KR20100105194A - Thin film transistor and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 박막 트랜지스터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a thin film transistor and a method of manufacturing the same.
박막 트랜지스터(thin film transistor, TFT)는 다양한 분야에 이용되고 있으며, 특히 액정 표시 장치(liquid crystal display, LCD), 유기 발광 표시 장치(organic light emitting diode display, OLED display) 및 전기 영동 표시 장치(electrophoretic display) 등의 평판 표시 장치에서 스위칭 및 구동 소자로 이용되고 있다. Thin film transistors (TFTs) are used in various fields, and in particular, liquid crystal displays (LCDs), organic light emitting diode displays (OLED displays) and electrophoretic displays (electrophoretic). It is used as a switching and driving element in flat panel displays such as displays.
박막 트랜지스터는 주사 신호를 전달하는 게이트선에 연결되어 있는 게이트전극, 화소 전극에 인가될 신호를 전달하는 데이터선에 연결되어 있는 소스 전극, 소스 전극과 마주하는 드레인 전극, 그리고 소스 전극 및 드레인 전극에 전기적으로 연결되어 있는 반도체를 포함한다.The thin film transistor includes a gate electrode connected to a gate line transferring a scan signal, a source electrode connected to a data line transferring a signal to be applied to the pixel electrode, a drain electrode facing the source electrode, and a source electrode and a drain electrode. It includes a semiconductor that is electrically connected.
이 중 반도체는 박막 트랜지스터의 특성을 결정하는 중요한 요소이다. 이러한 반도체로는 규소(Si)가 가장 많이 사용되고 있으며 그 결정 형태에 따라 크게 비결정(amorphous), 다결정(polycrystalline) 및 미세 결정(microcrystalline)의 반도체 박막으로 나눌 수 있다.Among them, the semiconductor is an important factor in determining the characteristics of the thin film transistor. Silicon (Si) is most commonly used as such a semiconductor and can be roughly divided into amorphous, polycrystalline, and microcrystalline semiconductor thin films according to its crystal form.
수소화된 비결정질 실리콘은 능동 매트릭스 액정 디스플레이용 박막 트랜지스터(TFT)에서 활성층으로 널리 사용되고 있다. 그 이유는, 플라즈마 강화 화학 기상 증착법(plasma enhanced chemical vapour deposition, PECVD)에 의해 상기 수소화 비결정질 실리콘 박막을 넓은 면적에 걸쳐 균일하게 증착할 수 있기 때문이다. 그러나 비결정질 구조로 인해, 매우 낮은 운반자 이동도(carrier mobility)를 갖는데, 이것은 디바이스의 스위칭 속도를 감소시키고, 디스플레이 구동기 회로에서 이러한 트랜지스터의 사용을 방해한다. 또한 비결정질 실리콘 TFT는 비정질 실리콘이 가지고 있는 다수의 트랩(trap state)과 불완전한 수소의 패시베이션(passivation)으로 인해 전류 이동도 및 문턱 전압(Vth)과 같은 동작특성이 시간에 따라 크게 변하는 문제가 있어 트랜지스터를 장시간 구동하여야하는 유기발광 다이오드의 구동소자로 사용하는데 제한이 따른다.Hydrogenated amorphous silicon is widely used as an active layer in thin film transistors (TFTs) for active matrix liquid crystal displays. The reason is that the hydrogenated amorphous silicon thin film can be uniformly deposited over a large area by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). However, due to the amorphous structure, it has very low carrier mobility, which reduces the switching speed of the device and hinders the use of such transistors in the display driver circuit. In addition, the amorphous silicon TFT has a problem that operating characteristics such as current mobility and threshold voltage (V th ) vary greatly with time due to a large number of trap states and passivation of incomplete hydrogen. There is a limitation in using the transistor as a driving element of an organic light emitting diode that needs to be driven for a long time.
이러한 수소화된 비결정질 실리콘에 비해 기존의 저온 다결정 실리콘(LTPS) 에서는 문턱전압(Vth) 변동(shift) 문제는 적지만, 위치별 임계값 전압 차이가 발생하여 휘도 불균일 문제가 적지 않았다. 이것은 주로 결정화를 위한 엑시머 레이져(excimer laser)에 의한 열처리(annealing) 불균일성으로 인해 줄무늬(mura)가 매우 심한 수준이다. 보편적으로 픽셀(pixel) 보상회로를 통하여 불균일을 개선하고 있으나 때로는 보상한계를 벗어남으로써 공정마진을 매우 좁게 가져가야 되는 어려움이 있다. 이때 엑시머 레이져를 사용하지 않고 열처리 하는 방법이 나오면서 불균일 문제 해결 때문에 다시 조명을 받게 되었다. 비레이져(non-laser) 방식으로는 고상결정화(solid phase crystallization (SPC)), 금속촉매측방결정화(metal-induced lateral crystallization, MILC), 금속촉매 결정화(metal-induced crystallization,MIC) 방법 등이 있다. 하지만 이러한 방식은 레이져 기반의 TFT에 비해 랜덤 줄무늬(random mura)가 매우 심한 수준이다. 보편적으로 픽셀(pixel) 보상회로를 통하여 불균일을 개선하고 있으나 때로는 보상한계를 벗어남으로써 공정마진을 매우 좁게 가져가야 되는 어려움이 있다.Compared to the hydrogenated amorphous silicon, the conventional low temperature polycrystalline silicon (LTPS) has a low threshold voltage (Vth) shift problem, but there is no problem of luminance unevenness due to the positional threshold voltage difference. This is a very severe level of mura due to annealing nonuniformity, mainly by excimer laser for crystallization. In general, the pixel compensation circuitry is used to improve the nonuniformity, but sometimes it is difficult to bring the process margin very narrow by deviating from the compensation limit. At this time, the method of heat treatment without using an excimer laser came out again because of the problem of non-uniformity. Non-laser methods include solid phase crystallization (SPC), metal-induced lateral crystallization (MILC), and metal-induced crystallization (MIC). . However, this method has a much higher random mura than laser-based TFTs. In general, the pixel compensation circuitry is used to improve the nonuniformity, but sometimes it is difficult to bring the process margin very narrow by deviating from the compensation limit.
이에 비해 마이크로결정질 실리콘은 결정화되어 있기 때문에 수소화된 비결정질 실리콘에 비해에 따른 동작특성 변화도 작다. 하지만 마이크로 결정질 실리콘을 형성하기 위해서는 높은 온도에서의 공정이나 공정 후처리를 통해 결정화를 일으켜주어야 하기 때문에 이용하는 기판의 제한이 따르고 추가공정이 필요하다. 공정시 Ar, He과 같은 캐리어 가스(carrier gas)의 희석과 높은 수소 함량 때문에 아주 느린 증착 속도를 가진다. 또한 하단 게이트(bottom gate) TFT 구조에서 벌크부분의 이동도가 높지만 실제적인 채널이 형성되는 부분인 하부 게이트 절연막과 다결정 및 마이크로결정질 실리콘 박막 사이의 비정질 인큐베이션(incubation) 층의 형성으로 인해 이동도 저하가 생기고 상기 층과 벌크부분의 그레인 경계(grain boundary)에서의 댕글링 결합(dangling bond) 및 무질서 상태(disordered State) 때문에 TFT의 off state에서 누설 전류 또한 크게 증가하게 된다. On the other hand, since microcrystalline silicon is crystallized, the change in operating characteristics is smaller than that of hydrogenated amorphous silicon. However, in order to form microcrystalline silicon, crystallization must be performed through a high temperature process or post-treatment process, which requires the use of additional substrates. Due to the dilution of carrier gas such as Ar and He and high hydrogen content, the process has a very slow deposition rate. In addition, the mobility is reduced due to the formation of an amorphous incubation layer between the lower gate insulating film and the polycrystalline and microcrystalline silicon thin film in which the bulk portion of the bottom gate TFT structure is high but the actual channel is formed. And dangling bonds at the grain boundary of the layer and the bulk portion and the disordered state also increase the leakage current in the off state of the TFT.
미세 결정질 규소는 나노 내지 마이크로 단위의 미세한 크기를 가지는 복수의 결정을 가지고, 비정질 규소보다 높은 전하 이동도 및 낮은 문턱 전압을 가질 수 있다. The microcrystalline silicon has a plurality of crystals having a fine size of nano to micro units, and may have a higher charge mobility and a lower threshold voltage than amorphous silicon.
그러나 미세 결정질 규소 또한 고온에서 결정화를 수행하는 단계가 필요하기 때문에 사용할 수 있는 기판이 제한되고 여전히 높은 제조 비용이 소요된다. 또한 공정시 사용하는 운반 가스(carrier gas) 및 수소 기체 등으로 인해 느린 증착 속도를 나타내며 게이트 절연막과 미세 결정질 규소 층 사이에 불규칙한 결정 때문에 이동도가 낮아지고 누설 전류가 커질 수 있다. However, microcrystalline silicon also requires a step of performing crystallization at a high temperature, which limits the substrates that can be used and still requires high manufacturing costs. In addition, due to the carrier gas (carrier gas) and hydrogen gas used in the process, it shows a slow deposition rate, and because of the irregular crystal between the gate insulating film and the microcrystalline silicon layer, the mobility may be lowered and the leakage current may be increased.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 미세 결정질 규소를 사용하는 경우에 제조 시간 및 제조 비용을 절감하면서도 전하 이동도를 높이고 누설 전류를 줄이는 것이다.Therefore, the problem to be solved by the present invention is to increase the charge mobility and reduce the leakage current while reducing the manufacturing time and manufacturing cost when using the fine crystalline silicon.
본 발명의 한 실시 예에 따른 박막 트랜지스터의 제조 방법은 게이트 전극을 형성하는 단계, 상기 게이트 전극 위에 게이트 절연막을 형성하는 단계, 상기 게이트 절연막 위에 미세 결정질 반도체를 형성하는 단계, 그리고 상기 미세 결정질 반도체와 전기적으로 연결되어 있으며 서로 마주하는 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 게이트 절연막을 형성하는 단계 및 상기 미세 결정질 반도체를 형성하는 단계 중 적어도 하나는 기판을 플라스마 방전 공간에 배치하는 단계, 상기 플라스마 방전 공간에 상기 게이트 절연막 또는 상기 미세 결정질 반도체를 형성하기 위한 고체 원소 또는 기체 원소를 공급하는 단계, 상기 고체 원 소 또는 상기 기체 원소를 플라스마 입자와 충돌시켜 양이온을 생성하는 단계, 상기 양이온을 중성 입자로 변환하는 단계, 그리고 상기 중성 입자로부터 박막을 형성하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present invention includes forming a gate electrode, forming a gate insulating film on the gate electrode, forming a microcrystalline semiconductor on the gate insulating film, and Forming a source electrode and a drain electrode electrically connected and facing each other, wherein at least one of forming the gate insulating film and forming the microcrystalline semiconductor comprises disposing a substrate in a plasma discharge space; Supplying a solid element or a gas element for forming the gate insulating film or the microcrystalline semiconductor to the plasma discharge space, colliding the solid element or the gas element with plasma particles to generate a cation; Neutral mouth Converting to a ruler, and forming a thin film from the neutral particles.
상기 박막 트랜지스터의 제조 방법은 상기 미세 결정질 반도체를 형성하는 단계 후에 비정질 반도체를 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 비정질 반도체를 형성하는 단계는 상기 플라스마 방전 공간에 상기 비정질 반도체를 형성하기 위한 고체 원소 또는 기체 원소를 공급하는 단계, 상기 고체 원소 또는 상기 기체 원소를 플라스마 입자와 충돌하여 양이온을 생성하는 단계, 상기 양이온을 중성 입자로 변환하는 단계, 그리고 상기 중성 입자로부터 박막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The manufacturing method of the thin film transistor may further include forming an amorphous semiconductor after the forming of the microcrystalline semiconductor, and the forming of the amorphous semiconductor may include a solid element for forming the amorphous semiconductor in the plasma discharge space or Supplying a gaseous element, colliding the solid element or the gaseous element with plasma particles to produce a cation, converting the cation to neutral particles, and forming a thin film from the neutral particles have.
상기 박막 트랜지스터의 제조 방법은 상기 비정질 반도체를 형성하는 단계 후에 불순물 함유 비정질 규소를 포함하는 저항성 접촉층을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 저항성 접촉층을 형성하는 단계는 상기 플라스마 방전 공간에 상기 불순물 함유 비정질 규소를 형성하기 위한 고체 원소 또는 기체 원소를 공급하는 단계, 상기 고체 원소 또는 상기 기체 원소를 플라스마 입자와 충돌하여 양이온을 생성하는 단계, 상기 양이온을 중성 입자로 변환하는 단계, 그리고 상기 중성 입자로부터 박막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The method of manufacturing the thin film transistor may further include forming a resistive contact layer including an impurity-containing amorphous silicon after forming the amorphous semiconductor, and the forming of the resistive contact layer may include forming the resistive contact layer in the plasma discharge space. Supplying a solid element or a gaseous element to form a containing amorphous silicon, colliding the solid element or the gaseous element with plasma particles to produce a cation, converting the cation to neutral particles, and the neutral particle Forming a thin film from the may include.
상기 게이트 절연막을 형성하는 단계, 상기 미세 결정질 반도체를 형성하는 단계, 상기 비정질 반도체를 형성하는 단계 및 상기 저항성 접촉층을 형성하는 단계는 상기 플라스마 방전 공간에서 연속적으로 수행될 수 있다.The forming of the gate insulating layer, the forming of the microcrystalline semiconductor, the forming of the amorphous semiconductor, and the forming of the ohmic contact layer may be continuously performed in the plasma discharge space.
상기 플라스마 방전 공간에 고체 원소를 공급하는 단계는 상기 플라스마를 고체 원소의 타겟에 충돌시켜 상기 고체 원소를 플라스마 방전 공간으로 스퍼터링할 수 있다.The supplying the solid element to the plasma discharge space may impinge the plasma on the target of the solid element to sputter the solid element into the plasma discharge space.
상기 플라스마 방전 공간에 기체 원소를 공급하는 단계는 상기 플라스마 방전 공간으로 기체 원소를 기체 형태로 직접 공급할 수 있다. Supplying a gas element to the plasma discharge space may directly supply a gas element to the plasma discharge space in gaseous form.
상기 양이온을 중성 입자로 변환하는 단계는 상기 양이온을 상기 플라스마 방전 공간에 배치되어 있는 금속판으로 유도하는 단계, 그리고 상기 금속판과 상기 양이온의 충돌에 의해 상기 양이온을 상기 중성 입자로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.Converting the cations to neutral particles includes inducing the cations to a metal plate disposed in the plasma discharge space, and converting the cations to the neutral particles by collision of the metal plate with the cations. Can be.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 박막 트랜지스터는 게이트 전극, 상기 게이트 전극과 중첩하는 미세 결정질 반도체, 상기 미세 결정질 반도체 위에 형성되어 있는 비정질 반도체, 그리고 상기 비정질 반도체 위에 형성되어 있는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함한다.A thin film transistor according to another embodiment of the present invention includes a gate electrode, a microcrystalline semiconductor overlapping the gate electrode, an amorphous semiconductor formed on the microcrystalline semiconductor, and a source electrode and a drain electrode formed on the amorphous semiconductor. do.
상기 박막 트랜지스터는 상기 비정질 반도체와 상기 소스 전극 사이 및 상기 비정질 반도체와 상기 드레인 전극 사이에 위치하는 저항성 접촉층을 더 포함할 수 있다.The thin film transistor may further include an ohmic contact layer disposed between the amorphous semiconductor and the source electrode and between the amorphous semiconductor and the drain electrode.
본 발명에서는 반도체를 결정화하기 위한 별도의 고온의 열처리가 필요 없이 미세 결정질 반도체를 형성할 수 있으며, 에너지량을 조절하여 마이크로 단위보다 작은 나노 단위의 결정질 반도체를 형성할 수 있다. 또한 박막 전체를 통하여 보다 균일한 그레인을 가지는 미세 결정질 반도체를 형성할 수 있어서 그레인 크기에 의해 전하 이동도가 불규칙하게 변화하는 것을 방지하여 영역에 따라 박막 트랜지스터의 특성이 상이하지는 것을 방지할 수 있다. 또한 박막 전체를 통하여 동일한 에너지를 가진 중성 입자로부터 박막이 형성되므로 게이트 절연막과의 계면에 형성되는 미세 결정질 또한 균일한 크기의 그레인이 형성될 수 있으므로 게이트 절연막과 미세 결정질 규소 사이에 인큐베이션 층이 거의 형성되지 않음을 알 수 있다. 이에 따라 상기와 같이 제조된 미세 결정질 반도체는 균일한 박막 트랜지스터 특성을 나타낼 수 있고 그에 따라 안정한 전기적 특성을 나타낼 수 있을 뿐만 아니라, 비정질 규소를 사용한 경우보다 높은 전하 이동도 및 낮은 문턱 전압을 가지는 박막 트랜지스터를 제작할 수 있다.In the present invention, it is possible to form a fine crystalline semiconductor without the need for a separate high temperature heat treatment to crystallize the semiconductor, it is possible to form a crystalline semiconductor of nano units smaller than the micro unit by controlling the amount of energy. In addition, it is possible to form a fine crystalline semiconductor having more uniform grains through the entire thin film, thereby preventing the charge mobility from changing irregularly by grain size, thereby preventing the characteristics of the thin film transistors from region to region. In addition, since the thin film is formed from neutral particles having the same energy through the entire thin film, fine crystals formed at the interface with the gate insulating film may also have grains of uniform size, and thus an incubation layer is almost formed between the gate insulating film and the microcrystalline silicon. It can be seen that. Accordingly, the microcrystalline semiconductor fabricated as described above may exhibit uniform thin film transistor characteristics, thereby exhibiting stable electrical characteristics, and a thin film transistor having a higher charge mobility and a lower threshold voltage than using amorphous silicon. Can be produced.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.In the drawings, the thickness of layers, films, panels, regions, etc., are exaggerated for clarity. Like parts are designated by like reference numerals throughout the specification. Whenever a portion of a layer, film, region, plate, or the like is referred to as being "on" another portion, it includes not only the case where it is "directly on" another portion, but also the case where there is another portion in between. On the contrary, when a part is "just above" another part, there is no other part in the middle.
그러면 도 1을 참고로 하여 본 발명의 한 실시 예에 따른 박막 트랜지스터에 대하여 설명한다.Next, a thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1.
도 1은 본 발명의 한 실시 예에 따른 박막 트랜지스터를 개략적으로 보여주는 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a thin film transistor according to an exemplary embodiment.
도 1을 참고하면, 본 발명의 한 실시 예에 따른 박막 트랜지스터는 투명한 유리, 플라스틱 또는 실리콘 따위로 만들어진 기판(10) 위에 게이트 전극(20)이 형성되어 있다. 게이트 전극(20)은 알루미늄(Al)과 알루미늄 합금 등의 알루미늄 계열의 금속, 은(Ag)과 은 합금 등의 은 계열의 금속, 금(Au)과 금 합금 등의 금 계열 금속, 구리(Cu)와 구리 합금 등의 구리 계열의 금속, 몰리브덴(Mo)과 몰리브덴 합금 등의 몰리브덴 계열의 금속, 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 등으로 만들어질 수 있다.Referring to FIG. 1, in the thin film transistor according to the exemplary embodiment, the
게이트 전극(20) 위에는 기판 전면을 덮는 게이트 절연막(30)이 형성되어 있다. 게이트 절연막(30)은 질화규소(SiNx) 또는 산화규소(SiO2) 등으로 만들어질 수 있다.A
게이트 절연막(30) 위에는 게이트 전극(20)과 중첩하는 하부 반도체(40)와상부 반도체(45)가 차례로 형성되어 있다. The
하부 반도체(40)는 미세 결정질 규소(nano-crystalline or micro-crystalline silicon)로 만들어지며, 미세 결정질 규소는 나노 내지 마이크로 단위 의 미세한 크기를 가지는 복수의 결정을 가진다. 하부 반도체(40)는 미세 결정질 규소로 만들어짐으로써 비정질 규소에 비하여 전하 이동도를 높일 수 있어서 전류 특성을 개선할 수 있다.The
상부 반도체(45)는 비정질 규소(amorphous silicon)로 만들어지며, 하부 반도체(40) 위에 형성되어 오프(off) 상태에서 미세 결정질 규소로 만들어진 하부 반도체(40)로 전하가 과도하게 흐르는 것을 제어하여 누설 전류를 줄일 수 있다. The
상부 반도체(45) 위에는 서로 마주하는 소스 전극(60) 및 드레인 전극(70)이 형성되어 있다. 소스 전극(60) 및 드레인 전극(70)은 게이트 전극(20)과 마찬가지로 알루미늄(Al)과 알루미늄 합금 등의 알루미늄 계열의 금속, 은(Ag)과 은 합금 등의 은 계열의 금속, 금(Au)과 금 합금 등의 금 계열 금속, 구리(Cu)와 구리 합금 등의 구리 계열의 금속, 몰리브덴(Mo)과 몰리브덴 합금 등의 몰리브덴 계열의 금속, 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 등으로 만들어질 수 있다. 소스 전극(60) 및 드레인 전극(70)은 온(on) 상태에서 상부 반도체(45) 및 하부 반도체(40)와 전기적으로 연결되어 있다. The
소스 전극(60)과 상부 반도체(45) 사이 및 드레인 전극(70)과 상부 반도체 (45) 사이에는 저항성 접촉층(50)이 형성되어 있다. 저항성 접촉층(50)은 인(P) 또는 붕소(B) 따위의 불순물이 함유되어 있는 비정질 규소로 만들어질 수 있으며, 소스 전극(60)과 상부 반도체(45) 사이 및 드레인 전극(70)과 상부 반도체(45) 사이에 위치하여 이들 사이의 접촉 저항을 낮추어준다.An
박막 트랜지스터의 채널(Q)은 소스 전극(60)과 드레인 전극(70) 사이의 하 부 반도체(40)에 형성된다. The channel Q of the thin film transistor is formed in the
그러면 도 1의 박막 트랜지스터를 제조하는 방법에 대하여 도 2a 내지 도 3을 참조하여 설명한다.Next, a method of manufacturing the thin film transistor of FIG. 1 will be described with reference to FIGS. 2A to 3.
도 2a 내지 도 2e는 도 1의 박막 트랜지스터를 제조하는 방법을 차례로 보여주는 단면도이고, 도 3은 도 1의 박막 트랜지스터를 제조하는데 사용되는 중성 입자 빔 장치를 보여주는 개략도이다.2A through 2E are cross-sectional views sequentially illustrating a method of manufacturing the thin film transistor of FIG. 1, and FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a neutral particle beam apparatus used to manufacture the thin film transistor of FIG. 1.
먼저 도 3을 참고하여 본 발명에 따른 박막 트랜지스터를 제조할 때 사용하는 중성 입자 빔 장치에 대하여 설명한다.First, the neutral particle beam apparatus used when manufacturing the thin film transistor according to the present invention will be described with reference to FIG. 3.
도 3을 참고하면, 중성 입자 빔 장치는 플라스마 방전 공간인 소정 크기의 챔버(101)를 포함한다. Referring to FIG. 3, the neutral particle beam apparatus includes a
챔버(101)의 한 측면에는 고체 원소 타겟(102)이 배치되어 있고, 고체 원소 타겟(102)은 금속 따위로 만들어진 플레이트 위에 고체 원소가 도포되어 있으며 여기에 소정의 바이어스가 인가된다. A
챔버(101)의 다른 측면에는 기체 공급구(103)가 배치되어 있고, 기체 공급구(103)는 플라스마 형성을 위한 기체 또는 기체 원소를 공급하는 소스 기체 따위가 공급될 수 있다.The
챔버(101)의 상단에는 금속판(104)이 배치되어 있다. 금속판(104)은 스테인레스 등으로 만들어질 수 있으며, 소정의 바이어스가 인가되어 플라스마 입자로부터 중성 입자를 생성한다.The
챔버(101)의 하단에는 기판을 지지하기 위한 지지대(106)가 배치되어 있다. At the lower end of the
챔버(101) 내에는 복수의 자석 어레이 리미터(magnetic array limiter)(105)가 배치되어 있다. 자석 어레이 리미터(105)는 플라스마 방전 공간에 존재하는 전자 및 다른 이온들이 기판 측으로 접근하는 것을 차단하고 중성 입자를 선택적으로 기판 쪽으로 보내는 역할을 한다.A plurality of
그러면 상기 중성 입자 빔 장치를 사용하여 기판 위에 박막을 형성하는 방법에 대하여 설명한다. 여기서 박막은 도 1의 게이트 절연막(30), 미세 결정질 규소로 만들어진 하부 반도체(40), 비정질 규소로 만들어진 상부 반도체(45) 및 불순물이 함유되어 있는 비정질 규소로 만들어진 저항성 접촉층(50)일 수 있으며, 상술한 중성 입자 빔 장치에서 이들 중에서 선택된 하나 이상을 형성할 수 있다.Next, a method of forming a thin film on a substrate using the neutral particle beam device will be described. The thin film may be the
도 2a를 참고하면, 절연 기판(10) 위에 도전층을 적층하고 사진 식각하여 소정 패턴의 게이트 전극(20)을 형성한다.Referring to FIG. 2A, a conductive layer is stacked on the insulating
이어서 게이트 전극(20)이 형성되어 있는 기판(110)을 도 3에 도시한 중성 입자 빔 장치 내의 지지대(106) 위에 배치한다.Subsequently, the
이어서 기체 공급구(103)를 통하여 챔버(101) 내로 플라스마 생성을 위한 기체를 공급한다. 기체는 챔버(101) 내에서 플라스마 방전되어 플라스마 입자를 생성한다. Subsequently, gas for plasma generation is supplied into the
이어서 기체 공급구(103)를 통하여 기체 원소를 포함하는 소스 기체를 공급한다. 게이트 절연막(30)으로서 질화규소(SiNx)를 형성하는 경우, 소스 기체로 규소 함유 기체 및 질소 함유 기체를 공급하고 이 때 수소 기체(H2), 질소 기체(N2) 및 기타 비활성 기체를 함께 공급할 수 있다. 여기서 규소 함유 기체는 예컨대 실란(SiH4)일 수 있으며 질소 함유 기체는 예컨대 암모니아 기체(NH3)일 수 있다. Subsequently, a source gas containing a gas element is supplied through the
상기 기체 원소를 포함하는 소스 기체는 챔버(101) 내에서 플라스마 입자와 충돌하여 양이온으로 된다. 이러한 양이온은 음의 바이어스가 인가된 금속판(104)으로 유도될 수 있다. 이 때 금속판(104)에는 약 10 내지 100V의 음의 바이어스가 인가될 수 있다. 양이온은 금속판(104)에 충돌하여 금속판(104)으로부터 에너지를 받아 중성 입자로 된다. The source gas containing the gas element collides with the plasma particles in the
중성 입자는 복수의 자석 어레이 리미터(105) 사이를 통과하여 기판 쪽으로 이동하고 지지대(106) 위에 배치되어 있는 기판(110)의 표면과 접촉하여 박막이 형성된다. The neutral particles move through the plurality of
이 때 자석 어레이 리미터(105)는 자기장을 형성함으로써 플라스마 방전 공간에 존재하는 전자 및 다른 이온들이 기판 측으로 접근하는 것을 차단하고 중성 입자만을 선택적으로 기판 쪽으로 보낼 수 있다.At this time, the
이에 따라 도 2b에 도시한 바와 같이, 게이트 전극(20) 위에 게이트 절연막(30)이 형성된다.Accordingly, as shown in FIG. 2B, the
다음, 연속 공정으로 반도체를 형성한다.Next, a semiconductor is formed by a continuous process.
반도체는 고체 원소 또는 기체 원소를 공급하여 수행할 수 있다.The semiconductor can be performed by supplying a solid element or a gas element.
먼저 고체 원소를 공급하는 경우부터 설명한다.First, the case of supplying a solid element will be described.
상술한 방법으로 게이트 절연막(30)이 형성되어 있는 기판(110)을 지지 대(106) 위에 배치한다. 이어서 기체 공급구(103)를 통하여 플라스마 형성을 위한 기체를 챔버(101) 내로 공급한다. 기체는 챔버(101) 내에서 플라스마 방전되어 플라스마 입자로 전환한다. 플라스마 입자는 음의 바이어스가 인가된 고체 원소 타겟(102)으로 유도된다. 이 때 고체 원소는 규소(Si)일 수 있으며, 고체 원소 타겟(102)에는 약 500V의 음의 바이어스가 인가될 수 있다. By the above-described method, the
플라스마 입자는 고체 원소 타겟(102)과 충돌하여 고체 원소 양이온을 생성하고, 고체 원소 양이온은 플라스마 방전 공간으로 스퍼터링된다. 스퍼터링된 고체 원소 양이온은 음의 바이어스가 인가된 금속판(104)으로 유도될 수 있다. 이 때 금속판(104)에는 약 10 내지 100V의 음의 바이어스가 인가될 수 있다. 양이온은 금속판(104)과 충돌하여 금속판(104)으로부터 에너지를 받아 중성 입자로 된다.The plasma particles collide with the
중성 입자는 복수의 자석 어레이 리미터(105) 사이를 통과하여 기판 쪽으로 이동하고 지지대(106) 위에 배치되어 있는 기판(110)의 표면과 접촉하여 박막이 형성된다. The neutral particles move through the plurality of
이에 따라 도 2c에 도시한 바와 같이, 게이트 절연막(30) 위에 미세 결정질규소로 만들어진 하부 반도체(40)가 형성된다.As a result, as shown in FIG. 2C, a
반도체를 기체 원소를 공급하여 수행하는 경우에는 전술한 게이트 절연막(30)과 동일하게 수행된다. 다만, 이 때 기체 원소를 포함하는 소스 기체는 규소 함유 기체를 수소 기체(H2), 질소 기체(N2) 및 기타 비활성 기체를 함께 공급할 수 있다. 여기서 규소 함유 기체는 예컨대 실란(SiH4)일 수 있다.When the semiconductor is supplied by supplying a gas element, the semiconductor is performed in the same manner as the
이어서, 도 2d에 도시한 바와 같이, 하부 반도체(40) 위에 상부 반도체(45)를 형성한다. 상부 반도체(45)는 하부 반도체(40)와 상술한 바와 같은 동일한 방법으로 형성되나, 하부 반도체(40)는 미세 결정질 규소로 만들어지고 상부 반도체(45)는 비정질 규소로 만들어진다. 하부 반도체(40)와 상부 반도체(45)는 모두 규소를 포함하지만 하부 반도체(40)는 상부 반도체(45)보다 높은 에너지를 공급하여 미세 결정질 규소로 만들어지고 상부 반도체(45)는 그보다 낮은 에너지를 공급하여 비정질 형태의 규소로 만들어진다.Next, as shown in FIG. 2D, the
다음 도 2e를 참고하면, 상부 반도체(45) 위에 인(P) 또는 붕소(B) 등의 불순물이 포함되어 있는 규소를 적층하여 저항성 접촉층(50)을 형성한다.Next, referring to FIG. 2E, an
저항성 접촉층(50) 또한 플라스마 방전 공간에서 상술한 방법과 같이 수행하나, 이 때 기체 원소를 포함하는 소스 기체는 규소 함유 기체 및 불순물 함유 기체를 수소 기체(H2), 질소 기체(N2) 및 기타 비활성 기체를 함께 공급할 수 있다. 여기서 규소 함유 기체는 예컨대 실란(SiH4)일 수 있으며 불순물 함유 기체는 예컨대 포스핀(phosphine, PH3) 또는 보레인(borane, B2H6)일 수 있다.The
상술한 게이트 절연막(30)을 형성하는 단계, 미세 결정질 규소로 만들어진 하부 반도체(40)를 형성하는 단계, 비정질 반도체로 만들어진 상부 반도체(45)를 형성하는 단계 및 불순물이 포함된 규소로 만들어진 저항성 접촉층(50)을 형성하는 단계는 상기 플라스마 방전 공간에서 연속적으로 수행될 수 있다. Forming the
이어서 도 1에 도시한 바와 같이, 저항성 접촉층(50) 위에 도전층을 적층하 고 사진 식각하여 소스 전극(60) 및 드레인 전극(70)을 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 1, the conductive layer is stacked on the
이와 같이, 본 발명에서는 중성 입자 빔 장치에서 바이어스 전압을 조절하면서 중성 입자에 에너지를 공급하여 미세 결정질 반도체를 형성할 수 있으므로, 반도체를 결정화하기 위한 별도의 고온의 열처리가 필요 없다. 또한 에너지량을 조절하여 마이크로 단위보다 작은 나노 단위의 결정질 반도체를 형성할 수 있으며 박막 전체를 통하여 동일한 에너지를 가진 중성 입자로부터 박막이 형성되므로 보다 균일한 그레인(grain)을 가지는 미세 결정질 반도체를 형성할 수있다. 따라서 그레인 크기에 의해 전하 이동도가 불규칙하게 변화하는 것을 방지하여 영역에 따라 박막 트랜지스터의 특성이 상이해지는 것을 방지할 수 있다. As described above, in the present invention, since the neutral particle beam device adjusts the bias voltage and supplies energy to the neutral particles to form the fine crystalline semiconductor, a separate high temperature heat treatment for crystallizing the semiconductor is unnecessary. In addition, the amount of energy can be controlled to form crystalline semiconductors smaller than micro units, and thin films are formed from neutral particles having the same energy throughout the thin film, thereby forming a fine crystalline semiconductor having more uniform grain. Can be. Therefore, it is possible to prevent the charge mobility from being changed irregularly by the grain size, thereby preventing the characteristics of the thin film transistor from being different depending on the region.
또한 도 4를 참고하여 게이트 절연막과 반도체 사이의 계면 특성에 대하여 설명한다.In addition, the interface characteristics between the gate insulating film and the semiconductor will be described with reference to FIG. 4.
도 4는 본 발명에 따른 박막 트랜지스터에서 게이트 절연막과 반도체 사이의 계면을 보여주는 사진이다.4 is a photograph showing an interface between a gate insulating film and a semiconductor in the thin film transistor according to the present invention.
일반적으로 게이트 전극이 반도체의 하부에 형성되는 바텀 게이트(bottom gate) 구조에서 게이트 절연막 위에 다결정 또는 미세 결정질 반도체를 형성한 경우에 반도체 중 게이트 절연막과 맞닿는 부분에 결정화되지 못한 인큐베이션 층(incubation layer)이 존재한다. 반도체 중 게이트 절연막과 맞닿는 부분은 실질적으로 박막 트랜지스터의 채널(Q)이 형성되는 부분이므로 인큐베이션 층에 의해 전하 이동도가 떨어진다.In general, when a polycrystalline or microcrystalline semiconductor is formed on a gate insulating layer in a bottom gate structure in which a gate electrode is formed under the semiconductor, an incubation layer that is not crystallized in a portion of the semiconductor that contacts the gate insulating layer is formed. exist. Since the portion of the semiconductor, which is in contact with the gate insulating layer, is substantially the portion where the channel Q of the thin film transistor is formed, the charge mobility is lowered by the incubation layer.
본 발명에 따른 박막 트랜지스터는 도 4에서 보는 바와 같이 게이트 절연 막(401)과 미세 결정질 규소로 만들어진 하부 반도체(402) 사이의 계면(403) 부근에 존재하는 미세 결정질의 그레인 크기가 하부 반도체(402)의 다른 부분과 크게 차이가 없음을 확인할 수 있다. 즉 본 발명에서는 중성 입자 빔 장치에서 바이어스 전압을 조절하면서 중성 입자에 에너지를 공급하여 미세 결정질 반도 게이트 절연막 및 반도체를 플라스마 방전 공간에서 연속적으로 수행하므로 박막 전체를 통하여 동일한 에너지를 가진 중성 입자로부터 박막이 형성되므로 게이트 절연막과의 계면에 형성되는 미세 결정질 또한 균일한 크기의 그레인이 형성될 수 있으므로 게이트 절연막과 미세 결정질 규소 사이에 인큐베이션 층이 거의 형성되지 않음을 알 수 있다. 이에 따라 상기와 같이 제조된 미세 결정질 반도체는 균일한 박막 트랜지스터 특성을 나타낼 수 있고 그에 따라 안정한 전기적 특성을 나타낼 수 있을 뿐만 아니라, 비정질 규소를 사용한 경우보다 높은 전하 이동도 및 낮은 문턱 전압을 가지는 박막 트랜지스터를 제작할 수 있다.In the thin film transistor according to the present invention, as shown in FIG. 4, the size of the fine crystalline grains present in the vicinity of the
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.
도 1은 본 발명의 한 실시 예에 따른 박막 트랜지스터를 개략적으로 보여주는 단면도이고,1 is a cross-sectional view schematically illustrating a thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
도 2a 내지 도 2e는 도 1의 박막 트랜지스터를 제조하는 방법을 차례로 보여주는 단면도이고, 2A through 2E are cross-sectional views sequentially illustrating a method of manufacturing the thin film transistor of FIG. 1.
도 3은 도 1의 박막 트랜지스터를 제조하는데 사용되는 중성 입자 빔 장치를 보여주는 개략도이고,FIG. 3 is a schematic diagram showing a neutral particle beam apparatus used to manufacture the thin film transistor of FIG. 1,
도 4는 본 발명에 따른 박막 트랜지스터에서 게이트 절연막과 반도체 사이의 계면을 보여주는 사진이다.4 is a photograph showing an interface between a gate insulating film and a semiconductor in the thin film transistor according to the present invention.
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