KR20130022450A - 산화물 반도체층을 이용한 박막 트랜지스터 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 게이트 절연층을 따라 활성층에 빛이 전파되는 것을 차단하기 위한 광차폐부를 포함하는 산화물 반도체층을 이용한 박막 트랜지스터 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 산화물 반도체층을 이용한 박막 트랜지스터는 기판 상의 게이트 전극; 상기 게이트 전극을 포함하는 상기 기판 상에 형성되는 게이트 절연층; 상기 게이트 전극과 대응되는 상기 게이트 절연층 상에 형성되고 활성층으로 사용되는 산화물 반도체층; 상기 산화물 반도체층과 이격되며 상기 산화물 반도체층의 주변부에 형성되는 광차폐부; 및 상기 산화물 반도체층에 연결되고 서로 이격되는 소스 및 드레인 전극;을 포함한다.
Description
본 발명은 게이트 절연층을 따라 활성층에 빛이 전파되는 것을 차단하기 위한 광차폐부를 포함하는 산화물 반도체층을 이용한 박막 트랜지스터 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
정보화 사회가 발전함에 따라 영상을 표시하기 위한 표시장치에 대한 요구가 다양한 형태로 증가하고 있으며, 근래에는 액정표시장치(liquid crystal display: LCD), 플라즈마표시장치(plasma display panel: PDP), 유기전계발광표시장치(organic light emitting diode: OLED)와 같은 여러 가지 평판표시장치(flat panel display: FPD)가 활용되고 있다.
평판표시장치를 구동하는 방식에는 수동 매트릭스(passive matrix) 방식과 박막 트랜지스터(thin film transistor)를 이용한 능동 매트릭스(active matrix) 방식이 있다. 수동 매트릭스 방식은 양극과 음극을 직교하도록 형성하고 라인을 선택하여 구동하는데 비해, 능동 매트릭스 방식은 박막 트랜지스터를 각 화소전극에 연결하고 박막 트랜지스터의 게이트 전극에 연결된 커패시터 용량에 의해 유지된 전압에 따라 구동하는 방식이다.
평판표시장치를 구동하기 위한 박막 트랜지스터는 이동도, 누설전류 등과 같은 기본적인 박막 트랜지스터의 특성뿐만 아니라, 오랜 수명을 유지할 수 있는 내구성 및 전기적 신뢰성이 매우 중요하다. 여기서, 박막 트랜지스터의 반도체층은 주로 비정질 실리콘 또는 다결정 실리콘으로 형성되는데, 비정질 실리콘은 성막 공정이 간단하고 생산 비용이 적게 드는 장점이 있지만 전기적 신뢰성이 확보되지 못하는 문제가 있다. 또한 다결정 실리콘은 높은 공정 온도로 인하여 대면적 응용이 매우 곤란하며, 결정화 방식에 따른 균일도가 확보되지 못하는 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 박막 트랜지스터의 반도체층을 산화물로 형성한다. 이하에서는 도면을 참조하여 종래기술의 박막 트랜지스터에 대하여 설명한다.
도 1은 종래기술의 박막 트랜지스터의 개략도이다.
종래기술의 박막 트랜지스터(10)는, 기판(12) 상에 형성되는 게이트 전극(14), 게이트 전극(14)을 포함하는 기판(12) 상에 형성되는 게이트 절연층(16), 게이트 전극(14)에 대응되는 게이트 절연층(16) 상에 형성되고 활성층으로 사용디는 산화물 반도체층(18), 및 산화물 반도체층(18)과 연결되며 서로 이격되어 형성되는 소스와 드레인 전극(20, 22)을 포함하여 구성된다.
박막 트랜지스터(10)는 능동 매트릭스 방식의 액정표시장치(도시하지 않음)을 구동하기 위하여 사용되고, 액정표시장치는 화면표시를 위하여 기판(12)의 하부에 백라이트 유닛(도시하지 않음)을 설치한다. 그런데, 백라이트 유닛의 출사광이 기판(12)의 하부에 인가되면, 백라이트 유닛의 출사광이 게이트 절연층(16)에서 산란되는 현상이 발생하고, 산란광은 게이트 절연층(16)을 따라 전파(propagation)되어 산화물 반도체층(18)에 도달하게 된다. 산화물 반도체층(18)이 백라이트 유닛의 출사광에 노출된 상태에서 역바이어스가 장기간 인가될 경우, 박막 트랜지스터(10)의 소자특성이 열화되는 현상이 발생한다. 이러한 박막 트랜지스터(10)의 열화현상은 액정표시장치의 장기 신뢰성에 문제를 야기시킨다.
본 발명은, 활성층으로 사용되는 산화물 반도체층의 주변에 광차폐부를 설치하여, 외부광이 게이트 절연층을 따라 산화물 반도체층에 전파되는 것을 차단하는 것에 의해, 박막 트랜지스터의 열화를 방지할 수 있는 산화물 반도체층을 이용한 박막 트랜지스터 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판 상의 게이트 전극; 상기 게이트 전극을 포함하는 상기 기판 상에 형성되는 게이트 절연층; 상기 게이트 전극과 대응되는 상기 게이트 절연층 상에 형성되고 활성층으로 사용되는 산화물 반도체층; 상기 산화물 반도체층과 이격되며 상기 산화물 반도체층의 주변부에 형성되는 광차폐부; 및 상기 산화물 반도체층에 연결되고 서로 이격되는 소스 및 드레인 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체층을 이용한 박막 트랜지스터를 제공한다.
상기 게이트 전극의 주변부에 대응되는 상기 게이트 절연층에 트렌치가 형성되고, 상기 트렌치에 상기 광차폐부가 형성되는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체층을 이용한 박막 트랜지스터를 제공한다.
상기 게이트 전극은 게이트 배선으로부터 분기되고, 상기 게이트 전극은 게이트 배선으로부터 분기되고, 상기 트렌치는 상기 소스전극과 중첩되는 제 1 트렌치, 상기 드레인 전극과 중첩되는 제 2 트렌치, 및 상기 게이트 배선과 연결된 부분과 대향하는 상기 게이트 전극에 인접한 영역에 형성되는 제 3 트렌치를 포함하고, 상기 광차폐부는 상기 제 1 내지 제 3 트렌치에 충진되는 제 1 내지 제 3 광차폐부를 포함하고, 상기 제 1 내지 제 3 광차폐부는 서로 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체층을 이용한 박막 트랜지스터를 제공한다.
상기 광차폐부와 상기 소스 및 드레인 전극은 광차폐성질을 가지고 있는 금속물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체층을 이용한 박막 트랜지스터를 제공한다.
상기 산화물 반도체층은 Zn, Cd, Ga, In, Sn, Hf 및 Zr 중 선택된 하나의 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체층을 이용한 박막 트랜지스터를 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판 상에 게이트 전극을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극을 포함하는 상기 기판 상에 게이트 절연층을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극과 대응되는 상기 게이트 절연층 상에 활성층으로 산화물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 산화물 반도체층과 이격되며 상기 산화물 반도체층의 주변부에 광차폐부를 형성하는 단계; 및 상기 산화물 반도체층에 연결되고 서로 이격되는 소스 및 드레인 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체층을 이용한 박막 트랜지스터의 제조방법을 제공한다.
상기 광차폐부를 형성하는 단계는, 상기 게이트 전극의 주변부에 대응되는 상기 게이트 절연층을 식각하여 트렌치를 형성하는 단계; 및 상기 트렌치에 광차폐성질을 가지는 금속물질을 충진하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체층을 이용한 박막 트랜지스터의 제조방법을 제공한다.
상기 광차폐부와 상기 소스 및 드레인 전극은 동일한 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체층을 이용한 박막 트랜지스터의 제조방법을 제공한다.
상기 산화물 반도체층의 상부에 식각 방지막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체층을 이용한 박막 트랜지스터의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 산화물 반도체층을 이용한 박막 트랜지스터 및 그의 제조방법에서는, 활성층으로 사용되는 산화물 반도체층의 주변부에 광차폐부를 설치하여, 외부광이 게이트 절연층을 따라 활성층으로 전파되는 것을 차단하는 것에 의해 박막 트랜지스터의 열화를 방지할 수 있다.
도 1은 종래기술의 박막 트랜지스터의 개략도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터의 평면도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터의 단면도
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터의 평면도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터의 단면도
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터의 평면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터의 단면도로서, 도 2의 절단선 II-II에 대응되는 도면이다. 본 발명에서는 대표적으로 백라이트 유닛을 포함하는 능동 매트릭스 방식의 액정표시장치에서 사용되는 박막 트랜지스터에 대하여 설명한다.
박막 트랜지스터(100)는 기판(112) 상에 형성되고 게이트 배선(130)으로부터 분기되는 게이트 전극(114), 게이트 배선(130) 및 게이트 전극(114)을 포함하는 기판(112) 상에 적층되고 트렌치(140)가 형성되는 게이트 절연층(116), 게이트 전극(114)에 대응되는 게이트 절연층(116) 상에 형성되는 산화물 반도체층(118), 산화물 반도체층(118)과 연결되고 서로 이격되어 형성되는 소스와 드레인 전극(120, 122), 및 트렌치(140)에 충진된 광차폐부(148)를 포함하여 구성된다.
소스 및 드레인 전극(120, 122)을 포함한 기판(112) 상에 보호층(124)이 형성되고, 보호층(124)에는 드레인 전극(122)을 노출시키는 콘택홀(142)이 형성된다. 그리고, 산화물 반도체층(118)의 상부에는 공정과정에서 산화물 반도체층(118)의 식각을 방지하기 위한 식각 방지층(144)이 형성된다. 소스전극(120)은 데이터 배선(132)에 연결되고, 드레인 전극(122)는 콘택홀(142)을 통하여 화소전극(146)에 연결된다.
트렌치(140)는 산화물 반도체층(118)에 인접한 게이트 절연층(116)에 형성되고, 트렌치(140)에는 광차폐부(148)가 충진된다. 트렌지(140)는 소스전극(120)과 중첩되는 제 1 트렌치(140a), 드레인 전극(122)과 중첩되는 제 2 트렌치(140b), 및 게이트 배선(130)과 연결된 부분과 대향하는 게이트 전극(114)에 인접한 영역에 형성되는 제 3 트렌치(140c)를 포함한다.
광차폐부(148)는 제 1 트렌치(140a)에 충진되는 제 1 광차폐부(148a), 제 2 트렌치(140b)에 충진되는 제 2 광차폐부(148b), 및 제 3 트렌치(140c)에 충진되는 제 3 광차폐부(148c)를 포함한다. 제 1 내지 제 3 트렌치(140a, 140b, 140c)의 저면에는 기판(112)의 표면이 노출되고, 제 1 내지 제 3 트렌치(140a, 140b, 140c) 각각에는 소스 및 드레인 전극(120, 122)을 구성하는 금속물질이 충진되어 제 1 내지 제 3 광차폐부(148a, 148b, 148c)를 구성한다.
제 1 내지 제 3 트렌치(140a, 140b, 140c)는 서로 연결될 수 있지만, 제 1 내지 제 3 트렌치(140a, 140b, 140c)에는 소스 및 드레인 전극(120, 122)을 구성하는 금속물질로 구성되는 제 1 내지 제 3 광차폐부(148a, 148b, 148c)가 충진되기 때문에, 단락문제를 고려하여, 제 1 내지 제 3 트렌치(140a, 140b, 140c) 및 제 1 내지 제 3 광차폐부(148a, 148b, 148c)는 서로 구분되어 독립적으로 형성되는 것이 바람직하다.
기판(112)의 하부에는 영상을 표시하기 위한 빛을 공급하는 백라이트 유닛(도시하지 않음)이 설치되고, 백라이트 유닛의 출사광이 게이트 절연층(116)에서 산란되고 게이트 절연층(116)을 따라 전파(propagation)된다. 산란광이 게이트 절연층(116)을 따라 산화물 반도체층(118)으로 전파되는 경로에 제 1 내지 제 3 트렌치(140a, 140b, 140c)가 형성되고, 제 1 내지 제 2 트렌치(140a, 140b, 140c) 각각에는 산란광을 차폐하는 제 1 내지 제 2 광차폐부(148a, 148b, 148c)가 형성된다.
따라서, 게이트 절연층(116)을 따라 전파되는 산란광은 제 1 내지 제 3 광차폐부(148a, 148b, 148c)에 의해 차단되어, 산란광이 산화물 반도체층(118)에 도달되지 않게 한다. 그리고, 제 1 내지 제 3 트렌치(140a, 140b, 140c) 및 제 1 내지 제 3 광차폐부(148a, 148b, 148c)는 게이트 전극(114) 및 산화물 반도체층(118)의 형태에 따라, 산란광이 산화물 반도체층(118)에 도달되지 않게 하기 위하여 다양한 형태의 패턴으로 형성될 수 있다. 백라이트 유닛의 출사광이 게이트 절연층(116)을 따라 산화물 반도체층(118)에 도달되지 않고 제 1 및 제 2 광차폐부(148a, 148b)에 의해 차단되므로, 광노출에 의한 산화물 반도체층(118)의 열화현상이 방지되므르, 박막 트랜지스터(100)을 사용하는 액정표시장치의 장기 신뢰성을 개선할 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
도 4a에서 도시된 바와 같이, 기판(112) 상에 제 1 금속 물질층(도시하지 않음)을 형성한다. 제 1 금속 물질층은 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(AlNd) 및 크롬(Cr)과 같은 도전성 금속물 사용하여 단일층, 이중층, 또는 삼중층으로 형성할 수 있다. 제 1 금속 물질층을 패터닝하여 게이트 배선(도시하지 않음)과 게이트 전극(114)을 형성한다.
게이트 배선 및 게이트 전극(114)을 형성한 후, 게이트 배선 및 게이트 전극(114)을 포함한 기판(112) 상에 게이트 절연층(116)을 형성한다. 게이트 절연층(116)은 실리콘 산화물(SiO2) 또는 실리콘 질화물(SiNx)과 같은 무기절연물질을 일례로 PECVD와 같은 방법을 사용하여 형성한다.
도 4b와 같이, 게이트 전극(114)에 대응되는 게이트 절연층(114) 상에 산화물 반도체층(118)을 형성하고, 게이트 전극(114)과 인접한 영역의 게이트 절연층(116)을 식각하여 트렌치(148)를 형성한다.
산화물 반도체층(118)과 트렌치(148)는 게이트 절연층(116) 상에 산화물 반도체 물질층(도시하지 않음)을 형성하고, 산화물 반도체 물질층과 게이트 절연층(116)을 패터닝하여 형성한다. 부가적으로, 산화물 반도체층(118)이 이후의 진행되는 식각공정에서 침식되지 않도록, 산화물 반도체층(118) 상에 식각 방지층(144)을 형성할 수 있다.
산화물 반도체 물질층은 1~10%의 산소농도를 가진 산화물을 포함하며, Zn, Cd, Ga, In, Sn, Hf 및 Zr 등과 같은 금속을 삼성분계 또는 사성분계로 구성하여 사용할 수 있다. 산화물 반도체층(118)은 액상상태의 산화물 반도체 물질층을 게이트 절연층(116) 상에 도포하여 경화시키고, 경화된 산화물 반도체 물질층을 패터닝하여 형성한다. 식각 방지층(144)은 실리콘 산화물(SiO2) 또는 실리콘 질화물(SiNx)과 같은 무기절연물질을 사용할 수 있다.
도 4b에서, 트렌치(148)는 게이트 배선(114)의 양측에 제 1 및 제 2 트렌치(140a, 140b)만이 도시되었으나, 도 2에서와 같이, 게이트 배선(130)과 연결된 부분과 대향하는 게이트 전극(114)에 인접한 영역에 형성되는 제 3 트렌치(140c)를 포함한다. 제 1 및 제 2 트렌치(140a, 140b)의 저면에는 기판(112)의 상부가 노출된다.
도 4c와 같이, 게이트 절연층(116) 및 산화물 반도체층(118)을 포함하는 기판(112) 상에 제 2 금속 물질층(도시하지 않음)을 형성하고, 제 2 금속 물질층을 패터닝하여 서로 이격되고 산화물 반도체층(118)에 연결되는 소스 및 드레인 전극(120, 122)과 광차폐부(148)를 형성한다.
제 2 금속 물질층은 광차폐성질을 가지고 있는 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(AlNd) 및 크롬(Cr)과 같은 도전성 금속물 사용하여 단일층 또는 이중층으로 형성할 수 있다. 도 4c에서, 게이트 배선(114)의 양측에 제 1 및 제 2 트렌치(140a, 140b)와 제 1 및 제 2 트렌치(140a, 140b)에 충진되는 제 1 및 제 2 광차폐부(148a, 148b)만이 도시되었으나, 도 2에서와 같이, 게이트 배선(130)과 연결된 부분과 대향하는 게이트 전극(114)에 인접한 영역에 형성되는 제 3 트렌치(140c)와 제 3 트렌치(140c)에 충진된 제 3 광차폐부(148c)를 포함한다.
도 4d와 같이, 소스 및 드레인 전극(120, 122)을 포함하는 기판(112) 상에 보호층(124)과 드레인 전극(122)과 연결되는 화소전극(146)을 형성한다. 보호층(124)은 실리콘 산화물(SiO2) 및 실리콘 질화물(SiNx)을 포함하는 무기 절연물질 또는 포토 아크릴과 벤조싸이클로부텐을 포함하는 유기절연물질을 선택하여 사용할 수 있다. 보호층(124)에는 드레인 전극(122)을 노출시키는 콘택홀(142)이 형성되고, 화소전극(146)은 콘택홀(142)을 통하여 드레인 전극(122)에 연결된다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (9)
- 기판 상의 게이트 전극;
상기 게이트 전극을 포함하는 상기 기판 상에 형성되는 게이트 절연층;
상기 게이트 전극과 대응되는 상기 게이트 절연층 상에 형성되고 활성층으로 사용되는 산화물 반도체층;
상기 산화물 반도체층과 이격되며 상기 산화물 반도체층의 주변부에 형성되는 광차폐부; 및
상기 산화물 반도체층에 연결되고 서로 이격되는 소스 및 드레인 전극;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체층을 이용한 박막 트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 게이트 전극의 주변부에 대응되는 상기 게이트 절연층에 트렌치가 형성되고, 상기 트렌치에 상기 광차폐부가 형성되는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체층을 이용한 박막 트랜지스터.
- 제 2 항에 있어서,
상기 게이트 전극은 게이트 배선으로부터 분기되고, 상기 트렌치는 상기 소스전극과 중첩되는 제 1 트렌치, 상기 드레인 전극과 중첩되는 제 2 트렌치, 및 상기 게이트 배선과 연결된 부분과 대향하는 상기 게이트 전극에 인접한 영역에 형성되는 제 3 트렌치를 포함하고, 상기 광차폐부는 상기 제 1 내지 제 3 트렌치에 충진되는 제 1 내지 제 3 광차폐부를 포함하고, 상기 제 1 내지 제 3 광차폐부는 서로 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체층을 이용한 박막 트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광차폐부와 상기 소스 및 드레인 전극은 광차폐성질을 가지고 있는 금속물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체층을 이용한 박막 트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 산화물 반도체층은 Zn, Cd, Ga, In, Sn, Hf 및 Zr 중 선택된 하나의 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체층을 이용한 박막 트랜지스터.
- 기판 상에 게이트 전극을 형성하는 단계;
상기 게이트 전극을 포함하는 상기 기판 상에 게이트 절연층을 형성하는 단계;
상기 게이트 전극과 대응되는 상기 게이트 절연층 상에 활성층으로 산화물 반도체층을 형성하는 단계;
상기 산화물 반도체층과 이격되며 상기 산화물 반도체층의 주변부에 광차폐부를 형성하는 단계; 및
상기 산화물 반도체층에 연결되고 서로 이격되는 소스 및 드레인 전극을 형성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체층을 이용한 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 광차폐부를 형성하는 단계는,
상기 게이트 전극의 주변부에 대응되는 상기 게이트 절연층을 식각하여 트렌치를 형성하는 단계;
상기 트렌치에 광차폐성질을 가지는 금속물질을 충진하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체층을 이용한 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 광차폐부와 상기 소스 및 드레인 전극은 동일한 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체층을 이용한 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 산화물 반도체층의 상부에 식각 방지막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체층을 이용한 박막 트랜지스터의 제조방법.
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