KR20100112915A - 금속 산화물 박막 형성 방법 및 금속 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 금속 산화물 박막 형성 방법은 챔버 내에 원료가스, 반응가스 및 퍼지가스를 순차적으로 공급하여 기판 상에 제 1 금속 산화물층을 형성하는 단계와, 챔버와 동일한 챔버 내에서 원료가스와 반응가스를 동시에 공급하여 제 1 금속 산화물층 상에 제 2 금속 산화물층을 형성하는 단계를 포함하고, 제 1 금속 산화물층 및 2 금속 산화물층은 동일 재료의 박막인 것을 특징으로 한다.
원자층 증착, 플라즈마 강화 원자층 증착, 금속 유기 화학 증착, 금속 산화물박막, 활성층
Description
본 발명은 금속 산화물 박막 형성 방법 및 금속 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법에 관한 것으로, 원자층 증착법(ALD) 및 금속 유기 화학 기상 증착법(MOCVD)을 이용한 혼합 공정을 통해 우수한 막질의 금속 산화물 박막을 형성하는 금속 산화물 박막 형성 방법 및 금속 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법에 관한 것이다.
최근에는 금속 산화물 박막(예를 들어 산화 아연층(ZnO))을 박막 트랜지스터의 활성층으로 적용하는 시도가 활발히 진행되고 있다. 금속 산화물은 산소 함량에 따라 전도성, 반도체성 및 저항성의 3가지 성질을 모두 구현할 수 있는 물질이다. 종래에는 이러한 금속 산화물 박막을 금속 유기 화학 기상 증착법(MOCVD)을 이용하여 형성하였다. 이때, 금속 유기 화학 기상 증착법(MOCVD)의 경우, 하부층 (예를 들어, 기판) 표면 상태에 따라 민감하게 반응하여 우수한 막질의 금속 산화물 박막을 형성하지 못하는 문제점이 있었다. 이는 금속 유기 화학 기상 증착법(MOCVD)의 경우, 조대한 격자를 갖으며, (110) 또는 (100) 방향으로 성장됨에 따라, 격자와 격자 사이에 큰 공극이 생성되기 때문이다. 또한, 금속 유기 화학 기상 증착법(MOCVD)으로 증착된 산화 아연층(ZnO)의 경우 40nm 내지 50nm의 막질이 좋지 않은 거칠기(roughness)를 보인다. 또한, 막질이 좋지 않은 금속 산화물 박막을 박막 트랜지스터의 활성층으로 사용할 경우, 높은 누설전류(예를 들어, 10-12A), 높은 문턱전압(예를 들어, 15.19V) 및 낮은 이동도(예를 들어, 1.06 cm2/V)의 구동 특성을 보이는 금속 산화물 박막 트랜지스터가 제작되었다. 이를 해결하기 위하여, 플라즈마 세정 또는 습식 세정 공정을 이용하여 상기 기판을 표면처리 한 후, 금속 유기 화학 기상 증착법(MOCVD)을 이용하여 금속 산화물 박막을 형성하였다. 하지만, 전술했던 바와 같이 증착 공정 전에 플라즈마 세정 또는 습식 세정 공정이 추가됨으로써, 전체 공정 시간이 길어지거나 세정 공정을 위한 비용이 발생되는 단점이 있었다.
상기의 문제점을 해결하기 위하여, 원료가스, 반응가스 및 퍼지가스를 순차적으로 공급하는 공정을 통해 먼저 제 1 금속 산화물층을 형성한 후, 상기 챔버와 동일한 챔버 내에서 원료가스와 반응가스를 동시에 공급하여 제 1 금속 산화물층 상에 제 2 금속 산화물층을 형성함으로써, 우수한 막질의 금속 산화물 박막을 형성하는 금속 산화물 박막 형성 방법 및 금속 산화물 박막 트랜지스터의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 금속 산화물 박막 형성 방법은 챔버 내에 원료가스, 반응가스 및 퍼지가스를 순차적으로 공급하여 기판 상에 제 1 금속 산화물층을 형성하는 단계와, 상기 챔버와 동일한 챔버 내에서 원료가스와 반응가스를 동시에 공급하여 제 1 금속 산화물층 상에 제 2 금속 산화물층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제 1 금속 산화물층 및 2 금속 산화물층은 동일 재료의 박막인 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 금속 산화물층은 원자층 증착(ALD) 공정을 이용하여 형성하고, 상기 제 2 금속 산화물층은 유기 화학 기상 증착(MOCVD) 공정을 이용하여 형성한다.
상기 제 1 금속 산화물층은 반응가스를 공급하는 동시에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 강화 원자층 증착(PEALD) 공정을 이용하여 형성한다.
상기 원자층 증착(ALD) 공정은 원료가스를 공급하는 단계와, 상기 원료가스 의 공급을 차단하고, 퍼지가스를 공급하여 원료가스를 퍼지하는 단계와, 퍼지가스의 공급을 차단하고 반응가스를 공급하는 단계와, 반응가스의 공급을 차단하고 퍼지가스를 공급하여 반응가스를 퍼지하는 단계를 일 사이클한다.
상기 일 싸이클을 10회 내지 20회 반복하여 제 1 금속 산화물층을 형성한다.
상기 제 1 금속 산화물층을 형성하는 단계에서, 상기 기판이 150℃ 내지 200℃ 이하의 온도를 유지하도록 가열하는 것이 바람직하다.
상기 제 1 금속 산화물층을 20Å 내지 40Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD) 공정을 이용하여 제 1 금속 산화물층 상에 제 2 금속 산화물층을 형성하는 단계에 있어서, 기판이 120℃ 내지 160℃의 온도를 유지하도록 가열하는 것이 바람직하다.
상기 Zn계 산화물, Sn계 산화물, ln계 산화물, Cd계 산화물, Ga계 산화물, Al계 산화물중 어느 하나를 사용한다.
본 발명에 따른 금속 박막 트랜지스터 제조 방법은 기판 상에 게이트 전극을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극을 포함하는 상기 기판에 게이트 절연막을 형성하는 단계와, 상기 게이트 절연막 상에 소스 및 드레인 전극을 형성하는 단계와, 적어도 상기 소스 및 드레인 전극 상에 원료가스, 반응가스 및 퍼지가스를 순차적으로 공급하여 제 1 금속 산화물층을 형성한 후, 상기 제 1 금속 산화물층 상에 원료가스와 반응가스를 동시에 공급하여 제 2 금속 산화물층을 형성하여 금속 산화물 활성층을 형성한다.
상기 금속 산화물 활성층을 형성하는 단계에 있어서, 성가 제 1 금속 산화물층 및 제 2 금속 산화물층은 동일 재료의 박막인 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 금속 산화물층 및 제 2 금속 산화물층은 동일 챔버 내에서 형성된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 먼저 원료가스, 반응가스 및 퍼지가스를 순차적으로 공급하는 공정을 통해 먼저 제 1 금속 산화물층을 형성한다. 이후, 상기 챔버와 동일한 챔버 내에서 원료가스와 반응가스를 동시에 공급하여 제 1 금속 산화물층 상에 제 2 금속 산화물층을 형성함으로써, 우수한 막질을 갖는 금속 산화물 박막을 형성할 수 있다. 또한, 막질 개선을 위해 별도의 플라즈마 세정 및 습식 세정 공정을 거치지 않아도 되므로 공정의 단순화 및 비용 절감의 효과를 얻을 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막의 형성 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공정 가스 공급 순서 도이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 박막 증착 장치의 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 기판(100) 상에 원자층 증착법(ALD)으로 제 1 금속 산화물층(511)을 형성한 후, 금속 유기 화학 기상 증착법(MOCVD)을 이용하여 제 1금속 산화물층(511) 상에 제 2 금속 산화물층(512)을 형성한다. 이때, 실시예에서는 제 1 금속 산화물층(511)과 제 2 금속 산화물층(512)이 단일 장치에서 동일 챔버(610) 내 공정(In-situ process)로 진행된다. 즉, 원자층 증착(ALD) 공정과 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD) 공정을 동시에 또는 연속적으로 수행하는 장비를 사용한다.
하기에서는 먼저, 도 4를 참조하여 이러한 실시예에 따른 박막 증착 장치에 관해 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이 소정의 반응 공간을 갖는 챔버(610)와, 상기 챔버(610)의 반응 공간 내측에 마련되어 기판(100)이 안착되는 기판 안착 수단(620)과, 상기 기판(100)에 원료가스, 반응가스 및 퍼지가스를 포함하는 공정 가스를 공급하는 가스 분사 수단(630)과, 상기 가스 분사 수단(630)에 각기 원료가스, 반응가스 및 퍼지가스를 공급하기 위한 제 1 내지 제 3 가스 공급 수단(640, 650, 660)을 포함한다. 또한, 상기 챔버(610) 내부를 배기하는 배기 수단(670)을 포함한다.
또한, 이에 한정되지 않고, 도시되지는 않았지만, 상기 챔버(610) 내부를 진공으로 하는 진공 펌프와, 상기 챔버(610) 내부의 기판을 가열하는 가열 수단 및 냉각 수단을 더 포함할 수도 있다. 또한, 챔버(610) 내부에 공급되는 가스를 활성화 시키기 위해 챔버(610) 내측에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생장치가 마 련될 수도 있다. 물론 이에 한정되지 않고, 리모트 플라즈마 장치가 마련되어 상기 가스 분사 수단(630)을 통해 활성화된 반응가스를 챔버(610)에 공급할 수도 있다.
상기 챔버(610)의 일측에는 기판(100)의 로딩과 언로딩을 위한 개폐부(미도시)가 마련된다. 상기의 기판 안착 수단(620)은 복수의 부재로 분리되어 기판(100)을 진공 흡착하거나, 전자기적 특성을 이용하여 기판(100)을 고정할 수도 있다. 또한, 상기 기판 안착 수단(620)은 승강 부재(미도시)가 마련되어 상하 운동을 할 수도 있으며, 그 내측에 기판(100)의 로딩과 언로딩시 사용되는 리프트 핀(미도시)이 마련될 수도 있다.
상기 가스 분사부(630)는 샤워 헤드 형태로 제작될 수도 있고, 인젝트 형태로 제작될 수도 있다. 또한, 상기 가스 분사부(630)는 복수의 부재로 제작되어 각기 서로 다른 가스를 챔버(610) 내에 분사할 수도 있으며, 단일 부재로 제작되어 단일 가스를 챔버(610) 내에 분사할 수도 있다. 즉, 3개의 가스 분사 부재가 마련되어 각기 제 1 내지 제 3 가스 공급 수단(640, 650, 660)에 접속되어 공정 조건에 따라 각 가스 공급 수단(640, 650, 660)의 공정 가스를 챔버(610)에 동시에 공급할 수 있다. 또한, 제 1 내지 제 3 가스 공급 수단(640, 650, 660)에 접속된 단일의 가스 분사 부재(630)를 통해 하나의 공정 가스를 순차적으로 챔버(610)에 공급하거나, 가스 공급 수단(640, 650, 660)의 가스들을 동시에 챔버(610)에 공급할 수도 있다.
상기의 제 1 내지 제 3 가스 공급 수단(640, 650, 660)은 각기 서로 다른 공정 가스를 저장하고, 가스 분사부(630)를 통해 소정의 공정 가스를 챔버(610)에 공 급한다. 본 실시예에서는 ZnO막의 증착을 예시로 설명하기 때문에 상기 제 1 가스 공급 수단(640)에는 Zn를 포함하는 Zn 원료가스가 저장되어 Zn 원료가스를 공급한다. 제 2 가스 공급 수단(650)에는 Zn와 반응하는 반응가스가 저장되어 반응가스를 공급한다. 제 3 가스 공급 수단(660)에는 챔버(610) 내부의 가스를 배기하는 퍼지가스가 저장되어 퍼지가스를 공급한다.
본 실시예에서는 상기 Zn 원료가스로 다이에틸아연(Diethylzinc: DEZ) 및 다이메틸아연(Dimethylzinc: DMZ) 중 적어도 어느 하나를 사용하고, 반응가스로 산소(O2)를 함유하는 가스를 사용한다. 또한, 퍼지가스로 불활성 가스중 하나인 Ar를 사용하는 것이 바람직하다.
하기에서는 상술한 증착 장치를 이용하여 실시예에 따른 금속 산화물 박막 형성 방법을 도 4의 가스 주입 공급 방법을 기초로 하여 설명한다.
먼저, 도 4의 증착 장치 내부로 기판(100)을 로딩시켜 기판 안착 수단(620) 상에 상기 기판(100)을 안착시킨다. 이후, 원자층 증착법(ALD)을 통해 기판(100) 상에 제 1 금속 산화물층(511)을 형성한다. 이때, 원자층 증착법(ALD) 중에 하나인 플라즈마 강화 원자층 증착법(PEALD)을 이용하여 기판(100) 상에 제 1 금속 산화물층(511)을 형성한다.
여기서, 기판(100)으로는 절연성 기판(예를 들어, 유리, 투명 플라스틱, 아크릴, 절연막이 코팅된 스텐레스) 또는 가요성 기판을 사용할 수 있다. 물론 실리콘과 같은 반도체 웨이퍼를 기판(100)으로 사용할 수도 있다. 실시예에서는 기 판(100)으로 유리 기판을 사용한다. 기판(100)에는 소정의 하부 구조물이 형성되어 있을 수 있다. 하부 구조물로는 반도체 소자일 수도 있고, 반도체 박막 패턴일 수도 있다.
제 1 금속 산화물층(511)은 Zn계 산화물, Sn계 산화물, ln계 산화물, Cd계 산화물, Ga계 산화물, Al계 산화물 및 ITO(Indium Tin Oxide) 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 또는 상기 산화물(Zn, Sn, ln, Ga, Cd, Al 계 산화물)들의 화합물 또는 이들의 합금(alloy) 형태(이원계, 삼원계, 사원계) 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 실시예에서는 ZnO막으로 이루어진 제 1 금속 산화물층(511)을 형성한다.
이후, 기판(100)을 150℃ 내지 200℃의 온도로 가열한다. 이때, 상기 범위보다 더 높은 온도에서 제 1 금속 산화물층(511)을 형성하는 경우, 기판(100)이 변형 및 손상을 받게 된다. 그리고, 상기 범위보다 낮은 온도에서 제 1 금속 산화물층(511)을 증착하는 경우에는 제 1 금속 산화물층(511)의 증착율이 급격하게 저하되는 문제가 발생된다. 따라서, 상기와 같은 증착 온도 범위를 유지하여 제 1 금속 산화물층(511)을 증착함으로써, 변형과 같은 기판(100)의 손상을 방지할 수 있다.
이어서, 제 1 가스 공급 수단(640)를 이용하여 원료가스인 다이에틸아연(Diethylzinc: DEZ) 및 다이메틸아연(Dimethylzinc: DMZ) 중 적어도 어느 하나를 챔버(610) 내에 공급하여 기판(100) 상에 흡착시킨다. 그리고, 원료가스의 공급을 차단하고, 제 3 가스 공급 수단(660)의 Ar 가스를 챔버(610)에 공급하여 상기 기판(110) 상에에 흡착되지 않은 원료가스를 외부로 배기한다. 이후, Ar 가스의 공급 을 차단하고, 제 2 가스 공급 수단(650)의 산소(O2) 가스를 챔버(610)에 공급함과 동시에, 챔버(610) 내부에 플라즈마를 발생시킨다. 이로 인해, 기판(110) 상에 흡착된 원료가스와 이를 반응시켜 원자층 단위의 ZnO막을 형성한다. 이때, 제 2 가스 공급 수단(650)을 통해 공급되는 산소(O2) 가스의 일부만이 기판(110) 상에 흡착된 원료가스와 반응하여 원자층 단위의 ZnO막을 형성한다. 그리고, 플라즈마용 전원을 차단하고, 산소(O2) 가스의 공급을 차단한 다음 Ar 가스를 공급하여 챔버(610) 내부의 미반응가스를 챔버(610) 외부로 배기한다.
이와 같이, 본 실시예에서는 원료가스의 분사 단계, 원료가스의 퍼지단계, 반응가스의 분사/플라즈마 발생 단계 및 반응가스의 퍼지 단계를 하나의 사이클로 한다. 이와 같은 사이크클을 10 내지 20회 반복하여 기판(100) 상에 ZnO막으로 이루어진 제 1 금속 산화물층(511)을 형성한다. 여기서, 제 1 금속 산화물층(511)을 20Å 내지 40Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같은 플라즈마 강화 원자층 증착법(PEALD)의 경우, 하부층(예를 들어 유리 기판)과의 계면 에너지 차이와 무관하게 박막이 증착되기 때문에 기판(100) 상에 우수한 막질의 제 1 금속 산화물층(511)이 형성된다. 이때, 제 1 금속 산화물층(511)은 0.5nm 내지 1.0nm의 거칠기(roughness)를 갖는다. 이러한 제 1 금속 산화물층(511)은 후속 공정에서 상기 제 1 금속 산화물층(511) 상에 우수한 막질의 제 2 금속 산화물층(512)을 형성하도록 하는 역할을 한다.
기판(100) 상에 제 1 금속 산화물층(511)을 형성한 다음, 금속 유기 화학 기 상 증착(MOCVD)을 통해 상기 제 1 금속 산화물층(511) 상에 제 2 금속 산화물층(512)을 형성한다. 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD) 공정은 먼저, 제 1 및 제 2 가스 공급 수단(640, 650)의 원료가스와 반응가스의 공급을 차단하고, 기판(100)의 온도를 120℃ 내지 160℃로 유지시킨다. 상기와 같은 증착 온도 범위를 유지하여 제 2 금속 산화물층(512)을 증착함으로써, 기판(100)은 물론 기판(100) 상에 형성된 제 1 금속 산화물층(511)이 열에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다.
이어서, 제 1 및 제 2 가스 공급 수단(640, 650)의 원료가스와 반응가스를 가스 분사 수단(630)을 통해 소정 시간 동시에 공급한다. 이때, 제 3 가스 공급 수단(660)의 Ar 가스의 공급은 차단되어 있는 것이 바람직하다. 여기서, 원료가스로 다이에틸아연(Diethylzinc: DEZ) 및 다이메틸아연(Dimethylzinc: DMZ) 중 적어도 어느 하나를 사용하고, 반응가스로 산소(O2)를 사용하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 다이에틸아연(Diethylzinc: DEZ) 및 다이메틸아연(Dimethylzinc: DMZ) 중 적어도 어느 하나와 반응가스(O2)가 반응하여 제 1 금속 산화물층(511) 상에 ZnO막으로 이루어진 제 2 금속 산화물층(512)이 형성된다. 이때, 제 2 금속 산화물층(512)은 하부에 형성된 제 1 금속 산화물층(511) 상에서 성장됨에 따라, 상기 제 1 금속 산화물층(511)과 동일한 우수 막질을 갖도록 형성된다. 제 2 금속 산화물층(512)의 두께는 200Å 내지 400Å인 것이 바람직하다.
여기서, 전술했던 바와 같이 제 2 금속 산화물층(512)은 플라즈마 강화 원자층 증착법(PEALD)에 의해 제 1 금속 산화물층(511) 상에 형성된다. 이때, 금속 유 기 화학 기상 증착법(MOCVD)에 의해 형성된 제 2 금속 산화물층(512)은 하부층 즉, 제 1 금속 산화물층(511) 상에 형성되므로 우수한 막질의 제 2 금속 산화물층(512)을 형성할 수 있다. 이는, 기판(100) 상면을 제 1 금속 산화물층(511)이 커버하고 있고, 상기 제 1 금속 산화물층(511) 상에 제 2 금속 산화물층(512)이 형성됨에 따라, 상기 제 2 금속 산화물층(512)이 직접 기판(100) 상면과 접촉되지 않기 때문이다. 즉, 기판(100)과 제 2 금속 산화물층(512) 사이에 제 1 금속 산화물층(511)이 배치됨으로써, 상기 기판(100)과 제 2 금속 산화물층(512) 사이의 계면 막질을 향상시킨다. 이와 같은 공정을 통해 제 1 금속 산화물층(511) 및 제 2 금속 산화물층(512)을 포함하는 우수한 막질의 금속 산화물 박막(510)이 형성된다. 또한, 증착 속도가 낮은 플라즈마 강화 원자층 장착법(PEALD)의 단점을 후속 공정인 금속 유기물 화학 기상 증착법(MOCVD)에 의해 보상함으로써, 목표로 하는 두께의 금속 산화물 박막(510)을 형성하는데 소요되는 공정 시간을 단축할 수 있다.
도 5 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 반도체 박막 트랜지스터 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 먼저 기판(100) 상에 게이트 전극(200)과 게이트 절연막(300)을 형성한다. 여기서 기판(100)은 유리, 플리스틱 및 아크릴과 같은 투광성 절연 기판 또는 절연막이 코팅된 스텐레스 기판을 사용할 수 있다. 물론 상기 기판(100)으로 가요성 기판을 사용할 수 있다. 실시예에서는 기판(100)으로 유리 기판을 사용한다. 이러한 기판(100) 상에 먼저 게이트 전극(200)을 형성하기 위한 제 1 도전층을 형성한다. 제 1 도전층은 Si, Mo, Al, Cu, Nd, W, Ti, Au, Ta 및 ITO 와 ZnO를 포함하는 투명 전도성 물질 그리고 이들의 합금 금속 중 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 게이트 전극(200)을 형성하기 위한 제 1 도전층은 상기 재료를 사용하여 CVD, PVD법 및 스퍼터링 방법을 통해 기판(100) 상에 증착하여 형성한다. 물론 제 1 도전층은 전도성 특성과 저항 특성을 고려하여 복수층으로 제작할 수도 있다. 그리고, 상기 제 1 도전층 상에 감광막을 도포한 후, 제 1 마스크를 이용한 리소그라피 공정을 실시하여 제 1 감광막 마스크 패턴을 형성한다. 이후, 제 1 감광막 마스크 패턴을 식각 마스크로 하는 식각 공정을 실시하여 게이트 전극(200)을 형성한다. 이어서, 소정의 스트립 공정을 실시하여 제 1 감광막 마스크 패턴을 제거한다. 이때, 도시되지는 않았지만, 게이트 전극(200)과 연결되는 게이트 라인이 함께 형성되는 것이 바람직하다.
물론 상기 게이트 전극(200)은 쉐도우 마스크를 이용한 스퍼터링을 통해 기판(100) 상에 직접 형성할 수도 있다. 또한, 프린팅 기법을 통해 게이트 전극(200)을 형성할 수도 있다.
이어서, 게이트 전극(200)이 형성된 기판(100) 상에 게이트 절연막(300)을 형성한다. 여기서, 게이트 절연막(300)으로 산화막 및 질화막을 포함하는 무기 절연 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 물론 이에 한정되지 않고, 유기 절연 물질을 사용할 수도 있다. 본 실시예에서는 실리콘 산화막(SiO2)을 사용하여 게이트 절연막(300)을 형성한다.
도 6을 참조하면, 소스 및 드레인 전극(410, 420)을 형성하기 위해 게이트 절연막(300) 상에 제 2 도전층을 형성한다. 이때, 제 2 도전층으로 Cr, Mo, Al, Cu, Nd, W, Ti, Au, Ta 및 ITO를 포함하는 투명 전도성 물질 그리고 이들의 합금 금속 중 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다. 물론 제 2 도전층은 전도성 물질과 저항 특성을 고려하여 복수층으로도 제작할 수도 있다. 이어서, 제 2 도전층 상에 감광막을 도포한 다음, 제 2 마스크를 이용한 리소그라피 공정을 실시하여 제 2 감광막 마스크 패턴을 형성한다. 제 2 감광막 마스크 패턴을 식각 마스크로 하는 식각 공정을 실시하여 소스 및 드레인 적극(410, 420)을 형성한다. 이어서, 소정의 스트립 공정을 실시하여 제 2 감광막 마스크 패턴을 제거한다. 이때, 도시되지는 않았지만, 소스 전극(410)과 연결되는 소스 라인(또는 데이터 라인)이 함께 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 소스 라인은 게이트 라인과 교차하는 것이 효과적이다. 물론 소스 라인의 끝단에는 소스 패드가 형성될 수 있다. 또한, 드레인 전극(420)은 그 일부가 연장되어 패드 형태로 제작될 수 있다. 이때, 상기 패드 형태의 일부가 스토리지 라인과 중첩될 수도 있다.
도 7을 참조하면, 소스 및 드레인 전극(410, 420) 상에 활성층(500)을 형성하기 위한 금속 산화물 박막(510)을 형성한다. 여기서, 금속 산화물 박막(510)은 플라즈마 강화 원자층 증착법(PEALD)으로 소스 및 드레인 전극(410, 420) 상에 증착된 제 1 금속 산화물층(511) 및 금속 유기 화학 기상 증착법(MOCVD)을 통해 제 1 금속 산화물층(511) 상에 증착된 제 2 금속 산화물층(512)을 포함한다. 이때, 제 1 금속 산화물층(511) 및 제 2 금속 산화물층(512)은 단일 장치에서 동일 챔버 내 공정(In-situ process)으로 진행된다. 즉, 실시예의 증착 장치는 플라즈마 강화 원자 층 증착(PEALD) 공정과 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD) 공정을 동시에 또는 연속적으로 수행하는 장비를 사용한다.
제 1 금속 산화물층(511)을 형성하기 위해, 게이트 전극(200) 게이트 절연막(300), 소스 및 드레인 전극(410, 420)이 형성된 기판(100)을 150℃ 내지 200℃의 온도로 가열한다. 그리고, 원료가스, 반응가스 및 퍼지가스를 순차적으로 공급하여 기판(100) 상에 제 1 금속 산화물층(511)을 형성한다. 즉, 챔버 내부에 원료가스를 공급하여 기판(100) 상에 흡착시키고, 퍼지가스를 분사함으로써, 상기 기판(100) 상에 흡착되지 않은 원료가스를 퍼지시킨다. 다음으로, 퍼지가스가 계속적으로 분사되는 상태에서 반응가스를 분사하는 동시에 플라즈마를 발생시킨다. 이로 인해, 기판(100) 상에 흡착된 원료가스와 반응가스가 반응하여 원자층 레벨의 제 1 금속 산화물층(511)을 형성한다. 그리고, 플라즈마용 전원을 차단하고, 반응가스의 공급을 차단한 다음 퍼지가스를 분사하여 잔류하는 반응가스를 퍼지한다. 이때, 원료가스로 다이에틸아연(Diethylzinc: DEZ) 및 다이메틸아연(Dimethylzinc: DMZ) 중 적어도 하나를 사용하고, 반응가스로 산소(O2)를 함유하는 가스를 사용하고, 퍼지가스로 불활성 가스 예를 들어, Ar 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 소스 및 드레인 전극(410, 420) 상에 ZnO막으로 이루어진 제 1 금속 산화물층(511)이 형성된다. 또한, 상기와 같은 싸이클을 10 내지 20회 반복하여 기판(100) 상에 제 1 금속 산화물층(511)을 형성한다. 이때, 제 1 금속 산화물층(511)을 20Å 내지 40Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
도 8을 참조하면, 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD) 공정을 통해 제 1 금속 산화물층(511) 상에 제 2 금속 산화물층(512)을 형성한다. 이를 위해, 원료가스와 반응가스의 공급을 차단하고, 기판(100)의 온도를 120℃ 내지 160℃로 유지시킨다. 그리고, 원료가스와 반응가스를 챔버 내에 소정시간 공급하여 이들 간의 반응에 의해 제 2 금속 산화물층(512)을 형성한다. 이때, 퍼지가스의 공급은 차단되어 있는 것이 바람직하다. 약;사. 원료가스로 다이에틸아연(Diethylzinc: DEZ) 및 다이메틸아연(Dimethylzinc: DMZ) 중 적어도 하나를 사용하고, 반응가스로 산소(O2)를 함유하는 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 제 1 금속 산화물층(511) 상에 ZnO막으로 이루어진 제 2 금속 산화물층(512)이 형성된다. 제 2 금속 산화물층(512)의 두께는 200Å 내지 400Å인 것이 바람직하다. 이와 같이, 금속 유기물 화학 증착법(MOCVD)을 이용하여 제 2 금속 산화물층(512)을 형성하더라도, 우수한 막질의 제 2 금속 산화물층(512)을 형성할 수 있다. 이는, 기판(100) 상면을 제 1 금속 산화물층(511)이 커버하고 있고, 상기 제 1 금속 산화물층(511) 상에 제 2 금속 산화물층(512)이 형성됨에 따라, 상기 제 2 금속 산화물층(512)이 직접 기판(100) 상면과 접촉되지 않기 때문이다.
이와 같이, 실시예에서는 플라즈마 강화 원자층 증착법(PEALD) 및 금속 유기물 화학 기상 증착법(MOCVD)의 혼합 공정을 이용하여 우수한 막질의 금속 산화물 박막(510)을 형성한다. 또한, 플라즈마 강화 원자층 증착법(PEALD)을 이용하여 얇은 두께(예를 들어, 20Å 내지 40Å)로 제 1 금속 산화물층(511)을 형성한 후, 금 속 유기물 화학 기상 증착법(MOCVD)을 이용하여 제 2 금속 산화물층(512)을 형성함으로써, 금속 산화물 박막(510)을 목표로 하는 두께로 형성하는데 소요되는 시간을 단축할 수 있다.
도 9를 참조하면, 금속 산화물 박막(510)을 식각하여 금속 산화물 활성층(500)을 형성한다. 이를 위해 먼저, 금속 산화물 박막(510) 상에 감광막을 도포한다. 이어서, 제 3 마스크를 이용한 리소그라피 공정을 실시하여 제 3 감광막 마스크 패턴을 형성한다. 제 3 감광막 마스크 패턴은 소스 및 드레인 전극(410, 420) 상측의 금속 산화물 박막(510) 상에 위치한다. 즉, 제 3 감광막 마스크 패턴은 소스 및 드레인 전극(410, 420) 상측의 금속 산화물 박막(510)을 차폐하는 형태로 제작된다. 이후, 제 3 감광막 마스크 패턴을 식각 마스크로 하는 식각 공정을 실시하여 노출된 금속 산화물 박막(510)을 제거하여 금속 산화물 활성층(500)을 형성한다. 이어서, 소정의 스트립 공정을 실시하여 제 3 감광막 마스크 패턴을 제거한다.
상술한 본 실시예의 박막 트랜지스터는 표시 패널의 스위칭 소자로 사용될 수 있다. 표시 패널의 스위칭 소자로 사용되는 경우, 박막 트랜지스터를 포함하는 기판(100) 전면에 패시베이션막이 형성되고, 패시베이션막 상에 보호막이 형성된다. 그리고 보호막 상에 화소 전극이 형성된다. 이때, 화소 전극은 보호막과 패시베이션막을 관통하는 관통홀을 통해 드레인 전극(420)에 접속된다.
또한, 본 실시예의 박막 트렌지스터의 제조 방법은 상술한 실시예에 한정되지 않고, 다양한 변형이 가능하다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막 트랜지스터의 Vd-Id를 나타낸 그래프이다. 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막 트랜지서터의 Vg-Id-Ig를 나타낸 그래프이다. 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막(510) 트랜지서터의 Vg-Id1 /2를 나타낸 그래프이다.
도 10을 참조하면, 드레인 전압(Vd)의 증가에 따라 드레인 전류(Id)가 증가된다. 이때, 실시예에 따른 드레인 전류(Id)는 동일 전압 하에서 종래의 드레인 전류에 비하여 높은 값을 보인다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 게이트(200) 전압(Vg)의 증가에 따라 드레인 전류(Id) 및 가 및 게이트 전류(Ig) 증가되며, 이때 누설전류(Leakage current)는 종래에 비하여 낮은 10-13A 이하의 값을 나타낸다. 또한, 문턱전압(treshold voltage: Vth)은 종래에 비하여 낮은 6.47V 값을 보이며, 이동도(mobility, μn)역시 종래에 비하여 우수한 5.37cm/Vs 이다. 이는 먼저 플라즈마 강화 원자층 증착법(PEALD)을 이용하여 소스 및 드레인 전극(410, 420) 상에 제 1 금속 산화물층(511)을 형성함으로써, 제 2 금속 산화물층(512)이 직접 소스 및 드레인 전극(410, 420)과 접촉되지 않기 때문이다. 즉, 소스 및 드레인 전극(410, 420)을 커버하고 있는 제 1 금속 산화물층(511) 상에 제 2 금속 산화물층(512)이 형성됨으로써, 막질이 우수한 활성층(500)이 형성된다. 따라서, 상기와 같이 박막 트랜지스터의 동작 특성이 향상된다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막의 형성 방법을 설명하기 위한 단면도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공정 가스 공급 순서도
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 박막 증착 장치의 단면도
도 5 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 반도체 박막 트랜지스터 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막 트랜지스터의 Vd-Id를 나타낸 그래프
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막 트랜지서터의 Vg-Id-Ig를 나타낸 그래프
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막 트랜지서터의 Vg-Id1 /2를 나타낸 그래프
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 기판 200: 게이트
300: 게이트 절연막 410: 소스 전극
420: 드레인 전극 510: 금속 산화물 박막
511: 제 1 금속 산화물층 512: 제 2 금속 산화물층
Claims (12)
- 챔버 내에 원료가스, 반응가스 및 퍼지가스를 순차적으로 공급하여 기판 상에 제 1 금속 산화물층을 형성하는 단계;상기 챔버와 동일한 챔버 내에서 원료가스와 반응가스를 동시에 공급하여 제 1 금속 산화물층 상에 제 2 금속 산화물층을 형성하는 단계를 포함하고,상기 제 1 금속 산화물층 및 2 금속 산화물층은 동일 재료의 박막인 금속 산화물 박막 형성 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 제 1 금속 산화물층은 원자층 증착(ALD) 공정을 이용하여 형성하고, 상기 제 2 금속 산화물층은 유기 화학 기상 증착(MOCVD) 공정을 이용하여 형성하는 금속 산화물 박막 형성 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 제 1 금속 산화물층은 반응가스를 공급하는 동시에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 강화 원자층 증착(PEALD) 공정을 이용하여 형성하는 금속 산화물 박막 형성 방법.
- 청구항 3에 있어서,상기 원자층 증착(ALD) 공정은 원료가스를 공급하는 단계와, 상기 원료가스의 공급을 차단하고, 퍼지가스를 공급하여 원료가스를 퍼지하는 단계와, 퍼지가스의 공급을 차단하고 반응가스를 공급하는 단계와, 반응가스의 공급을 차단하고 퍼지가스를 공급하여 반응가스를 퍼지하는 단계를 일 사이클하는 금속 산화물 박막 형성 방법.
- 청구항 4에 있어서,상기 일 싸이클을 10회 내지 20회 반복하여 제 1 금속 산화물층을 형성하는 금속 산화물 박막 형성 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 제 1 금속 산화물층을 형성하는 단계에서, 상기 기판이 150℃ 내지 200℃ 이하의 온도를 유지하도록 가열하는 금속 산화물 박막 형성 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 제 1 금속 산화물층을 20Å 내지 40Å의 두께로 형성하는 금속 산화물 박막 형성 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD) 공정을 이용하여 제 1 금속 산화물층 상에 제 2 금속 산화물층을 형성하는 단계에 있어서, 기판이 120℃ 내지 160℃의 온도를 유지하도록 가열하는 금속 산화물 박막 형성 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 Zn계 산화물, Sn계 산화물, ln계 산화물, Cd계 산화물, Ga계 산화물, Al계 산화물중 어느 하나를 사용하는 금속 산화물 박막 형성 방법.
- 기판 상에 게이트 전극을 형성하는 단계;상기 게이트 전극을 포함하는 상기 기판에 게이트 절연막을 형성하는 단계;상기 게이트 절연막 상에 소스 및 드레인 전극을 형성하는 단계;적어도 상기 소스 및 드레인 전극 상에 원료가스, 반응가스 및 퍼지가스를 순차적으로 공급하여 제 1 금속 산화물층을 형성한 후, 상기 제 1 금속 산화물층 상에 원료가스와 반응가스를 동시에 공급하여 제 2 금속 산화물층을 형성하여 금속 산화물 활성층을 형성하는 금속 박막 트랜지스터 제조 방법.
- 청구항 10에 있어서,상기 금속 산화물 활성층을 형성하는 단계에 있어서, 성가 제 1 금속 산화물층 및 제 2 금속 산화물층은 동일 재료의 박막인 금속 박막 트랜지스터 제조 방법.
- 청구항 10에 있어서,상기 제 1 금속 산화물층 및 제 2 금속 산화물층은 동일 챔버 내에서 형성되는 금속 박막 트랜지스터 제조 방법.
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|---|---|---|---|---|
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2009
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