항을 충족시키도록 맞춰지는 것을 가능하게 한다.
3성분계 화합물은 TFT 소자에서 투명한 반도체층으로서, 광전자 소자 또는 태양전지 패널에서 화합물층으로서, 또는 센서 소자에서 화합물층으로서 이용될 수 있다. 도 4a-4g는 본 발명의 일 실시예에 따른 바닥부 게이트 TFT(400)를 형성하기 위한 프로세스 순서를 도시한다. TFT는 기판(402)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 기판(402)은 유리를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 기판(402)은 폴리머를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 기판은 플라스틱을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 기판은 금속을 포함할 수 있다.
기판 위에, 게이트 전극(404)이 형성될 수 있다. 게이트 전극(404)은 TFT 내에서 전하 캐리어(charge carriers)의 이동을 제어하는 전기적 전도층을 포함할 수 있다. 게이트 전극(404)은 알루미늄, 텅스텐, 크롬, 탄탈륨 또는 이의 조합과 같은 금속을 포함할 수 있다. 게이트 전극(404)은 스퍼터링, 리소그래피 및 에칭을 포함한 종래의 증착 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 게이트 전극(404) 위에는 게이트 유전체층(gate dielectric layer; 406)이 증착될 수 있다. 게이트 유전체층(406)은 실리콘 디옥사이드, 실리콘 산질화물, 실리콘 질화물 또는 이의 조합을 포함할 수 있다. 게이트 유전체층(406)은 플라즈마 향상 화학 기상 증착(PECVD)을 포함한 잘 알려진 증착 기술에 의해 증착될 수 있다.
게이트 유전체층(406) 위에는 활성 채널(408)(즉, 반도체층)이 도 4b에서 도시된 것처럼 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 활성 채널(408)이 어닐링된다. 다른 실시예에서, 활성 채널(408)은 플라즈마 처리에 노출된다. 어닐링 및/또는 플라즈마 처리는 활성 채널(408)의 이동성을 증가시킬 수 있다. 활성 채널(408)은 상기 논의된 것처럼, 아연, 산소 및 질소를 가진 3성분계 화합물을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 3성분계 화합물은 알루미늄으로 도핑된다. 활성 채널(408)이 증착되었다면, 소스-드레인층(410)은 도 4c에서 도시된 것처럼 활성 채널(408) 위에 증착될 수 있다. 일 실시예에서, 소스-드레인층(410)은 알루미늄, 텅스텐, 몰리브덴, 크롬, 탄탈륨 및 이의 조합과 같은 금속을 포함할 수 있다. 활성 채널(408) 및 소스-드레인 전극을 형성하기 위해, 소스-드레인층(410) 및 활성 채널(408) 모두 에칭될 수 있다.
도 4d에서 도시된 것처럼, 마스크(412)는 소스-드레인층(410) 상에 배치될 수 있다. 마스크(412)는 예정된 패턴을 가질 수 있다. 마스크(412)는 패턴 현상(development)이 뒤따르는 포토레지스트 증착을 포함한 종래 기술에 의해 소스-드레인층(410) 상에 배치될 수 있다.
활성 채널(408) 및 소스-드레인층(410)은 도 4e에서 도시된 것처럼 동시에 에칭될 수 있다. 도 4f는 도 4e의 평면도를 도시한다. 도 4e 및 4f에서 볼 수 있는 것처럼, 활성 채널(408)은 에칭에 의해 노출될 수 있다. 일 실시예에서, 활성 채널(408)은 소스-드레인층(410) 및 활성 채널(408)의 일부분 모두를 습식 에칭함에 의해 노출될 수 있다. 다른 실시예에서, 소스-드레인층(410)은 건식 에칭되고 이후 활성 채널(408)의 일부분의 습식 에칭이 뒤따를 수 있다. 다른 실시예에서, 활성 채널(408)을 에칭함이 없이 소스-드레인층(410)이 에칭될 수 있다. 일 실시예에서, 건식 에칭은 클로르, 산소, 플루오르 또는 이의 조합으로부터 선택된 성분을 포함한 가스로 수행될 수 있다.
활성 채널(408)의 노출 이후, 소스-드레인 전극은 에칭 정지층으로서 활성 채널(408)을 이용하여 소스-드레인층(410)을 건식 에칭함에 의해 형성될 수 있다. 도 4g는 노출된 활성 채널(408)과 형성된 소스 전극(414)과 드레인 전극(416)의 평면도를 도시한다. 활성 채널(408)은 건식 플라즈마 동안 에칭 정지층으로서 기능할 수 있는데, 왜냐하면 아연, 산소 및 질소(그리고 일정한 실시예에서 알루미늄)를 포함한 3성분계 화합물은 플라즈마에 의해 효과적으로 에칭될 수 없기 때문이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에칭 정지 TFT(500)의 개략 단면도이다. 에칭 정지 TFT는 기판(502), 게이트 전극(504), 및 게이트 유전체층(506)을 포함할 수 있다. 에칭 정지 TFT(500)는 도 4a-4g에서 상기에서 도시된 것처럼 바닥부 게이트 TFT와 유사하지만, 에칭 정지부(510)는 소스 전극(512) 및 드레인 전극(514) 사이의 활성 채널(508) 위에 존재할 수 있다. 기판(502), 게이트 전극(504), 게이트 유전체층(506), 활성 채널(508), 소스 전극(512) 및 드레인 전극(514)은 바닥부 게이트 TFT와 관련하여 상기에서 설명된 것과 같을 수 있다. 에칭 정지부(510)는 실리콘 및 하나 이상의 산소 및 질소를 포함한 유전체 물질을 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 상부 게이트 TFT(600)의 개략 단면도이다. 상부 게이트 TFT(600)는 위에 증착된 광 쉴드층(light shielding layer; 604)을 가진 기판(602)을 포함할 수 있다. 유전체층(606)은 광 쉴드층(604) 위에 증착될 수 있다. 소스 전극(608) 및 드레인 전극(610)은 유전체층(606) 위에 증착될 수 있다. 활성 채널층(612)은 소스 전극(608) 및 드레인 전극(610) 위에 증착될 수 있다. 게이트 유전체층(614)은 활성 채널(612) 위에 증착될 수 있고, 게이트 전극(616)은 게이트 유전체층(614) 위에 증착될 수 있다. 기판(602), 게이트 전극(616), 게이트 유전체층(614), 활성 채널(612), 소스 전극(608), 및 드레인 전극(610)을 위한 물질은 바닥부 게이트 TFT와 관련하여 상기에서 설명된 것과 같을 수 있다. 상부 게이트 TFT(600)를 형성하는데 있어서, 채널 및 전극 접촉 구역은 습식 에칭 이후 건식 에칭 또는 습식 에칭에 의해 형성될 수 있다. 이후, 접촉 구역은 에칭 정지층으로서 활성 채널을 이용하여 건식 에칭에 의해 형성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 활성 매트릭스 LCD(700)의 개략도이다. 도 7은 이들 사이에 샌드위치된 액정 물질을 가진 컬러 필터 기판 및 TFT 기판을 도시한다. TFT는 전기장을 생성하는 픽셀 전극으로의 전류를 제어하고, 이에 의해 액정 물질의 배향과 컬러 필터를 통해 전달되는 광의 양을 제어한다. TFTs는 유리 기판 상의 매트릭스에 배열된다. 특별한 픽셀을 어드레스(address) 하도록, 적절한 열(row)이 스위치 온되고, 이후 전하는 정확한 칼럼 아래로 보내진다. 칼럼이 교차하는 다른 열의 모두가 꺼지기(turned off) 때문에, 정해진 픽셀에서 오직 커패시터만이 전하를 받는다. 커패시터는 다음 리프레쉬(refresh) 사이클까지 전하를 지지할 수 있다. 크리스탈로 공급된 전압의 양이 제어된다면, 크리스탈은 일정한 광이 통과하는 것을 가능하게 하기에 충분한 정도로만 언트위스트(untwist)될 수 있다.
도 7에서 도시된 활성 매트릭스 LCD(700)는 TFT(714)에 의해 제어될 수 있다. TFT(714)는 픽셀을 온 또는 오프로 바꿀 수 있다. LCD(700)는 접합 패드(706), 픽셀 전극(708), 저장 커패시터(728), 편광판(702), 기판(704), 정렬층(710), 스페이서(712), 쇼트(short; 716), 시일(seal; 718), 블랙 매트릭스(720), 컬러 필터(724) 및 공통 전극(724)을 포함할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 활성 매트릭스 OLED(800)의 개략도이다. 도 8은 OLED의 방사성 유기층에 인가된 전류의 양을 제어하는 TFT를 도시한다. 활성 매트릭스 OLEDs는 캐소오드, 유기 분자 및 애노드의 전체층을 갖지만, 애노드층은 매트릭스를 형성하는 TFT 배열과 오버레이한다(overlay). TFT 배열 자체는 이미지를 형성하기 위해 어떠한 픽셀이 켜져야 하는지를 결정하는 회로이다. 활성 매트릭스 OLEDs는 패시브-매트릭스 OLEDs보다 낮은 전력을 소비하는데, 왜냐하면 TFT 배열은 외부 회로보다 낮은 전력을 필요로 하기 때문이고, 따라서 큰 디스플레이에 대해 효과적이다. 또한, 활성 매트릭스 OLEDs는 비디오를 위해 적절한 빠른 리프레쉬 속도를 갖는다. 활성 매트릭스 OLEDs는 컴퓨터 모니터, 큰 스크린 TVs, 전자 사인들 및 전자 빌보드들에 이용될 수 있다.
OLED(800)는 픽셀 온 또는 오프를 변환시키는 TFT(802)에 의해 제어될 수 있다. OLED(800)는 TFT(802), 애노드(804), 홀 주입층(806), 이온화층(808), 버퍼층(810), 투명 캐소오드(812), 방사층(814) 및 캡슐화층(816)을 포함한다.
도 9a-9c는 다양한 활성 채널 길이 및 폭에 대한 Vth를 도시한다. 도 9a는 10μm의 폭 및 40μm의 활성 채널 길이에 대한 Vth를 도시한다. 도 9b는 10μm의 폭 및 80μm의 활성 채널 길이에 대한 Vth를 도시한다. 도 9c는 20μm의 폭 및 80μm의 활성 채널 길이에 대한 Vth를 도시한다. 도 9a-9c의 각각에서, 3성분계 활성층은 높은 온-오프 비율 및 높은 전류를 갖는다.
도 10a-10c는 공통 길이 및 폭을 가진 활성 채널에 대한 Vth의 비교를 도시한다. 활성 채널 폭은 40μm이고 폭은 10μm이다. 도 10a는 비결정질 실리콘에 대한 Vth이다. 도 10a는 비결정질 실리콘에 대한 Vth이다. 도 10b는 어닐링 없는 3성분계 화합물이다. 도 10b의 3성분계 화합물 TFT는 10V에서 비결정질 실리콘에 대한 드레인-소스 전류보다 높은 Vg=1에서 드레인-소스 전류를 갖는다. 따라서, 어닐링되지 않은 필름은 비결정질 실리콘보다 약 10배 뛰어나다.
도 10c의 어닐링된 필름은 훨씬 더 낫다. 어닐링된 필름은 어닐링되지 않은 필름과 비교하여 높은 포화 전류(saturation current)를 갖는다. Vd=0.1V에서 어닐링된 필름에 대한 소스-드레인 전류는 Vd=10V에서 비결정질 실리콘 TFT의 전류에 가깝다. 따라서, 어닐링된 필름은 비결정질 실리콘보다 약 100배 더 낫다.
상기 설명된 TFTs의 성능은 활성층 캐리어 농도, 활성층 이동성 및 다른 층들과의 계면에서 활성층의 특성을 변화시킴에 의해 조정되거나 조절될 수 있다. TFTs는 필름 증착 동안 질소 함유 가스 유동 속도를 변화시킴에 의해 조정될 수 있다. 상기에서 언급된 것처럼, 활성층의 스퍼터 증착에 이용되는 질소 함유 가스 대 산소 함유 가스의 비율은 이동성, 캐리어 농도 및 다른 인자들에 영향을 미칠 수 있다. 사용자는 캐리어 농도, 이동성 또는 다른 특성에 대한 예정된 값을 설정할 수 있고, 이후 바람직한 필름 성질을 만들기 위해 질소 대 산소 유동 비율을 조정한다. 이러한 조정은 증착 프로세스의 실시간 제어를 허용하도록 인시츄 측정에 응답하여 일어날 수도 있다.
또한, TFTs는 알루미늄 도핑의 양에 의해 조절될 수 있다. 알루미늄 도핑의 양은 예정될 수 있고, 이에 의해 적절한 조성의 스퍼터링 타겟은 프로세싱 챔버 내에 배치될 수 있다. 또한, TFTs는 다른 필름과의 통합 동안 또는 증착 이후 활성층을 플라즈마 처리 및/또는 어닐링에 의해 조절될 수 있다. 상기 언급된 것처럼, 3성분계 화합물을 열처리하는 것은 필름의 이동성을 증가시킬 수 있다.
아연, 주석, 갈륨, 인듐 및 카드뮴으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 성분과 산소 및 질소를 포함한 TFTs는 비결정질 실리콘으로 만들어진 TFTs를 넘는 증가된 이동성을 갖는다. TFTs의 증가된 이동성은 TFTs가 LCDs에 대해서 뿐만 아니라 다음 세대의 디스플레이인 OLEDs에도 이용 가능하게 한다.
이전의 내용은 본 발명의 실시예들에 관한 것이고, 다른 그리고 추가적인 본 발명의 실시예는 본 발명의 기본 범위로부터 벗어나지 아니한 채 고안될 수 있며, 그 범위는 이하의 청구 범위에 의해 결정된다.
Claims (20)
- 박막 트랜지스터(thin film transistor)로서,
아연, 인듐, 주석, 카드뮴, 갈륨 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 성분과 산소 및 질소를 포함한 반도체층을 포함하는,
박막 트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 박막 트랜지스터는 상부 게이트 박막 트랜지스터인,
박막 트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,
기판;
상기 기판 위에 배치된 게이트 전극;
상기 게이트 전극 위에 배치된 게이트 유전체층;
상기 게이트 유전체층 위에 배치된 상기 반도체층; 및
활성 채널을 형성하기 위해 이격되어 있으며 상기 반도체층 위에 배치된 소스 및 드레인 전극들을 추가로 포함하는,
박막 트랜지스터.
- 제 3 항에 있어서,
상기 활성 채널에서 상기 반도체층 위에 배치된 에칭 정지층(etch stop layer)을 추가로 포함하는,
박막 트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 반도체층이 약 50cm2/V-s보다 큰 이동성을 갖는,
박막 트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 반도체층이 Al, Ca, Si, Ti, Cu, Ge, Ni, Mn, Cr, V, Mg 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 도펀트를 추가로 포함하는,
박막 트랜지스터.
- 박막 트랜지스터 제작 방법으로서,
기판 위에 반도체층을 증착시키는 단계를 포함하고,
상기 반도체층은 아연, 주석, 인듐, 갈륨, 카드뮴 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 성분과 산소 및 질소를 포함하는,
박막 트랜지스터 제작 방법.
- 제 7 항에 있어서,
기판 및 게이트 전극 위에 게이트 유전체층을 증착시키는 단계;
상기 게이트 유전체층 위에 상기 반도체층을 증착시키는 단계;
상기 반도체층 위에 전도층을 증착시키는 단계; 및
소스 및 드레인 전극들과 활성 채널을 형성하기 위해 상기 전도층을 에칭하는 단계를 추가로 포함하는,
박막 트랜지스터 제작 방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 전도층을 증착시키는 단계 이전에 상기 반도체층 위에 에칭 정지층을 증착시키는 단계를 추가로 포함하는,
박막 트랜지스터 제작 방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 반도체층은 Al, Ca, Si, Ti, Cu, Ge, Ni, Mn, Cr, V, Mg 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 도펀트를 추가로 포함하는,
박막 트랜지스터 제작 방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 반도체층은 약 50cm2/V-s보다 큰 이동성을 갖는,
박막 트랜지스터 제작 방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 반도체층을 어닐링하는 단계를 추가로 포함하는,
박막 트랜지스터 제작 방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 반도체층을 증착시키는 단계는, 챔버로 질소 함유 가스 및 산소 함유 가스를 제공하는 단계와 아연, 주석, 인듐, 갈륨, 카드뮴 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 성분을 포함한 타겟을 스퍼터링하는 단계를 포함하는,
박막 트랜지스터 제작 방법.
- 제 13 항에 있어서,
상기 반도체층을 증착시키는 단계 동안 제공되는 질소 함유 가스의 양을 변화시키는 단계를 추가로 포함하는,
박막 트랜지스터 제작 방법.
- 박막 트랜지스터 제작 방법으로서,
기판 위에 반도체층을 증착시키는 단계로서, 상기 반도체층은 채워진 s 및 d 오비탈을 가진 성분, 채워진 f 오비탈을 가진 성분 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 성분과 산소 및 질소를 포함하는, 기판 위에 반도체층을 증착시키는 단계;
상기 반도체층 위에 소스-드레인 전극층을 증착시키는 단계;
활성 채널을 생성하기 위해 상기 소스-드레인 전극층 및 상기 반도체층을 제 1 에칭하는 단계; 및
소스-드레인 전극들을 형성하기 위해 상기 소스-드레인 전극층을 제 2 에칭하는 단계를 포함하는,
박막 트랜지스터 제작 방법.
- 제 15 항에 있어서,
상기 반도체층은 약 50cm2/V-s보다 큰 이동성을 갖는,
박막 트랜지스터 제작 방법.
- 제 15 항에 있어서,
상기 반도체층을 증착시키는 단계 동안 제공되는 질소 함유 가스의 양을 변화시키는 단계를 추가로 포함하는,
박막 트랜지스터 제작 방법.
- 제 15 항에 있어서,
상기 반도체층이 Al, Ca, Si, Ti, Cu, Ge, Ni, Mn, Cr, V, Mg 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 도펀트를 추가로 포함하는,
박막 트랜지스터 제작 방법.
- 제 15 항에 있어서,
상기 반도체층을 어닐링하는 단계를 추가로 포함하는,
박막 트랜지스터 제작 방법.
- 제 15 항에 있어서,
상기 소스-드레인 전극층을 증착시키기 이전에 상기 반도체층의 적어도 일부분 위에 에칭 정지층을 증착시키는 단계를 추가로 포함하는,
박막 트랜지스터 제작 방법.
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