KR20110051799A - 박막트랜지스터 및 이를 구비한 유기전계 발광 표시장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 아연주석산화물(ZnSnO)로 구현되는 산화물 반도체에 산소와의 전기 음성도 차이가 크고 원자반경이 상기 Zn 또는 Sn과 유사한 물질을 첨가하여 활성층을 형성함으로써, 캐리어의 농도를 조절하고 산화물 반도체의 신뢰성을 향상시킴을 통해 안정적인 신뢰성 및 전기적 특성을 구현하는 박막트랜지스터 및 이를 구비한 유기전계 발광 표시장치를 제공한다.
Description
본 발명은 박막트랜지스터에 관한 것으로, 특히 산화물 반도체층을 포함하는 산화물 박막트랜지스터 및 이를 구비한 유기전계 발광 표시장치에 관한 것이다.
액정표시장치 또는 유기 전계발광 표시장치와 같은 액티브 매트릭스 방식의 평판 표시장치에는 각 화소별로 적어도 하나 이상의 박막트랜지스터(Thin Film Transistor, TFT)가 구비된다.
이 때, 상기 박막트랜지스터는 채널 영역, 소스 영역 및 드레인 영역을 제공하는 활성층과, 채널 영역 상부에 형성되며 게이트 절연막에 의해 활성층과 전기적으로 절연되는 게이트 전극을 포함한다.
이와 같이 이루어진 박막트랜지스터의 활성층은 대개 비정질 실리콘(Amorphous Silicon)이나 폴리 실리콘(Poly-Silicon)과 같은 반도체층으로 형성한다.
이 때, 상기 활성층을 비정질 실리콘으로 형성하면 이동도(mobility)가 낮아 고속으로 동작되는 구동 회로의 구현이 어렵다는 단점이 있다.
반면, 활성층을 폴리 실리콘으로 형성하면 이동도는 높지만 다결정성(polycrystalline nature)에 기인하여 문턱전압(threshold voltage)이 불균일해지는 단점이 있다.
한편, 저온 폴리 실리콘(Low Temperature Poly-Silicon; LTPS)을 활성층으로 이용할 경우 높은 이동도와 안정적인 DC stability의 장점을 갖고 있지만 대형화 기술이 현재로는 어려우며, 제조 공정 시 고가의 추가 결정화 장비 등이 필요하여 제조 단가가 비싸다는 큰 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 최근에는 ZnO와 InGaZnO 등과 같은 산화물 반도체를 활성층으로 이용하는 연구가 진행되고 있다. 하지만 이들 산화물 반도체의 경우, 비정질 실리콘 보다 높은 이동도와 저온 폴리 실리콘보다 좋은 균일도 등에도 불구하고 현실적인 양산품 제작에는 문제점을 드러내고 있다.
즉. TFT 소자의 신뢰성과 연계되는 DC stability가 불안하여 동작 중에 문턱전압 등이 계속 이동하여 원하는 소자의 특성을 재현하기 어렵다는 단점이 있다.
본 발명은 ZnSnO로 구현되는 산화물 반도체에 Hf 등과 같이 산소와의 전기 음성도 차이가 크고 원자반경이 상기 Zn 또는 Sn과 유사한 물질을 첨가하여 활성층을 형성함으로써, 캐리어의 농도를 조절하고 산화물 반도체의 신뢰성을 향상시킴을 통해 안정적인 신뢰성 및 전기적 특성을 구현하는 박막트랜지스터 및 이를 구비한 유기전계 발광 표시장치를 제공함에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 의한 박막트랜지스터는, 소스/드레인 영역 및 채널 영역으로 구성되는 활성층으로서의 산화물 반도체층과; 상기 채널 영역과 중첩되는 영역에 형성되는 게이트 전극과; 상기 산화물 반도체와 게이트 전극 사이에 형성되는 게이트 절연막과; 상기 산화물 반도체층의 소스/ 드레인 영역에 각각 전기적으로 연결되는 소스/ 드레인 전극이 포함되며, 상기 산화물 반도체층은 아연주석산화물(ZnSnO)로 구현되는 산화물 반도체에 산소와의 전기 음성도 차이가 2 이상이고, 원자반경이 상기 Zn 또는 Sn과 유사한 물질 X가 첨가되어 구현된다.
또한, 상기 산화물 반도체층을 형성하는 양이온 X, Zn, Sn의 양을 백분율로 환산할 때, 상기 X가 2 내지 20%로 함유되도록 구현된다.
또한, 상기 물질 X의 전기 음성도는 1.6미만이고, 상기 물질 X의 이온 반경은 0.007 내지 0.008nm 이며, 상기 물질 X는 Hf, Zr, Al, Mg 중 하나임을 특징으로 한다.
또한, 상기 산화물 반도체층과 소스/드레인 전극 사이에 보호층이 형성되고, 상기 박막트랜지스터는 하부 게이트(inverted staggered bottom gate) 구조로 구현되거나, 상부 게이트(top gate) 구조로 구현된다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 유기전계 발광 표시장치는, 데이터선들, 주사선들의 교차부마다 위치되며, 복수의 박막트랜지스터 및 유기발광소자를 각각 포함하는 화소들과; 복수의 박막트랜지스터를 포함하며, 상기 주사선들로 주사신호를 공급하는 주사 구동부와; 복수의 박막트랜지스터를 포함하며, 상기 데이터선들로 데이터신호를 공급하는 데이터 구동부가 포함되며, 상기 화소들, 주사 구동부, 데이터 구동부 중 적어도 하나 이상에 구비되는 박막트랜지스터가, 소스/드레인 영역 및 채널 영역으로 구성되는 활성층으로서의 산화물 반도체층과; 상기 채널 영역과 중첩되는 영역에 형성되는 게이트 전극과; 상기 산화물 반도체와 게이트 전극 사이에 형성되는 게이트 절연막과; 상기 산화물 반도체층의 소스/ 드레인 영역에 각각 전기적으로 연결되는 소스/ 드레인 전극이 포함되며, 상기 산화물 반도체층은 아연주석산화물(ZnSnO)로 구현되는 산화물 반도체에 산소와의 전기 음성도 차이가 2 이상이고, 원자반경이 상기 Zn 또는 Sn과 유사한 물질 X가 첨가되어 구현된다.
이와 같은 본 발명에 의하면, ZnSnO로 구현되는 산화물 반도체에 Hf 등과 같이 산소와의 전기 음성도 차이가 크고 원자반경이 상기 Zn 또는 Sn과 유사한 물질을 첨가하여 활성층을 형성함으로써, 캐리어의 농도를 조절하고 산화물 반도체의 신뢰성을 향상시킴을 통해 TFT 소자의 안정적인 신뢰성 및 전기적 특성을 구현할 수 있다는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 의한 박막트랜지스터의 단면도이다.
여기서, 도 1a에 도시된 박막트랜지스터는 하부 게이트(inverted staggered bottom gate) 구조를 나타내고, 도 1b에 도시된 박막트랜지스터는 상부 게이트(top gate) 구조를 나타낸다.
먼저 도 1a을 참조하면, 기판(10) 상에 버퍼층(12)이 형성되고, 상기 버퍼층(12) 상에 게이트 전극(14)이 형성된다.
이후 상기 게이트 전극(14)을 포함하는 상부에는 절연막(16)이 형성되며, 상기 게이트 전극(14)과 중첩되는 위치의 절연막(16) 상에 채널 영역(18a), 소스 영역(18b) 및 드레인 영역(18c)을 제공하는 활성층으로서의 산화물 반도체층(18)이 형성된다.
또한, 도시된 바와 같이 상기 산화물 반도체층(18)의 상부에는 보호층(22)이 형성되고, 상기 보호층(22)의 소정 영역(소스, 드레인 영역에 대응되는 영역)에 비아홀이 형성되며, 상기 비아홀을 통해 보호층 상에 형성된 소스 및 드레인 전극(20a, 20b)이 상기 산화물 반도체층(18)의 각 소스, 드레인 영역과 접촉됨으로써, 하부 게이트 구조의 박막트랜지스터가 완성된다.
또한, 도 1b를 참조하면, 기판(10) 상에 버퍼층(12)이 형성되고, 상기 버퍼층(12) 상에 채널 영역, 소스 영역 및 드레인 영역을 제공하는 활성층으로서의 산화물 반도체층(18)이 형성된다.
이후 상기 산화물 반도체층(18) 상에 절연막(13)이 형성되고, 상기 산화물 반도체층의 채녈 영역과 중첩되는 위치의 절연막 상에 게이트 전극이 형성된다.
또한, 도시된 바와 같이 상기 게이트 전극의 상부에는 보호층(22)이 형성되고, 상기 보호층과, 절연막의 소정 영역(소스, 드레인 영역에 대응되는 영역)에 비아홀이 형성되며, 상기 비아홀을 통해 보호층 상에 형성된 소스 및 드레인 전극(20a, 20b)이 상기 산화물 반도체층(18)의 각 소스, 드레인 영역과 접촉됨으로써, 상부 게이트 구조의 박막트랜지스터가 완성된다.
종래의 경우 상기 박막트랜지스터의 활성층으로 사용되는 산화물 반도체는 일반적으로 ZnO 또는 InGaZnO 등으로 구현되는데, 이와 같은 기존의 산화물 반도체의 경우 TFT 소자의 신뢰성과 연계되는 DC stability가 불안하여 동작 중에 문턱전압 등이 계속 이동하여 원하는 소자의 특성을 재현하기 어렵다는 단점이 있다.
이에 본 발명의 실시예에 의한 신화물 반도체는 이러한 단점을 극복하기 위해 아연주석산화물(ZnSnO)로 구현되는 산화물 반도체에 산소와의 전기 음성도 차이가 크고 원자반경이 상기 Zn 또는 Sn과 유사한 물질을 첨가하여 활성층을 형성함으로써, 캐리어의 농도를 조절하고 산화물 반도체의 신뢰성을 향상시킬 수 있음을 특징으로 한다.
즉, 도 1a 및 도 1b에 도시된 본 발명의 실시예에 의한 산화물 반도체는, 종 래의 ZnSnO 산화물 반도체에 원자반경이 상기 Zn 또는 Sn과 유사하며 산소와의 전기 음성도 차이가 큰 전이 금속 물질 X를 도핑하여 상기 ZnSnO 산화물 반도체의 캐리어 농도를 조절하고, 상기 산화물 반도체의 신뢰성을 향상시키도록 하는 산화물 반도체 즉, [X]ZnSnO 산화물 반도체이다.
이 때, 양이온인 X, Zn, Sn의 양을 백분율로 환산할 경우 즉, (X + Zn + Sn)을 100%로 가정할 경우 상기 X가 2 내지 20%로 함유되어야 하며, 이는 상기 X가 20% 이상 함유될 경우 박막트랜지스터의 성능 저하 즉, 이동도 및 문턱전압 이전의 기울기(Sub-threshold slope)를 나타내는 S값의 열화를 일으키는 원인이 되기 때문이다.
보다 구체적으로, 상기 X의 량이 증가하게 되면 본 발명의 실시예에 의한 [X]ZnSnO 반도체의 캐리어 농도가 감소되는 현상이 발생하는데, 이는 X가 산소와의 전기 음성도 차이가 큼에 따라 상기 산화물 반도체 matrix 내부에 있는 산소와 결합력을 강화시켜서 산소 vacancy 등에 의하여 생성되는 캐리어 농도를 낮추기 때문이다. 단, 이와 같은 현상은 반대로 반도체 자체의 신뢰성 향상을 가져다 주는데, 특히 DC stability와 공정 온도(400도까지 가능)의 두 가지 신뢰성 향상을 가져오게 된다.
이에 본 발명의 실시예에서는 산화물 반도체층을 형성하는 양이온 X, Zn, Sn의 양을 백분율로 환산할 때, 상기 X가 2 내지 20%로 함유되도록 구현됨을 특징으로 하며, 이를 통해 상기 본 발명의 실시예에 의한 산화물 반도체층의 캐리어 농도 를 1018/cm3 이하로 유지하고, 활성층으로서의 특성 발현이 가능케 한다.
여기서, 상기 X는 앞서 언급한 바와 같이, 산소와의 전기 음성도 차이가 크고 이온반경이 Zn 또는 Sn과 유사한 물질로 구현되어야 하며, 이와 같은 물질로는 대표적으로 Hf 를 들 수 있으며, Zr, Al, Mg 등이 후보군으로 가능하다.
보다 구체적으로 상기 X는 이온 결합성을 고려하여 산소와의 전기 음성도 차이가 2 이상 되는 원소로 구현됨이 바람직하며, 이와 같은 특성은 산소를 붙잡아 주는 역할을 하기 때문에 산화물 반도체의 신뢰성을 향상 시킬 수 있게 되는 것이다.
즉, 상기 X의 전기 음성도는 "산소의 전기 음성도(ENo) - X의 전기 음성도(ENx) ≥ 2"의 수식을 만족시켜야 하며, 이 때, 산소의 전기 음성도가 3.5 이므로 상기 X는 전기 음성도가 1.6미만인 물질 중 선택됨이 바람직하다.
또한, 상기 물질 X의 이온 반경의 크기가 클 경우 상호 결합 시 결정반경 차이에 의한 lattice distortion이 발생하여 내부 strain energy가 증가하게 되므로 이로 인한 결정의 불안정화로 인해 산소 vacancy 발생률이 증가하여 신뢰성이 저하되므로 상기 물질 X의 이온 반경 크기는 Zn 또는 Sn과 유사하거나 작은 반경으로 구현됨이 바람직하다.
즉, Zn 및 Sn의 이온 반경은 약 0.007 ~ 0.008nm이므로, 상기 X의 이온 반경 또한 이와 유사한 물질 중 선택됨이 바람직하다.
상기와 같은 조건 즉, 전기 음성도가 1.6 미만이고, 이온 반경이 약 0.007 내지 0.008nm인 물질로는 대표적으로 Hf, Zr, Al, Mg을 들 수 있다.
상기와 같은 산화물 반도체층을 구비한 본 발명의 실시예에 의한 TFT의 특성은 하기된 도 2a 내지 도 2c를 통해 확인할 수 있다.
먼저 도 2a는 15V의 게이트 DC stress 하에 시간에 따른 TFT 문턱전압의 변화를 나타내는 그래프로서, 본 발명의 실시예인 [X]ZnSnO 반도체 ZnSnO 산화물 반도체를 활성층으로 활용한 박막트랜지스터가 기존의 산화물(ZnSnO, InGaZnO) 박막트랜지스터와 대비하여 TFT 소자의 신뢰성과 연계되는 DC stability가 매우 우수함을 확인할 수 있다.
다음으로 도 2b는 본 발명의 실시예에 의한 [X]ZnSnO 반도체에서 상기 X의 함유량에 따른 TFT의 문턱전압 변화(-Vth)를 나타내는 그래프이고, 도 2c는 본 발명의 실시예에 의한 [X]ZnSnO 반도체에서 상기 X의 함유량에 따른 TFT의 이동도 및 S값의 변화를 나타내는 그래프이다. 여기서, 상기 X는 Hf임을 그 예로 한다.
도 2b 및 도 2c를 참고하면, 상기 X의 함유량이 증가할수록 문턱전압의 변화는 줄어들어 신뢰성은 개선되나, 이에 반해 이동도 및 S값은 열화됨을 확인할 수 있다.
이에 본 발명의 실시예에서는 상기 X의 함유량을 2 내지 20%로 구현함을 특징으로 하며, 상기 범위에 해당할 경우 TFT의 신뢰성을 개선함과 동시에 TFT로서 동작 가능한 특성(이동도, S값)을 확보할 수 있게 된다.
즉, X의 함유량이 2%인 경우 도 2b에 도시된 바와 같이 -Vth는 12.21[V]로서 X가 함유되지 않은 경우인 16.16[V]와 비교할 때, 상당한 신뢰성 개선 효과를 달성할 수 있고, 상기 X의 함유량이 20%인 경우는 -Vth가 1.60[V]으로서 신뢰성 개선을 극대화 할 수 있음을 확인할 수 있다.
반면에 도 2c를 참조하면, X의 함유량이 20%인 경우 이동도 및 S값이 각각 0.28[cm2/Vs], 2.11[dec/V]로서 X가 그 이상 함유될 경우 TFT로서의 특성을 확보하기 어렵게 됨을 확인할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 의한 유기 전계발광 표시장치의 평면도 및 단면도이다.
즉, 앞서 도 1을 통해 설명한 본 발명의 실시예에 의한 박막트랜지스터를 구비한 평판표시장치의 일 실시예로서 유기전계발광 표시장치를 설명하고자 한다.
도 3a를 참조하면, 기판(210)은 화소 영역(220)과, 화소 영역(220)을 둘러싸는 비화소 영역(230)으로 정의된다. 화소 영역(220)의 기판(210)에는 주사선(224) 및 데이터선(226) 사이에 매트릭스 방식으로 연결된 다수의 화소(300)가 형성되고, 비화소 영역(230)의 기판(210)에는 화소 영역(220)의 주사선(224) 및 데이터선(226)으로부터 연장된 주사선(224) 및 데이터선(226), 각 화소(300)의 동작을 위한 전원공급 라인(도시안됨) 그리고 패드(228)를 통해 외부로부터 제공된 신호를 처리하여 주사선(224) 및 데이터선(226)으로 공급하는 주사 구동부(234) 및 데이터 구동부(236)가 형성된다.
이 때, 상기 각각의 화소(300)는 다수의 박막트랜지스터를 포함하는 화소회로와, 화소회로에 연결된 유기발광소자(OLED)로 구성되며, 상기 주사 구동부(234) 및 데이터 구동부(236) 또한 다수의 박막트랜지스터를 포함하는 회로로 구성된다.
또한, 도 3b를 참조하면, 상기와 같이 화소(300)가 형성된 기판(210) 상부에는 화소 영역(220)을 밀봉시키기 위한 봉지 기판(400)이 배치되며, 밀봉재(410)에 의해 봉지 기판(400)이 기판(210)에 합착되어 표시 패널(200)이 완성된다.
이 때, 기판(210) 상에 형성된 다수의 화소(300) 및 주사 구동부(234), 데이터 구동부(236)는 다수의 박막트랜지스터를 포함하여 구성되는데, 본 발명의 실시예는 상기 화소(300), 주사 구동부(234), 데이터 구동부(236) 중 적어도 하나 이상에 구비되는 박막트랜지스터가 앞서 도 1 및 도 2를 통해 설명한 본 발명의 실시예에 의한 산화물 박막트랜지스터로 구현됨을 특징으로 한다.
즉, 본 발명의 실시예에 의한 유기전계발광 표시장치는, 화소(300), 주사 구동부(234) 및/또는 데이터 구동부(236)에 구비되는 박막트랜지스터를, XZnSnO로 구현되는 산화물 반도체를 갖는 박막트랜지스터로 채용함을 통해 보다 안정적인 동작을 수행하는 유기전계발광 표시장치를 구현할 수 있게 된다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 의한 박막트랜지스터의 단면도.
도 2a는 게이트 DC stress 하에 시간에 따른 TFT 문턱전압의 변화를 나타내는 그래프.
도 2b는 본 발명의 실시예에 의한 [X]ZnSnO 반도체에서 상기 X의 함유량에 따른 TFT의 문턱전압 변화(-Vth)를 나타내는 그래프.
도 2c는 본 발명의 실시예에 의한 [X]ZnSnO 반도체에서 상기 X의 함유량에 따른 TFT의 이동도 및 S값의 변화를 나타내는 그래프.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 의한 유기 전계발광 표시장치의 평면도 및 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 기판 12: 버퍼층
14: 게이트 전극 18: 산화물 반도체층
20a: 소스 전극 20b: 드레인 전극
22: 보호층
Claims (13)
- 소스/드레인 영역 및 채널 영역으로 구성되는 활성층으로서의 산화물 반도체층과;상기 채널 영역과 중첩되는 영역에 형성되는 게이트 전극과;상기 산화물 반도체와 게이트 전극 사이에 형성되는 게이트 절연막과;상기 산화물 반도체층의 소스/ 드레인 영역에 각각 전기적으로 연결되는 소스/ 드레인 전극이 포함되며,상기 산화물 반도체층은 아연주석산화물(ZnSnO)로 구현되는 산화물 반도체에 산소와의 전기 음성도 차이가 2 이상이고, 원자반경이 상기 Zn 또는 Sn과 유사한 물질 X가 첨가되어 구현됨을 특징으로 하는 박막트랜지스터.
- 제 1항에 있어서,상기 산화물 반도체층을 형성하는 양이온 X, Zn, Sn의 양을 백분율로 환산할 때, 상기 X가 2 내지 20%로 함유되도록 구현됨을 특징으로 하는 박막트랜지스터.
- 제 1항에 있어서,상기 물질 X의 전기 음성도는 1.6미만임을 특징으로 하는 박막트랜지스터.
- 제 1항에 있어서,상기 물질 X의 이온 반경은 0.007 내지 0.008nm 임을 특징으로 하는 박막트랜지스터.
- 제 1항에 있어서,상기 물질 X는 Hf, Zr, Al, Mg 중 하나임을 특징으로 하는 박막트랜지스터.
- 제 1항에 있어서,상기 산화물 반도체층과 소스/드레인 전극 사이에 보호층이 형성됨을 특징으로 하는 박막트랜지스터.
- 제 1항에 있어서,상기 박막트랜지스터는 하부 게이트(inverted staggered bottom gate) 구조로 구현됨을 특징으로 하는 박막트랜지스터.
- 제 1항에 있어서,상기 박막트랜지스터는 상부 게이트(top gate) 구조로 구현됨을 특징으로 하는 박막트랜지스터.
- 데이터선들, 주사선들의 교차부마다 위치되며, 복수의 박막트랜지스터 및 유기발광소자를 각각 포함하는 화소들과;복수의 박막트랜지스터를 포함하며, 상기 주사선들로 주사신호를 공급하는 주사 구동부와;복수의 박막트랜지스터를 포함하며, 상기 데이터선들로 데이터신호를 공급하는 데이터 구동부가 포함되며,상기 화소들, 주사 구동부, 데이터 구동부 중 적어도 하나 이상에 구비되는 박막트랜지스터가,소스/드레인 영역 및 채널 영역으로 구성되는 활성층으로서의 산화물 반도체층과;상기 채널 영역과 중첩되는 영역에 형성되는 게이트 전극과;상기 산화물 반도체와 게이트 전극 사이에 형성되는 게이트 절연막과;상기 산화물 반도체층의 소스/ 드레인 영역에 각각 전기적으로 연결되는 소스/ 드레인 전극이 포함되며,상기 산화물 반도체층은 아연주석산화물(ZnSnO)로 구현되는 산화물 반도체에 산소와의 전기 음성도 차이가 2 이상이고, 원자반경이 상기 Zn 또는 Sn과 유사한 물질 X가 첨가되어 구현됨을 특징으로 하는 유기전계 발광 표시장치.
- 제 9항에 있어서,상기 산화물 반도체층을 형성하는 양이온 X, Zn, Sn의 양을 백분율로 환산할 때, 상기 X가 2 내지 20%로 함유되도록 구현됨을 특징으로 하는 유기전계 발광 표시장치.
- 제 9항에 있어서,상기 물질 X의 전기 음성도는 1.6미만임을 특징으로 하는 유기전계 발광 표시장치.
- 제 9항에 있어서,상기 물질 X의 이온 반경은 0.007 내지 0.008nm 임을 특징으로 하는 유기전계 발광 표시장치.
- 제 9항에 있어서,상기 물질 X는 Hf, Zr, Al, Mg 중 하나임을 특징으로 하는 유기전계 발광 표시장치.
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