KR20100075026A - 박막 트랜지스터 기판 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
산화물 반도체층의 안정성 및 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 박막 트랜지스터 기판 및 이의 제조 방법이 제공된다. 박막 트랜지스터 기판은, 절연 기판과, 절연 기판 상에 형성되고 첨가 원소를 포함하는 산화물 반도체층과, 산화물 반도체층과 중첩된 게이트 전극과, 산화물 반도체층과 게이트 전극 사이에 개재된 게이트 절연막을 포함하되, 첨가 원소의 산소 결합 에너지는 산화물 반도체층의 주성분(base)을 이루는 원소의 산소 결합 에너지 보다 크다.
박막 트랜지스터 기판, 산화물 반도체
Description
본 발명은 박막 트랜지스터 기판 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산화물 반도체층의 안정성 및 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 박막 트랜지스터 기판 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
액정 표시 장치(Liquid Crystal Display: LCD)는 현재 가장 널리 사용되고 있는 평판 표시 장치(Flat Panel Display: FPD) 중 하나로서, 전극이 형성되어 있는 두 장의 기판과 그 사이에 삽입되어 있는 액정층으로 이루어지며, 전극에 전압을 인가하여 액정층의 액정 분자들을 재배열시킴으로써 투과되는 빛의 양을 조절하여 영상을 표시하는 장치이다.
일반적으로, 액정 표시 장치는 각 화소를 스위칭하기 위한 박막 트랜지스터를 포함한다. 박막 트랜지스터는 스위칭 신호를 인가받는 게이트 전극과, 데이터 전압이 인가되는 소스 전극과, 데이터 전극을 출력하는 드레인 전극을 삼단자로 하여 스위칭 소자를 이룬다. 이러한 박막 트랜지스터는 게이트 전극과 소스 전극 및 드레인 전극 사이에 형성된 액티브층을 포함한다. 이때, 박막 트랜지스터에 포함되 는 액티브층은 비정질 실리콘 또는 다결정 실리콘이 주로 사용된다.
비정질 실리콘 박막 트랜지스터는 비정질 실리콘에 비해 전자 이동도가 높아 구동 속도가 빠르고 출력 전류가 트다는 장점이 있다. 그러나, 다결정 실리콘 박막 트랜지스터는 비용과 균일도 측면에서 비정질 실리콘에 비해 불리하다.
이에, 비정질 실리콘 박막 트랜지스터와 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 장점을 모두 가지고 있는 산화물 반도체층을 포함하는 박막 트랜지스터의 개발이 필요하다. 이러한 산화물 반도체층은 산소 공격자점(oxygen vacancy)의 생성을 줄이고 안정성이 증가된 구조가 개발되어야 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 산화물 반도체층의 안정성 및 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 박막 트랜지스터 기판을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 산화물 반도체층의 안정성 및 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 박막 트랜지스터 기판의 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판은, 절연 기판과, 상기 절연 기판 상에 형성되고 첨가 원소를 포함하는 산화물 반도체층과, 상기 산화물 반도체층과 중첩된 게이트 전극과, 상기 산화물 반도체층과 상기 게이트 전극 사이에 개재된 게이트 절연막을 포함하되, 상기 첨가 원소의 산소 결합 에너지는 상기 산화물 반도체층의 주성분(base)을 이루는 원소의 산소 결합 에너지 보다 크다.
상기 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판의 제조 방법은, 절연 기판 상에 형성되고 첨가 원소를 포함하는 산화물 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 산화물 반도체층과 중첩된 게이트 전극을 형성하는 단계와, 상기 산화물 반도체층과 상기 게이트 전극 사이에 개재된 게이트 절연막을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 첨가 원소의 산소 결합 에너지는 상기 산화물 반도체층의 주성분(base)을 이루는 원소의 산소 결합 에너지 보다 크다.
상기 산화물 반도체층의 주성분은 Zn 및 Sn 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 첨가 원소는 Hf 및 Ta 중 적어도 하나일 수 있다. 상기 산화물 반도체층은 ZnHfO, ZnTaO, SnHfO, SnTaO, ZnSnHfO, ZnSnTaO, ZnSnHfTaO 중 적어도 하나의 구조를 포함할 수 있다. 상기 첨가원소의 산소 결합 에너지는 상기 게이트 절연막의 산소 결합 에너지보다 클 수 있다. 상기 산화물 반도체층 상에 보호막을 더 포함하되, 상기 첨가 원소의 산소 결합 에너지는 상기 보호막의 산소 결합 에너지보다 클 수 있다. 상기 보호막은 SiOx, SiNx, SiON 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발 명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도 1a 및 도 1b를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판에 대하여 상세히 설명한다. 도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판의 배치도이다. 도 1b는 도 1a의 박막 트랜지스터 기판을 A-A'선을 따라 자른 단면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 절연 기판(10) 위에 게이트 신호를 전달하는 게이트 배선(22, 26)이 형성되어 있다. 게이트 배선(22, 26)은 가로 방향으로 뻗어 있는 게이트선(22)과, 게이트선(22)에 연결되어 돌기 형태로 형성된 박막 트랜지스터의 게이트 전극(26)을 포함한다.
그리고 절연 기판(10) 위에는 스토리지 전압을 전달하는 스토리지 배선(27, 28)이 형성되어 있다. 스토리지 배선(27, 28)은 화소 영역을 가로질러 게이트선(22)과 실질적으로 평행하게 형성된 스토리지 선(28)과, 스토리지선(28)에 비해 너비가 넓게 형성되어 스토리지선(28)에 연결된 스토리지 전극(27)을 포함한다.
스토리지 전극(27)은 후술할 화소 전극(82)과 연결된 드레인 전극 확장부(67)와 중첩되어 화소의 전하 보존 능력을 향상시키는 스토리지 커패시터(storage capacitor)를 이룬다. 이와 같은 스토리지 전극(27) 및 스토리지선(28)의 모양 및 배치 등은 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 화소 전극(82)과 게이트선(22)의 중첩으로 발생하는 스토리지 커패시턴스(storage capacitance)가 충분할 경우 스토리지 전극(27) 및 스토리지선(28)은 형성되지 않을 수도 있다.
게이트 배선(22, 26) 및 스토리지 배선(27, 28)은 알루미늄(Al)과 알루미늄 합금 등 알루미늄 계열의 금속, 은(Ag)과 은 합금 등 은 계열의 금속, 구리(Cu)와 구리 합금 등 구리 계열의 금속, 몰리브덴(Mo)과 몰리브덴 합금 등 몰리브덴 계열의 금속, 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 따위로 이루어질 수 있다. 또한, 게이 트 배선(22, 26) 및 스토리지 배선(27, 28)은 물리적 성질이 다른 두 개의 도전막(미도시)을 포함하는 다중막 구조를 가질 수 있다. 이 중 한 도전막은 게이트 배선(22, 26) 및 스토리지 배선(27, 28)의 신호 지연이나 전압 강하를 줄일 수 있도록 낮은 비저항(resistivity)의 금속, 예를 들면 알루미늄 계열 금속, 은 계열 금속, 구리 계열 금속 등으로 이루어진다. 이와는 달리, 다른 도전막은 다른 물질, 특히 산화 아연(ZnO), ITO(indium tin oxide) 및 IZO(indium zinc oxide)와의 접촉 특성이 우수한 물질, 이를테면 몰리브덴 계열 금속, 크롬, 티타늄, 탄탈륨 등으로 이루어진다. 이러한 조합의 좋은 예로는 크롬 하부막과 알루미늄 상부막 및 알루미늄 하부막과 몰리브덴 상부막을 들 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 게이트 배선(22, 26) 및 스토리지 배선(27, 28)은 다양한 여러 가지 금속과 도전체로 만들어질 수 있다.
절연 기판(10) 및 게이트 배선(22, 26)의 위에는 게이트 절연막(30)이 형성되 있다. 게이트 절연막(30)은 산화 규소(SiOx), 질화 규소(SiNx) 또는 산질화 규소(SiON), 등으로 형성될 수 있다. 한편, 게이트 절연막(30)은 막질의 특성을 향상시키기 위하여 3족 원소 또는 5족 원소 등을 도핑하여 사용할 수 있다.
게이트 절연막(30) 위에는 Zn 및 Sn 중 적어도 하나를 주성분으로 하며, 첨가 원소를 포함하는 산화물 반도체층(40)이 형성되어 있다. 여기서, 첨가원소는 예를 들어, Hf, Ta 중 적어도 하나가 포함될 수 있다. 이와 같은 산화물 반도체층(40)은 예를 들어, ZnHfO, ZnTaO, SnHfO, SnTaO, ZnSnHfO, ZnSnTaO, ZnSnHfTaO 중 적어도 하나의 구조를 포함하는 산화물이 사용될 수 있다. 이러한 산화물 반도 체층(40)은 수소화 비정질 규소에 비하여 전하의 유효 이동도(effective mobility)가 2 내지 100배 정도로 뛰어난 반도체 특성을 갖고 있다.
산화물 반도체층(40)은 산소를 포함하는 산화물 구조로 되어 있어, 산화물 반도체층(40)을 이루는 산화물이 환원되어 산화물 반도체층(40) 내의 산소가 결핍될 수 있다. 이와 같이 산화물 반도체층(40) 내의 산소가 결핍되면, 산화물 반도체층(40) 내부에는 산소 공격자점(oxygen vacancy)이 발생된다. 산소 공격자점은 산화물 반도체층(40)의 캐리어(carrier) 농도를 증가시킬 수 있다. 산화물 반도체층(40) 내부의 캐리어 농도가 증가하게 되면, 산화물 반도체층(40)의 전기적 특성이 변하게 된다. 예를 들면, 산화물 박막 트랜지스터의 문턱전압(Vth)이 음의 방향으로 이동하거나, 산화물 반도체층(40)이 도전체로 변화하여 누설 전류가 발생할 수도 있다.
산화물 반도체층(40)은 상층부 및 하층부에 각각 게이트 절연막(30)과 보호막(70)과 접하도록 형성될 수 있다. 이때, 게이트 절연막(30)과 보호막(70)은 산화 규소(SiOx), 질화 규소(SiNx) 또는 산질화 규소(SiON)로 형성될 수 있어, 게이트 절연막(30) 및 보호막(70) 속에 포함된 Si 등의 원소가 산소와 결합함으로써, 산화물 반도체층(40)에 산소 공격자점을 형성할 수 있다.
또한, 산화물 반도체층(40) 상에 각종 화학 물질을 이용하는 공정을 수행하는 과정에서, 화학 물질 등에 의한 산화물 반도체층(40) 내부의 산소가 결핍될 수 있다. 예를 들면, 산화물 반도체층(40)을 형성하고, 산화물 반도체층(40) 상에 소스 전극(65)과 드레인 전극(66)의 형성을 위한 식각 공정을 수행하면서, 식각 가스 로 CF4, CHF3, CH2F2, CH3F, C2F6, SF6, CnFn+4 등에 O2를 혼합하여 사용할 수 있다. 이때, 식각 가스로 인해 산화물 반도체층(40)의 산소가 결핍되어 산소 공격자점을 형성할 수 있다. 따라서, 산화물 반도체층(40)의 산소 결합 구조가 안정화 될 수 있도록 첨가 원소를 선택하여 첨가할 수 있다.
산화물 반도체층(40)에 첨가되는 첨가 원소는 산화물 반도체층(40) 내부의 산소 결합 구조를 강화시킬 수 있는 원소로 선택되어야 한다. 예를 들면, 첨가 원소의 산소 결합 에너지는 산화물 반도체층(40)의 주성분(base)를 이루는 원소의 산소 결합 에너지 보다 크도록 첨가 원소를 선택하여야 한다. 명세서 전반에 걸쳐서, 산소 결합 에너지란, 어떤 원자와 산소 원자 사이의 결합 에너지를 의미한다.
이하, [표 1]은 실온에서 첨가 원소의 산소 결합 에너지를 나타낸다.
[표 1]
| 원소 | 산소 결합 에너지(KJ/mol) |
| Zn | 159 |
| In | 320 |
| Sn | 532 |
| Ga | 354 |
| Si | 398.05 |
| Hf | 590.44 |
| Ta | ~ 800 |
산화물 반도체층(40)의 주성분은 Zn 및 Sn 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 [표 1]을 참조하면, 산화물 반도체층(40)의 주성분인 Zn의 산소 결합 에너지가 159 KJ/mol이고, Sn의 산소 결합 에너지가 532 KJ/mol이 된다. 따라서, 첨가 원소의 산소 결합에너지가 산화물 반도체층(40)의 주성분을 이루는 원소의 산소 결합 에너지보다 크도록 Hf과 Ta를 첨가 원소를 선택할 수 있다.
한편, 게이트 절연막(30) 및 보호막(70)이 산화 규소(SiOx), 질화 규소(SiNx) 또는 산질화 규소(SiON) 등으로 형성될 때, 산화물 반도체층(40)에 Hf, Ta를 첨가 원소로 참가함으로써, 게이트 절연막(30) 및 보호막(70) 속의 Si에 의한 산소 공격자점이 생기는 것을 방지할 수 있다.
또한, 이러한 산화물 반도체층(40)을 구성하는 물질들은 후술하는 데이터 배선(62, 65, 66, 67)과의 오믹 콘택(Ohmic contact) 특성이 좋으므로 별도로 오믹 콘택층을 형성할 필요가 없으므로 공정 시간을 단축할 수 있다. 또한, 산화물 반도체층(40)은 비정질 상태이지만 높은 전하의 유효 이동도를 가지고 있고, 기존 비정질 규소의 제조 공정을 그대로 적용할 수 있어서 대면적 표시 장치에 대하여 적용할 수 있다.
본 실시예의 산화물 박막 트랜지스터의 경우에는 산화물 반도체층(40)과 데이터 배선(62, 65, 66, 67)의 패턴 모양이 서로 상이하다. 그러나, 4매 마스크 공정을 적용하는 경우 산화물 반도체층(40)은 산화물 박막 트랜지스터의 채널 영역을 제외하고는 데이터 배선(62, 65, 66, 67)과 실질적으로 동일한 형상으로 패터닝될 수 있다. 이는 산화물 반도체층(40)과 데이터 배선(62, 65, 66, 67)을 하나의 식각 마스크를 이용하여 패터닝하기 때문이다. 본 실시예에서는 5매 마스크 공정에 의해 제조된 구조를 예시하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 5매 마스크 공정과 다른 공정, 예컨대 3매 또는 4매 마스크 공정을 적용한 경우에도 본 발명의 핵심 사상을 적용하는 것은 당업자에게 자명한 사실이다.
산화물 반도체층(40) 및 게이트 절연막(30) 위에는 데이터 배선(62, 65, 66, 67)이 형성되어 있다. 데이터 배선(62, 65, 66, 67)은 세로 방향으로 형성되어 게이트선(22)과 교차하여 화소를 정의하는 데이터선(62)과, 데이터선(62)으로부터 가지(branch) 형태로 분지되어 산화물 반도체층(40)의 상부까지 연장되어 있는 소스 전극(65)과, 소스 전극(65)과 분리되어 있으며 게이트 전극(26) 또는 산화물 박막 트랜지스터의 채널부를 중심으로 소스 전극(65)과 대향하도록 산화물 반도체층(40) 상부에 형성되어 있는 드레인 전극(66)과, 드레인 전극(66)으로부터 연장되어 스토리지 전극(27)과 중첩하는 넓은 면적의 드레인 전극 확장부(67)를 포함한다.
이러한 데이터 배선(62, 65, 66, 67)은 산화물 반도체층(40)과 직접 접촉하여 오믹 콘택(Ohmic contact)을 형성하는 물질로 구성될 수 있다. 데이터 배선(62, 65, 66, 67)이 산화물 반도체층(40)을 구성하는 물질보다 일함수(work function)가 작은 물질로 이루어지면 두 층간에 오믹 콘택이 이루어질 수 있다.
산화물 반도체층(40)과 오믹 콘택을 이루기 위하여 데이터 배선(62, 65, 66, 67)은 Ni, Co, Ti, Ag, Cu, Mo, Al, Be, Nb, Au, Fe, Se, 또는 Ta 등으로 이루어진 단일막 또는 다중막 구조를 가질 수 있다. 또한 상기 금속에 Ti, Zr, W, Ta, Nb, Pt, Hf, O, N에서 선택된 하나이상의 원소가 포함된 합금도 적용 가능하다.
한편 산화물 반도체층(40)은 Al, Cu, Ag 등의 금속과 직접 접촉할 경우 상호간의 반응 내지는 확산에 의해 이들 금속을 데이터 배선(62, 65, 66, 67)으로 채용한 산화물 박막 트랜지스터의 특성 및/또는 화소 전극(82)으로 일반적으로 사용되는 ITO 또는 IZO 등과의 오믹 콘택 특성이 나빠질 수 있다. 따라서, 데이터 배선(62, 65, 66, 67)을 이중막 또는 삼중막 구조로 형성할 수 있다.
데이터 배선(62, 65, 66, 67)으로 Al 또는 Al에 Nd, Sc, C, Ni, B, Zr, Lu, Cu, Ag 등이 함유된 합금을 적용할 경우, Al 또는 Al 합금의 상부 및/또는 하부에 이종막이 적층된 다층막이 적용될 수 있다. 예를 들면, Mo(Mo 합금)/Al(Al 합금), Ti(Ti 합금)/Al(Al 합금), Ta(Ta 합금)/Al(Al 합금), Ni(Ni 합금)/Al(Al 합금), Co(Co 합금)/Al(Al 합금) 등과 같은 이중막 또는 Ti(Ti 합금)/Al(Al 합금)/Ti(Ti 합금), Ta(Ta 합금)/ Al(Al 합금)/Ta(Ta 합금), Ti(Ti 합금)/Al(Al 합금)/TiN, Ta(Ta 합금)/Al(Al 합금)/TaN, Ni(Ni 합금)/Al(Al 합금)/Ni(Ni 합금), Co(Co 합금)/Al(Al 합금)/Co(Co 합금), Mo(Mo 합금)/Al(Al 합금)/Mo(Mo 합금) 등과 같은 삼중막이 적용될 수 있다. 합금으로 표시된 물질들에는 Mo, W, Nb, Zr, V, O, N 등이 첨가되어 있을 수 있다.
한편 데이터 배선(62, 65, 66, 67)으로 Cu 또는 Cu 합금을 적용할 경우에는, 데이터 배선(62, 65, 66, 67)과 화소 전극(82)과의 오믹 콘택 특성은 큰 문제가 없기 때문에 데이터 배선(62, 65, 66, 67)으로 Cu 또는 Cu 합금막과 산화물 반도체층(40)의 사이에 Mo, Ti 또는 Ta를 포함하는 막이 적용된 이중막이 적용될 수 있다. 예를 들면, Mo(Mo 합금)/Cu, Ti(Ti 합금)/Cu, TiN(TiN 합금)/Cu, Ta(Ta 합금)/Cu, TiOx/Cu 등과 같은 이중막이 적용될 수 있다.
소스 전극(65)은 산화물 반도체층(40)과 적어도 일부분이 중첩되고, 드레인 전극(66)은 산화물 박막 트랜지스터의 채널부를 중심으로 소스 전극(65)과 대향하며 산화물 반도체층(40)과 적어도 일부분이 중첩된다.
드레인 전극 확장부(67)는 스토리지 전극(27)과 중첩되도록 형성되어, 스토 리지 전극(27)과 게이트 절연막(30)을 사이에 두고 스토리지 커패시터를 형성한다. 스토리지 전극(27)을 형성하지 않을 경우 드레인 전극 확장부(27)를 형성하지 않을 수 있다.
데이터 배선(62, 65, 66, 67) 및 이에 의해 노출된 산화물 반도체층(40) 상부에는 보호막(70)이 형성되어 있다. 보호막(70)은 산화물 반도체층(40)과 접촉하기 때문에 게이트 절연막(30)과 마찬가지로, 산화 규소(SiOx), 질화 규소(SiNx) 또는 산질화 규소(SiON), 등으로 형성될 수 있다. 한편, 보호막(70)은 막질의 특성을 향상시키기 위하여 3족 원소 또는 5족 원소 등을 도핑하여 사용할 수 있다.
보호막(70)에는 드레인 전극 확장부(67)를 드러내는 컨택홀(77)이 형성되어 있다. 보호막(70) 위에는 컨택홀(77)을 통하여 드레인 전극(66)과 전기적으로 연결되는 화소 전극(82)이 형성되어 있다. 화소 전극(82)은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide) 등의 투명 도전체 또는 알루미늄 등의 반사성 도전체로 이루어질 수 있다.
데이터 전압이 인가된 화소 전극(82)은 박막 트랜지스터 기판과 대향하는 상부 기판의 공통 전극과 함께 전기장을 생성함으로써 화소 전극(82)과 공통 전극 사이의 액정층의 액정 분자들의 배열을 결정한다.
이하, 도 1a 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판의 제조 방법을 상세히 설명한다. 도 2 내지 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 공정 단면도들이다.
먼저, 도 1a 및 도 2에 도시된 바와 같이, 절연 기판(10) 위에 게이트선(22), 게이트 전극(26), 스토리지 전극(27) 및 스토리지선(28)을 형성한다.
절연 기판(10)은, 예를 들어 소다석회유리(soda lime glass) 또는 보로 실리케이트 유리 등의 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 게이트 배선(22, 26)을 형성하기 위해, 먼저 절연 기판(10) 상에 게이트 배선용 도전막을 형성한다. 이와 같은 게이트 배선용 도전막은 스퍼터링(sputtering) 방법을 이용할 수 있다. 이때, 절연 기판(10)으로 열에 취약한 소다석회유리를 사용하는 경우, 저온 스퍼터링 방식을 이용할 수 있다.
다음으로, 게이트 배선용 도전막을 습식 식각 또는 건식 식각을 이용하여 패터닝하여 게이트 배선(22, 26)을 형성한다. 습식 식각의 경우, 인산, 질산, 초산 등의 식각액을 사용할 수 있다. 또한 건식 식각의 경우, 염소 계열의 식각 가스, 예를 들어 Cl2, BCl3 등을 사용할 수 있다.
다음으로, 도 1a 및 도 3를 참조하면 절연 기판(10), 게이트 배선(22, 26) 위에 플라즈마 강화 화학 기상 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD), 반응성 스퍼터링(reactive sputtering) 등을 이용하여 게이트 절연막(30)을 형성한다.
다음으로, 게이트 절연막(30) 상에 스퍼터링 방법 등을 이용하여 산화물 반도체층(40)을 형성한다. 이와 같은 산화물 반도체층(40)은 본 실시예에서와 같이 후속 공정인 데이터 배선(62, 65, 66, 67) 형성 공정과 분리하여 각각 식각 공정을 수행할 수 있으나, 공정에 사용되는 마스크 수를 줄이기 위하여 산화물 반도체층(40)과 데이터 배선(62, 65, 66, 67)을 동시에 식각할 수도 있다.
게이트 절연막(30) 상에 산화물 반도체 물질을 전체적으로 형성하고, 산화물 반도체 물질을 패터닝하여 산화물 반도체층(40)을 형성한다. 이때, 전술한 바와 같이, 산화물 반도체층(40)은 Zn 및 Sn 중 적어도 하나를 주성분으로 하며, 첨가 원소를 포함할 수 있다. 첨가 원소로는 Hf, Ta 중 적어도 하나가 포함될 수 있다. 산화물 반도체층(40)은 예를 들어, ZnHfO, ZnTaO, SnHfO, SnTaO, ZnSnHfO, ZnSnTaO, ZnSnHfTaO 중 적어도 하나의 구조를 포함하는 산화물이 사용될 수 있다. 이와 같은 구조의 산화물 반도체층(40)은 첨가 원소의 산소 결합 에너지가 산화물 반도체층(40)의 주성분(base)를 이루는 원소의 산소 결합 에너지 보다 크도록 첨가 원소를 선택함으로써, 산화물 반도체층(40) 내부의 산소 결합 구조를 강화시킬 수 있다. 따라서, 식각 과정 중에 발생될 수 있는 산화물 반도체층(40)의 산소 공격자점의 생성을 방지할 수 있게 된다.
도 1a 및 도 4를 참조하면, 게이트 절연막(30) 및 산화물 반도체층(40) 위에 예를 들어 스퍼터링 등의 방법으로 데이터 배선(62, 65, 66, 67)을 형성한다.
게이트 절연막(30) 및 산화물 반도체층(40) 상에 데이터 배선용 도전층을 형성하고, 데이터 배선용 도전층을 식각하여 데이터 배선(62, 65, 66, 67)을 형성한다. 식각 가스로 식각 가스로 CF4, CHF3, CH2F2, CH3F, C2F6, SF6, CnFn+4 등에 O2를 혼합하여 사용할 수 있다. 전술한 바와 같이, 이와 같은 식각 가스는 산화물 반도체 층(40) 속에서 산소를 이탈시키는 작용을 할 수 있기 때문에 산화물 반도체층(40) 내부에 산소 결합 구조를 강화시킬 수 있는 첨가 원소를 첨가하여야 한다.
소스 전극(65) 및 드레인 전극(66)은 게이트 전극(26)을 중심으로 양쪽으로 분리되어 형성되며, 드레인 전극(66)으로부터 연장된 드레인 전극 확장부(67)가 스토리지 전극(27)과 오버랩된다.
다음으로, 도 5에 도시된 바와 같이 PECVD 또는 반응성 스퍼터링 등을 이용하여 보호막(70)을 형성한다. 사진 식각 공정으로 보호막(70)을 패터닝하여, 드레인 전극 확장부(67)을 드러내는 컨택홀(77)을 형성한다.
도 6을 참조하면, 보호막(70) 상에 데이터 배선(62, 65, 66, 67)의 일부와 연결되는 화소 전극용 도전막(81)을 형성한다. 이러한 화소 전극용 도전막(81)은 은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide) 등의 투명 도전체 또는 알루미늄 등의 반사성 도전체로 이루어질 수 있다.
도 6 및 도 1b를 참조하면, 이러한 화소 전극용 도전막(81)을 패터닝하여 화소 전극(82)을 형성한다.
이상의 실시예들에서는 게이트 전극이 산화물 반도체층 아래에 배치된 바텀 게이트 구조(bottom gate structure)에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 게이트 전극이 산화물 반도체층 위에 배치된 탑 게이트 구조(top gate structure)에서도 적용될 수 있다. 이하 도 9 및 도 10을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 탑 게이트 구조를 가지는 박막 트랜지스터 기판에 대하여 설명한다.
이하, 도 7을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판 에 대하여 상세히 설명한다. 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판의 단면도이다.
절연 기판(110)에 산화 규소 또는 질화 규소 등으로 이루어진 버퍼층(112)이 형성된다. 버퍼층(312)은 산화 규소(SiOx), 질화 규소(SiNx) 또는 산질화 규소(SiON), 등으로 형성될 수 있다.
버퍼층(112) 위에는 Zn 및 Sn 중 적어도 하나를 주성분으로 하며, 첨가 원소를 포함하는 산화물 반도체층(120)이 형성되어 있다. 여기서, 첨가원소는 예를 들어, Hf, Ta 중 적어도 하나가 포함될 수 있다. 이와 같은 산화물 반도체층(120)은 예를 들어, ZnHfO, ZnTaO, SnHfO, SnTaO, ZnSnHfO, ZnSnTaO, ZnSnHfTaO 중 적어도 하나의 구조를 포함하는 산화물이 사용될 수 있다.
절연 기판(110) 및 산화물 반도체층(120) 상에 게이트 절연막(130)이 형성된다. 게이트 절연막(130)은 버퍼층(112)과 같이 산화 규소(SiOx), 질화 규소(SiNx) 또는 산질화 규소(SiON), 등으로 형성될 수 있다.
게이트 절연막(130) 상에 산화물 반도체층(120)과 중첩되도록 게이트 전극(144)이 형성된다.
게이트 절연막(130) 및 게이트 전극(144) 상에는 제1 층간 절연막(170)이 형성된다. 제1 층간 절연막(170)은 대개 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 또는 실리콘 산질화막 등을 화학 기상 증착법 등으로 형성할 수 있다. 제1 층간 절연막(170) 및 게이트 절연막(130)에는 게이트 전극(144) 양측에 위치하는 산화물 반도체층(120)의 일부를 노출시키는 한 쌍의 컨택홀(172, 174)이 형성된다.
제1 층간 절연막(170) 위에는 한 쌍의 컨택홀(172, 174)을 통하여 각각 산화물 반도체층(120)과 전기적으로 연결된 소스 전극(182)과 드레인 전극(184)이 형성된다.
소스 전극(182)과 드레인 전극(184) 및 제1 층간 절연막(170) 위에는 평탄화 특성이 우수하며 감광성(photosensitivity)을 가지는 유기 물질 등으로 이루어진 제2 층간 절연막(190)이 형성된다. 예를 들어 제2 층간 절연막(190)은 아크릴 수지 등의 유기 물질을 스핀 코팅(spin coating)법 등으로 형성할 수 있다. 제2 층간 절연막(190) 내에는 드레인 전극(174)을 노출시키는 컨택홀(192)이 형성된다.
제2 층간 절연막(190) 위에는 컨택홀(192)을 통하여 드레인 전극(174)과 전기적으로 연결된 투명한 재질의 화소 전극(195)이 형성된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판의 배치도이다.
도 1b는 도 1a의 박막 트랜지스터 기판을 A-A'선을 따라 자른 단면도이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 공정 단면도들이다.
도 7는 본 발명의 제2 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판의 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 절연 기판 22: 게이트선
26: 게이트 전극 27: 스토리지 전극
28: 스토리지선 30: 게이트 절연막
40: 산화물 반도체층 62: 데이터선
65: 소스 전극 66: 드레인 전극
67: 드레인 전극 확장부 70: 보호막
77: 컨택홀 82: 화소 전극
110: 절연 기판 112: 버퍼층
120: 산화물 반도체층 130: 게이트 절연막
144: 게이트 전극 170: 제1 층간 절연막
172, 174, 192: 컨택홀 182: 소스 전극
184: 드레인 전극 195: 화소 전극
Claims (14)
- 절연 기판;상기 절연 기판 상에 형성되고 첨가 원소를 포함하는 산화물 반도체층;상기 산화물 반도체층과 중첩된 게이트 전극; 및상기 산화물 반도체층과 상기 게이트 전극 사이에 개재된 게이트 절연막을 포함하되,상기 첨가 원소의 산소 결합 에너지는 상기 산화물 반도체층의 주성분(base)을 이루는 원소의 산소 결합 에너지 보다 큰 박막 트랜지스터 기판.
- 제1 항에 있어서,상기 산화물 반도체층의 주성분은 Zn 및 Sn 중 적어도 하나를 포함하는 박막 트랜지스터 기판.
- 제1 항에 있어서,상기 첨가 원소는 Hf 및 Ta 중 적어도 하나인 박막 트랜지스터 기판.
- 제3 항에 있어서,상기 산화물 반도체층은 ZnHfO, ZnTaO, SnHfO, SnTaO, ZnSnHfO, ZnSnTaO, ZnSnHfTaO 중 적어도 하나의 구조를 포함하는 박막 트랜지스터 기판.
- 제1 항에 있어서,상기 첨가원소의 산소 결합 에너지는 상기 게이트 절연막의 산소 결합 에너지보다 큰 박막 트랜지스터 기판.
- 제1 항에 있어서,상기 산화물 반도체층 상에 보호막을 더 포함하되, 상기 첨가 원소의 산소 결합 에너지는 상기 보호막의 산소 결합 에너지보다 큰 박막 트랜지스터 기판.
- 제6 항에 있어서,상기 보호막은 SiOx, SiNx, SiON 중 적어도 하나를 포함하는 박막 트랜지스터 기판.
- 절연 기판 상에 형성되고 첨가 원소를 포함하는 산화물 반도체층을 형성하는 단계;상기 산화물 반도체층과 중첩된 게이트 전극을 형성하는 단계;상기 산화물 반도체층과 상기 게이트 전극 사이에 개재된 게이트 절연막을 형성하는 단계를 포함하되,상기 첨가 원소의 산소 결합 에너지는 상기 산화물 반도체층의 주성분(base)을 이루는 원소의 산소 결합 에너지 보다 큰 박막 트랜지스터 기판의 제조 방법.
- 제8항에 있어서,상기 산화물 반도체층의 주성분은 Zn 및 Sn 중 적어도 하나를 포함하는 박막 트랜지스터 기판의 제조 방법.
- 제8 항에 있어서,상기 첨가 원소는 Hf 및 Ta 중 적어도 하나인 박막 트랜지스터 기판의 제조 방법.
- 제10 항에 있어서,상기 산화물 반도체층은 ZnHfO, ZnTaO, SnHfO, SnTaO, ZnSnHfO, ZnSnTaO, ZnSnHfTaO 중 적어도 하나의 구조를 포함하는 박막 트랜지스터 기판의 제조 방법.
- 제8 항에 있어서,상기 첨가원소의 산소 결합 에너지는 상기 게이트 절연막의 산소 결합 에너지보다 큰 박막 트랜지스터 기판의 제조 방법.
- 제8 항에 있어서,상기 산화물 반도체층 상에 보호막을 형성하는 단계를 더 포함하되, 상기 첨가 원소의 산소 결합 에너지는 상기 보호막의 산소 결합 에너지보다 큰 박막 트랜 지스터 기판의 제조 방법.
- 제13 항에 있어서,상기 보호막은 SiOx, SiNx, SiON 중 적어도 하나를 포함하는 박막 트랜지스터 기판의 제조 방법.
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