KR20130032067A - 산화물 반도체, 이를 포함하는 박막 트랜지스터, 및 박막 트랜지스터 표시판 - Google Patents

산화물 반도체, 이를 포함하는 박막 트랜지스터, 및 박막 트랜지스터 표시판 Download PDF

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Abstract

산화물 반도체, 이를 포함하는 박막 트랜지스터 및 박막 트랜지스터 표시판을 제공한다. 본 발명의 한 실시예에 따른 산화물 반도체는 아연(Zn) 및 주석(Sn) 중에서 적어도 하나의 원소를 포함하는 제1 물질 그리고 상기 제1 물질에 첨가되는 제2 물질을 포함하고, 상기 제1 물질과 산소(O)와의 전기 음성도 차이값에서 상기 제2 물질과 산소(O)와의 전기 음성도 차이값을 뺀 값이 1.3이하이다.

Description

산화물 반도체, 이를 포함하는 박막 트랜지스터, 및 박막 트랜지스터 표시판{OXIDE SEMICONDUCTOR, THIN FILM TRANSISTOR INCLUDING THE SAME AND THIN FILM TRANSISTOR array PANEL INCLUDING THE SAME}
본 발명은 산화물 반도체, 이를 포함하는 박막 트랜지스터 및 박막 트랜지스터 표시판에 관한 것이다.
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), 플라즈마 표시 장치(plasma display) 등의 평판 표시 장치는 복수 쌍의 전기장 생성 전극과 그 사이에 들어 있는 전기 광학(electro-optical) 활성층을 포함한다. 액정 표시 장치는 전기 광학 활성층으로 액정층을 포함하고, 유기 발광 표시 장치는 전기 광학 활성층으로 유기 발광층을 포함한다. 한 쌍을 이루는 전기장 생성 전극 중 하나는 통상 스위칭 소자에 연결되어 전기 신호를 인가받고, 전기 광학 활성층은 이러한 전기 신호를 광학 신호로 변환함으로써 영상을 표시한다.
평판 표시 장치에는 박막 트랜지스터가 형성되는 표시판이 포함될 수 있다. 박막 트랜지스터 표시판에는 여러 층의 전극, 반도체 등이 패터닝되며, 일반적으로 패터닝 공정에 마스크(mask)를 이용한다.
한편, 반도체는 박막 트랜지스터의 특성을 결정하는 중요한 요소이다. 이러한 반도체는 비정질 실리콘(amorphous silicon)이 많이 사용되고 있지만, 전하 이동도가 낮기 때문에, 고성능 박막 트랜지스터를 제조하는데 한계가 있다. 또한, 다결정 실리콘(polysilicon)을 사용하는 경우, 전하 이동도가 높아 고성능 박막 트랜지스터의 제조가 용이하지만, 원가가 비싸고 균일도가 낮아 대형의 박막 트랜지스터 표시판을 제조하는데 한계가 있다.
이에 따라, 비정질 실리콘보다 전자 이동도가 높고 전류의 ON/OFF 비율이 높으면서, 다결정 실리콘보다 원가가 저렴하고 균일도가 높은 산화물 반도체(oxide semiconductor)를 이용하는 박막 트랜지스터에 대한 연구가 진행되고 있다.
산화물 반도체로 아연 산화물(ZnO), 주석 산화물(SnO2) 및 아연-주석 산화물(ZnSnO) 등을 사용하는 것에 대한 연구가 진행되고 있다. 더 나아가 산화물 반도체의 특성을 개량하기 위해 모재료에 새로운 물질을 첨가하는 연구가 진행되고 있으나, 주기율표에서 특별한 이론적 근거 없이 첨가되는 물질을 선정하여 박막 트랜지스터를 샘플 제작한 후 그 특성을 검증하는 방법으로 비효율적이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이론적 근거를 바탕으로 산화물 반도체의 모재료에 첨가되는 물질을 사용함으로 우수한 특성을 갖는 산화물 반도체, 이를 포함하는 박막 트랜지스터 및 박막 트랜지스터 표시판을 제공하는데 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 산화물 반도체는 아연(Zn) 및 주석(Sn) 중에서 적어도 하나의 원소를 포함하는 제1 물질 그리고 상기 제1 물질에 첨가되는 제2 물질을 포함하고, 상기 제1 물질과 산소(O)와의 전기 음성도 차이값에서 상기 제2 물질과 산소(O)와의 전기 음성도 차이값을 뺀 값이 1.3이하이다.
상기 제1 물질을 구성하는 원소의 이온 반경과 상기 제2 물질의 이온 반경 차이가 0.35 옹스트롱(angstrom) 이하일 수 있다.
상기 제1 물질의 결정 구조는 테트라고널(tetragonal) 구조 및 옥타고널(octagonal) 구조 중에 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 물질은 이트륨(Y), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 란탄(La), 스칸듐(Sc), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 및 실리콘(Si) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 물질은 인듐(In) 또는 갈륨(Ga)을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 물질은 아연 산화물(ZnO)이고, 상기 제1 물질에 포함된 아연과 산소와의 전기 음성도 차이값과 상기 제2 물질과 산소와의 전기 음성도 차이값을 뺀 값이 0.8이하일 수 있다.
상기 제1 물질의 이온 반경과 상기 제2 물질의 이온 반경 차이가 0.35 옹스트롱(angstrom) 이하일 수 있다.
상기 제1 물질의 결정 구조는 테트라고널 구조 및 옥타고널 구조 중에 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 물질은 주석 산화물(SnO)이고, 상기 제1 물질에 포함된 주석과 산소와의 전기 음성도 차이값과 상기 제2 물질과 산소와의 전기 음성도 차이값을 뺀 값이 0.5이하일 수 있다.
상기 제1 물질의 이온 반경과 상기 제2 물질의 이온 반경 차이가 0.8 옹스트롱(angstrom) 이하일 수 있다.
상기 제1 물질의 결정 구조는 테트라고널 구조 및 옥타고널 구조 중에 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 트랜지스터는 게이트 전극, 소스 전극, 상기 소스 전극과 마주보는 드레인 전극, 상기 게이트 전극과 상기 소스 전극 또는 상기 드레인 전극 사이에 위치하는 산화물 반도체 그리고 상기 게이트 전극과 상기 소스 전극 또는 상기 드레인 전극 사이에 위치하는 게이트 절연막을 포함하고, 상기 산화물 반도체는 아연(Zn) 및 주석(Sn) 중에서 적어도 하나의 원소를 포함하는 제1 물질 그리고 상기 제1 물질에 첨가되는 제2 물질을 포함하고, 상기 제1 물질과 산소(O)와의 전기 음성도 차이값에서 상기 제2 물질과 산소(O)와의 전기 음성도 차이값을 뺀 값이 1.3이하이다.
상기 제1 물질의 이온 반경과 상기 제2 물질의 이온 반경 차이가 0.35 옹스트롱(angstrom) 이하일 수 있다.
상기 제2 물질은 이트륨(Y), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 란탄(La), 스칸듐(Sc), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 및 실리콘(Si) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 물질은 인듐(In) 또는 갈륨(Ga)을 더 포함할 수 있다.
상기 게이트 전극은 상기 산화물 반도체 아래에 위치하고, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극은 상기 산화물 반도체 위에 위치할 수 있다.
상기 게이트 전극은 상기 산화물 반도체 위에 위치하고, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극은 상기 산화물 반도체 아래에 위치할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막 트랜지스터 표시판은 기판, 상기 기판 위에 위치하고, 게이트 전극을 포함하는 게이트선, 상기 게이트선 위에 위치하는 게이트 절연막, 상기 게이트 절연막 위에 위치하는 산화물 반도체, 상기 산화물 반도체 위에 위치하고, 소스 전극과 연결되어 있는 데이터선, 상기 산화물 반도체 위에서 상기 소스 전극과 마주하는 드레인 전극 그리고 상기 데이터선 위에 위치하는 보호막을 포함하고, 상기 산화물 반도체는 아연(Zn) 및 주석(Sn) 중에서 적어도 하나의 원소를 포함하는 제1 물질 그리고 상기 제1 물질에 첨가되는 제2 물질을 포함하고, 상기 제1 물질과 산소(O)와의 전기 음성도 차이값에서 상기 제2 물질과 산소(O)와의 전기 음성도 차이값을 뺀 값이 1.3이하이다.
상기 제1 물질의 이온 반경과 상기 제2 물질의 이온 반경 차이가 0.35 옹스트롱(angstrom) 이하일 수 있다.
상기 제2 물질은 이트륨(Y), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 란탄(La), 스칸듐(Sc), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 및 실리콘(Si) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 물질은 인듐(In) 또는 갈륨(Ga)을 더 포함할 수 있다.
상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극은 상기 산화물 반도체와 접촉할 할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 한 실시예에 따르면, 전기 음성도 차이와 이온 반경 차이를 고려하여 산화물 반도체의 모재료에 첨가되는 원소를 선택, 사용함으로써 박막 트랜지스터의 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 산화물 반도체를 구성하는 물질의 전기 음성도 차이를 나타내는 그래프이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 산화물 반도체를 구성하는 물질의 이온 반경 차이를 나타내는 그래프들이다.
도 5는 전하의 이동도와 전기 음성도 차이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 문턱 전압과 이온 반경 차이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 트랜지스터의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 박막 트랜지스터의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막 트랜지스터 표시판의 평면도이다.
도 10은 도 9의 박막 트랜지스터 표시판을 X-X'선을 따라 자른 단면도이다.
첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 산화물 반도체에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 산화물 반도체는 아연(Zn) 및 주석(Sn) 중 적어도 하나의 원소를 포함하는 제1 물질을 포함한다. 여기서, 상기 제1 물질은 아연 산화물, 주석 산화물, 아연-주석 산화물을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 산화물 반도체는 상기 제1 물질에 첨가되는 제2 물질을 포함한다. 상기 제2 물질은 하기와 같은 조건을 고려하여 선정될 수 있다.
첫째 조건은, 제1 물질을 구성하는 원소와 산소와의 전기 음성도 차이에서 제2 물질을 구성하는 원소와 산소와의 전기 음성도 차이를 뺀 값이 기설정된 값 이하이다. 예를 들면, 제1 물질을 구성하는 원소가 아연(Zn) 또는 주석(Sn)이고, 제2 물질을 구성하는 원소를 X원소라고 할 때 전기 음성도 차이는 하기 식 (1)과 같이 나타난다.
E(전기 음성도 차이) = ｜(｜EO-EZn｜or ｜EO-ESn｜)-｜EO-EX｜｜ 식 (1)
여기서, 식 ｜EA｜는 A원소의 전기 음성도의 절대값을 나타낸다. 예를 들면, Eo는 산소의 전기 음성도를 나타낸다.
둘째 조건은, 제1 물질을 구성하는 원소의 이온 반경과 제2 물질을 구성하는 원소의 이온 반경 차이가 기설정된 값 이하이다.
상기 제2 물질은 이트륨(Y), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 란탄(La), 스칸듐(Sc), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 및 실리콘(Si) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 물질에 인듐 또는 갈륨이 더 포함될 수 있다. 하지만, 인듐 및 갈륨은 원가가 매우 비싸기 때문에 다른 실시예에 따른 산화물 반도체는 인듐 및 갈륨을 포함하지 않을 수 있다.
상기 첫째 조건에서 기설정된 값은 모재료인 제1 물질에 따라 변경될 수 있다. 이하에서는 모재료가 아연-주석 산화물인 경우에 대하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 산화물 반도체를 구성하는 물질의 전기 음성도 차이를 나타내는 그래프이다. 하기 표 1 및 표 2는 도 1의 그래프를 나타내기 위한 데이터 값을 보여준다. 아연(Zn)의 전기 음성도 값은 1.65이고, 주석(Sn)의 전기 음성도 값은 1.96이며, 산소(O)의 전기 음성도 값은 3.44이다.
Element X Electronegativity ｜EO-EX｜ ｜｜EO-EZn｜-｜EO-EX｜｜
Al 1.61 1.83 0.04
Nb 1.6 1.84 0.05
Ti 1.54 1.9 0.11
Ta 1.5 1.94 0.15
Ga 1.81 1.63 0.16
Sc 1.36 2.08 0.29
Mg 1.31 2.13 0.34
Hf 1.3 2.14 0.35
Y 1.22 2.22 0.43
Ce 1.12 2.32 0.53
La 1.1 2.34 0.55
Element X Electronegativity ｜EO-EX｜ ｜｜EO-ESn｜-｜EO-EX｜｜
Ga 1.81 1.63 0.15
Al 1.61 1.83 0.35
Nb 1.6 1.84 0.36
Ti 1.54 1.9 0.42
Ta 1.5 1.94 0.46
Sc 1.36 2.08 0.6
Mg 1.31 2.13 0.65
Hf 1.3 2.14 0.66
Y 1.22 2.22 0.74
Ce 1.12 2.32 0.84
La 1.1 2.34 0.86
도 1, 표 1 및 표 2를 참고하면, 갈륨, 알루미늄, 니오븀, 티타늄, 탄탈늄 등의 원소와 산소와의 전기 음성도 차이가 모재료인 아연 및 주석 각각과 산소와의 전기 음성도 차이와 비교할 때, 상대적으로 그 차이가 적게 나타남을 확인할 수 있다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 산화물 반도체를 구성하는 물질의 이온 반경 차이를 나타내는 그래프들이다.
도 2는 본 실시예에 따른 산화물 반도체의 모재료에 해당하는 아연 및 주석의 결정 구조가 테트라고널(tetragonal) 구조일 때, 제1 물질을 구성하는 아연 및 주석 각각과 제2 물질을 구성하는 원소의 이온 반경 차이를 나타내고, 도 3은 아연 및 주석의 결정 구조가 옥타고널(octagonal) 구조일 때, 제1 물질을 구성하는 아연 및 주석 각각과 제2 물질을 구성하는 원소의 이온 반경 차이를 나타낸다.
도 4는 도 2에서 나타낸 테트라고널 구조의 아연과 대표적인 몇 개의 제2 물질을 구성하는 원소의 이온 반경 차이를 나타낸다. 하기 표 3 및 표 4는 도 2 내지 도 4의 그래프를 나타내기 위한 데이터 값을 보여준다.
Ion Ion radius(Å) Zn(tetra)
(0.74)		 Ion Ion radius(Å) Zn(octa)
(0.88)
Mg2+ 0.72 0.02 Y3+ 0.93 0.05
Zr4+ 0.72 0.02 Sc3+ 0.81 0.07
Nb3+ 0.72 0.02 La3+ 1.03 0.15
Ta3+ 0.72 0.02 Mg2+ 0.72 0.16
Hf4+ 0.71 0.03 Zr4+ 0.72 0.16
Ta4+ 0.68 0.06 Nb3+ 0.72 0.16
Sc3+ 0.81 0.07 Ta3+ 0.72 0.16
Ga3+ 0.62 0.12 Hf4+ 0.71 0.17
V3+ 0.61 0.13 Ce3+ 1.06 0.18
Ti4+ 0.6 0.14 Ta4+ 0.68 0.2
Y3+ 0.93 0.19 Ga3+ 0.62 0.26
Al3+ 0.53 0.21 V3+ 0.61 0.27
La3+ 1.03 0.29 Ti4+ 0.6 0.28
Ce3+ 1.06 0.32 Al3+ 0.53 0.35
Si4+ 0.4 0.34 Si4+ 0.4 0.48
Ion Ion radius(Å) Sn(tetra)
(0.69)		 Ion Ion radius(Å) Sn(octa)
(0.83)
Ta4+ 0.68 0.01 Sc3+ 0.81 0.02
Hf4+ 0.71 0.02 Y3+ 0.93 0.1
Mg2+ 0.72 0.03 Mg2+ 0.72 0.11
Zr4+ 0.72 0.03 Zr4+ 0.72 0.11
Nb3+ 0.72 0.03 Nb3+ 0.72 0.11
Ta3+ 0.72 0.03 Ta3+ 0.72 0.11
Ga3+ 0.62 0.07 Hf4+ 0.71 0.12
V3+ 0.61 0.08 Ta4+ 0.68 0.15
Ti4+ 0.6 0.09 La3+ 1.03 0.2
Sc3+ 0.81 0.12 Ga3+ 0.62 0.21
Al3+ 0.53 0.16 V3+ 0.61 0.22
Y3+ 0.93 0.24 Ti4+ 0.6 0.23
Si4+ 0.4 0.29 Ce3+ 1.06 0.23
La3+ 1.03 0.34 Al3+ 0.53 0.3
Ce3+ 1.06 0.37 Si4+ 0.4 0.43
도 2 내지 4, 표 3 및 표 4를 참고하면, 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 니오븀(Nb), 스칸듐(Sc), 갈륨(Ga) 등의 원소가 모재료인 아연, 주석과의 이온 반경 차이가 상대적으로 적게 나타남을 확인할 수 있다.
본 실시예에 따른 산화물 반도체에서 모재료가 아연-주석 산화물인 경우 하기 식 (2)에서 전기 음성도 차이가 1.3이하일 수 있다.
E(전기 음성도 차이) = ｜(｜EO-EZn｜+｜EO-ESn｜)-2｜EO-EX｜｜ 식 (2)
또한, 제1 물질을 구성하는 원소인 아연 및 주석 각각의 이온 반경과 상기 제2 물질의 이온 반경 차이의 합이 1.6 옹스트롱(angstrom) 이하일 수 있다.
하지만, 1.3 이하의 전기 음성도 차이값과 1.6 옹스트롱 이하의 이온 반경 차이값은 산화물 반도체의 모재료가 변경됨에 따라 변할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 물질이 아연 산화물(ZnO)인 경우에 아연과 산소와의 전기 음성도 차이값과 상기 제2 물질과 산소와의 전기 음성도 차이값을 뺀 값이 0.8이하일 수 있다. 또한, 상기 제1 물질의 이온 반경과 상기 제2 물질의 이온 반경 차이가 0.35 옹스트롱 이하일 수 있다.
상기 제1 물질이 주석 산화물(SnO)인 경우에 주석과 산소와의 전기 음성도 차이값과 상기 제2 물질과 산소와의 전기 음성도 차이값을 뺀 값이 0.5이하일 수 있다. 또한, 상기 제1 물질의 이온 반경과 상기 제2 물질의 이온 반경 차이가 0.35 옹스트롱 이하일 수 있다.
이하에서는, 앞에서 설명한 산화물 반도체를 포함하는 박막 트랜지스터의 특성에 대해 살펴보기로 한다.
산화물 반도체를 구성하는 모재료와 이에 첨가되는 물질 각각의 전기음성도와 산소와의 전기 음성도 차이 및 이온 반경 차이가 박막 트랜지스터의 특성에 미치는 영향을 살펴보기 위해 실험 예로써, 전기 음성도 차이에 따른 전하의 이동도를 측정해 보았다.
도 5는 본 실험예에 따른 전기 음성도 차이와 전하의 이동도의 관계를 나타내는 그래프이고, 도 6은 본 실험예에 따른 문턱 전압과 이온 반경 차이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5를 참고하면, 산화물 반도체를 구성하는 모재료와 이에 첨가되는 물질의 전기 음성도 차이가 커짐에 따라 전하 이동도가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
산화물 반도체로부터 산소가 빠져 나간 것을 산소 결여라고 하며, 산소 결여 발생시 캐리어(carrier) 역할을 하는 전자가 발생할 수 있다. 모재료를 구성하는 원소와 산소의 전기 음성도 차이에서 이에 첨가되는 물질과 산소의 전기 음성도 차이를 뺀 값이 크면 전하 이동도가 상대적으로 낮아지며, 모재료를 구성하는 원소와 산소의 전기 음성도 차이에서 이에 첨가되는 물질과 산소의 전기 음성도 차이를 뺀 값이 작으면 전하 이동도가 상대적으로 커진다. 이것은 모재료를 구성하는 원소와 산소의 전기 음성도 차이에서 이에 첨가되는 물질과 산소의 전기 음성도 차이를 뺀 값이 상대적으로 클수록 산소 결여가 발생할 확률이 작아지고, 산소 결여로 발생하는 전자의 농도가 증가하는 것을 방지하기 때문이다.
도 6을 참고하면, 모재료를 구성하는 원소의 이온 반경과 이에 첨가되는 물질의 이온 반경의 차이가 커짐에 따라 문턱 전압의 변경 정도가 커짐을 확인할 수 있다. 여기서, 문턱 전압의 변경 정도가 크면 클수록 박막 트랜지스터의 신뢰성이 감소하는 것을 나타낸다.
모재료를 구성하는 원소의 이온 반경과 이에 첨가되는 물질의 이온 반경의 차이가 클수록 격자 왜곡(lattice distortion)이 일어나 침입형 위치(interstitial site)가 형성될 가능성이 높아진다. 이에 따라 산화물 반도체에 결함이 발생할 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 산화물 반도체를 포함하는 박막 트랜지스터는 전기 음성도 차이와 이온 반경 차이를 이론적 근거로 하여 모재료에 첨가되는 물질을 선정함으로써 시행착오를 줄이고 우수한 특성을 갖는 박막 트랜지스터를 제조할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터에 대하여 도 7을 참고하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터의 단면도이다.
제1 기판(110) 위에 게이트 전극(124)이 위치한다. 기판(110)은 절연 기판일 수 있으며, 플라스틱 또는 유리 등을 포함할 수 있다.
게이트 전극(124)은 알루미늄(Al)이나 알루미늄 합금 등 알루미늄 계열 금속, 은(Ag)이나 은 합금 등 은 계열 금속, 구리(Cu), 구리망간(CuMn)과 같은 구리 합금 등 구리 계열 금속, 몰리브덴(Mo)이나 몰리브덴 합금 등 몰리브덴 계열 금속, 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta) 및 티타늄(Ti) 등을 포함할 수 있다. 또는 게이트 전극(124)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), AZO(aluminium doped ZnO) 등의 투명성 도전 물질을 포함할 수도 있다. 게이트 전극(124)는 두 개 이상의 도전막(도시하지 않음)을 포함하는 다중막 구조를 가질 수도 있다.
게이트 전극(124) 위에 게이트 절연막(140)이 위치한다. 게이트 절연막(140)은 질화규소(SiNx), 산화규소(SiOx), SiON(silicon oxynitride), 유기 절연 물질 등을 포함할 수 있다. 게이트 절연막(140)은 두 개 이상의 절연막(도시하지 않음)을 포함하는 다중막 구조를 가질 수도 있다. 예를 들어, 게이트 절연막(140)의 상층부는 SiOx, 하층부는 SiNx일 수 있으며, 또는 상층부는 SiOx, 하층부는 SiON일 수 있다. 산화물 반도체(154)와 접촉하는 게이트 절연막(140)이 산화물을 포함하는 경우, 채널층의 열화를 방지할 수 있다.
게이트 절연막(140) 위에 산화물 반도체(154)가 위치한다.
산화물 반도체(154)는 아연(Zn) 및 주석(Sn) 중 적어도 하나의 원소를 포함하는 제1 물질과 상기 제1 물질에 첨가되는 제2 물질을 포함한다. 여기서, 산화물 반도체(154)는 아연 산화물, 주석 산화물, 아연-주석 산화물을 포함할 수 있다. 상기 제2 물질은 하기와 같은 조건을 고려하여 선정될 수 있다.
첫째 조건은, 제1 물질을 구성하는 원소와 산소와의 전기 음성도 차이와 제2 물질을 구성하는 원소와 산소와의 전기 음성도 차이를 뺀 값이 기설정된 값 이하이다. 예를 들면, 제1 물질을 구성하는 원소가 아연(Zn) 또는 주석(Sn)이고, 제2 물질을 구성하는 원소를 X원소라고 할 때 전기 음성도 차이는 하기 식 (1)과 같이 나타난다.
E(전기 음성도 차이) = ｜(｜EO-EZn｜or ｜EO-ESn｜)-｜EO-EX｜｜ 식 (1)
여기서, 식 ｜EA｜는 A원소의 전기 음성도의 절대값을 나타낸다.
둘째 조건은, 제1 물질을 구성하는 원소의 이온 반경과 제2 물질을 구성하는 원소의 이온 반경 차이가 기설정된 값 이하이다.
상기 제2 물질은 이트륨(Y), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 란탄(La), 스칸듐(Sc), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 및 실리콘(Si) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 물질에 인듐 또는 갈륨이 더 포함될 수 있다. 하지만, 인듐 및 갈륨은 원가가 매우 비싸 경우에 본 실시예에 따른 산화물 반도체는 인듐 및 갈륨을 포함하지 않을 수 있다.
상기 첫째 조건에서 기설정된 값은 모재료인 제1 물질에 따라 변경될 수 있다. 모재료가 아연-주석 산화물인 경우 하기 식 (2)에서 전기 음성도 차이가 1.3이하일 수 있다.
E(전기 음성도 차이) = ｜(｜EO-EZn｜+｜EO-ESn｜)-2｜EO-EX｜｜ 식 (2)
또한, 제1 물질을 구성하는 원소인 아연 및 주석 각각의 이온 반경과 상기 제2 물질의 이온 반경 차이의 합이 1.6 옹스트롱(angstrom) 이하일 수 있다.
하지만, 1.3이하의 전기 음성도 차이값과 1.6 옹스트롱 이하의 이온 반경 차이값은 산화물 반도체의 모재료가 변경됨에 따라 변할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 물질이 아연 산화물(ZnO)인 경우에 아연과 산소와의 전기 음성도 차이값과 상기 제2 물질과 산소와의 전기 음성도 차이값을 뺀 값이 0.8이하일 수 있다. 또한, 상기 제1 물질의 이온 반경과 상기 제2 물질의 이온 반경 차이가 0.35 옹스트롱 이하일 수 있다.
상기 제1 물질이 주석 산화물(SnO)인 경우에 주석과 산소와의 전기 음성도 차이값과 상기 제2 물질과 산소와의 전기 음성도 차이값을 뺀 값이 0.5 이하일 수 있다. 또한, 상기 제1 물질의 이온 반경과 상기 제2 물질의 이온 반경 차이가 0.35 옹스트롱 이하일 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 박막 트랜지스터의 단면도이다.
도 8의 박막 트랜지스터는 게이트 전극(124)이 산화물 반도체(154) 위에 위치하고, 소스 전극(173)과 드레인 전극(175)이 산화물 반도체(154) 아래에 위치하는 것이 도 7의 박막 트랜지스터와의 차이점이다. 각 구성 요소의 재료, 다중막 구조, 산화물 반도체 등에 대한 설명은 도 7의 박막 트랜지스터의 설명이 그대로 적용될 수 있다.
그러면, 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터 표시판에 대하여 도 9 및 도 10을 참고하여 상세하게 설명한다. 이하에서는 액정 표시 장치에 이용되는 박막 트랜지스터 표시판을 예로 들어 설명한다. 하지만, 박막 트랜지스터 표시판은 유기 발광 표시 장치 등의 평판 표시 장치에 응용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터 표시판의 평면도이다. 도 10은 도 9의 박막 트랜지스터 표시판을 X-X'선을 따라 자른 단면도이다.
유리, 플라스틱 등으로 만들어진 절연성 기판(110) 위에 게이트선(121, 129), 게이트 전극(124), 유지 전극선(storage electrode line)(131) 및 유지 전극(137)이 위치한다. 게이트선(121)은 게이트 신호를 전달하며, 대략 행 방향으로 뻗어 있고, 위로 돌출된 복수의 게이트 전극(124)을 포함하며, 게이트 선(121)의 끝부분(129)을 포함한다. 그러나, 게이트 전극의 끝부분(129)은 생략될 수 있다.
유지 전극선(131)은 소정의 전압을 인가 받으며, 게이트선(121)과 실질적으로 평행하게 뻗어 있으며, 대략 사각형인 유지 전극(137)을 포함한다. 이때, 유지 전극선(131)과 유지 전극(137)의 모양과 배치는 다양하게 변형될 수 있다. 그러나, 유지 전극선(131)과 유지 전극(137)은 생략될 수 있다.
게이트선(121, 129) 및 유지 전극선(131)은 알루미늄이나 알루미늄 합금 등 알루미늄 계열 금속, 은이나 은 합금 등 은 계열 금속, 구리, 구리망간과 같은 구리 합금 등 구리 계열 금속, 몰리브덴이나 몰리브덴 합금 등 몰리브덴 계열 금속, 크롬, 탄탈륨 및 티타늄 따위로 만들어질 수 있다. 또는 게이트선(121, 129) 및 유지 전극선(131)는 ITO, IZO, AZO 등의 투명성 도전 물질로 만들어질 수도 있다. 게이트선(121, 129) 및 유지 전극선(131)은 두 개 이상의 도전막(도시하지 않음)을 포함하는 다중막 구조를 가질 수도 있다.
게이트선(121) 및 유지 전극선(131) 위에는 게이트 절연막(140)이 위치한다. 게이트 절연막(140)은 질화규소, 산화규소, SiON, 유기 절연 물질 등을 포함할 수 있다. 게이트 절연막(140)은 두 개 이상의 절연막(도시하지 않음)을 포함하는 다중막 구조를 가질 수도 있다. 예를 들어, 게이트 절연막(140)의 상층부는 산화 규소(SiOx), 하층부는 질화 규소(SiNx)일 수 있으며, 또는 상층부는 산화 규소(SiOx), 하층부는 산질화 규소(SiON)일 수 있다. 산화물 반도체(154)와 접촉하는 게이트 절연막(140)이 산화물을 포함하는 경우, 채널층의 열화를 방지할 수 있다.
게이트 절연막(140) 위에는 산화물 반도체(154)가 위치한다.
산화물 반도체(154)는 아연(Zn) 및 주석(Sn) 중 적어도 하나의 원소를 포함하는 제1 물질과 상기 제1 물질에 첨가되는 제2 물질을 포함한다. 여기서, 산화물 반도체(154)는 아연 산화물, 주석 산화물, 아연-주석 산화물을 포함할 수 있다. 상기 제2 물질은 하기와 같은 조건을 고려하여 선정될 수 있다.
첫째 조건은, 제1 물질을 구성하는 원소와 산소와의 전기 음성도 차이와 제2 물질을 구성하는 원소와 산소와의 전기 음성도 차이를 뺀 값이 기설정된 값 이하이다. 예를 들면, 제1 물질을 구성하는 원소가 아연(Zn) 또는 주석(Sn)이고, 제2 물질을 구성하는 원소를 X원소라고 할 때 전기 음성도 차이는 하기 식 (1)과 같이 나타난다.
E(전기 음성도 차이) = ｜(｜EO-EZn｜or ｜EO-ESn｜)-｜EO-EX｜｜ 식 (1)
여기서, 식 ｜EA｜는 A원소의 전기 음성도의 절대값을 나타낸다. 예를 들면, Eo는 산소의 전기 음성도를 나타낸다.
둘째 조건은, 제1 물질을 구성하는 원소의 이온 반경과 제2 물질을 구성하는 원소의 이온 반경 차이가 기설정된 값 이하이다.
상기 제2 물질은 이트륨(Y), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 란탄(La), 스칸듐(Sc), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 및 실리콘(Si) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 물질에 인듐 또는 갈륨이 더 포함될 수 있다. 하지만, 인듐 및 갈륨은 원가가 매우 비싸 경우에 다른 실시예에 따른 산화물 반도체는 인듐 및 갈륨을 포함하지 않을 수 있다.
상기 첫째 조건에서 기설정된 값은 모재료인 제1 물질에 따라 변경될 수 있다. 모재료가 아연-주석 산화물인 경우 하기 식 (2)에서 전기 음성도 차이가 1.3이하일 수 있다.
E(전기 음성도 차이) = ｜(｜EO-EZn｜+｜EO-ESn｜)-2｜EO-EX｜｜ 식 (2)
또한, 제1 물질을 구성하는 원소인 아연 및 주석 각각의 이온 반경과 상기 제2 물질의 이온 반경 차이의 합이 1.6 옹스트롱(angstrom) 이하일 수 있다.
하지만, 1.3 이하의 전기 음성도 차이값과 1.6 옹스트롱 이하의 이온 반경 차이값은 산화물 반도체의 모재료가 변경됨에 따라 변할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 물질이 아연 산화물(ZnO)인 경우에 아연과 산소와의 전기 음성도 차이값과 상기 제2 물질과 산소와의 전기 음성도 차이값을 뺀 값이 0.8이하일 수 있다. 또한, 상기 제1 물질의 이온 반경과 상기 제2 물질의 이온 반경 차이가 0.35 옹스트롱 이하일 수 있다.
상기 제1 물질이 주석 산화물(SnO)인 경우에 주석과 산소와의 전기 음성도 차이값과 상기 제2 물질과 산소와의 전기 음성도 차이값을 뺀 값이 0.5 이하일 수 있다. 또한, 상기 제1 물질의 이온 반경과 상기 제2 물질의 이온 반경 차이가 0.35 옹스트롱 이하일 수 있다.
산화물 반도체(154) 위에는 데이터선(171, 179)과 소스 전극(173), 드레인 전극(drain electrode)(175)이 위치한다. 산화물 반도체(154)와 데이터선(171, 179) 사이에는 불순물이 도포된 저항성 접촉층이 위치하지 않을 수 있다. 데이터선(171)은 데이터 전압을 전달하며 대략 열 방향으로 뻗어 게이트선(121)과 교차한다. 데이터선(171)은 데이터선(171)의 끝부분(179)을 포함하며, 게이트 전극(124) 위에서 U 자형으로 굽은 소스 전극(173)과 연결되어 있다. 이외에도 소스 전극(173)의 모양은 다양하게 변형될 수 있다.
드레인 전극(175)은 데이터선(171)과 분리되어 있으며, 가는 부분(narrow portion)과 확장부(wide portion)(177)를 포함한다. 가는 부분은 소스 전극(173)으로 둘러싸인 끝 부분을 포함하며, 확장부(177)는 거의 사각형이고 유지 전극(137)과 중첩한다. 드레인 전극(175)의 확장부(177)는 유지 전극(137)과 거의 동일한 면적을 차지할 수 있다.
데이터선(171, 179), 소스 전극(173) 및 드레인 전극(175, 177)은 알루미늄이나 알루미늄 합금 등 알루미늄 계열 금속, 은이나 은 합금 등 은 계열 금속, 구리나 구리망간과 같은 구리 합금 등 구리 계열 금속, 몰리브덴이나 몰리브덴 합금 등 몰리브덴 계열 금속, 크롬, 탄탈륨 및 티타늄 따위로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 몰리브덴 합금으로 Mo-Nb, Mo-Ti가 있다. 또는 데이터선(171, 179), 소스 전극(173) 및 드레인 전극(175, 177)은 ITO, IZO, AZO 등의 투명성 도전 물질로 만들어질 수도 있다. 데이터선(171, 179), 소스 전극(173) 및 드레인 전극(175, 177)은 두 개 이상의 도전막(도시하지 않음)을 포함하는 다중막 구조를 가질 수도 있다. 예를 들어, Mo/Al/Mo, Mo/Al, Mo/Cu, CuMn/Cu, Ti/Cu 등이 있다.
한편, 게이트 전극(124), 소스 전극(173) 및 드레인 전극(175)은 산화물 반도체(154)와 함께 박막 트랜지스터를 이루며, 박막 트랜지스터의 채널은 소스 전극(173)과 드레인 전극(175) 사이의 반도체(154)에 위치한다. 드레인 전극(175)은 화소 전극(191)과 연결되어 구동 전압을 인가할 수 있다.
산화물 반도체(154) 및 데이터선(171, 179)과 드레인 전극(175, 177)은 실질적으로 동일한 평면 모양을 가질 수 있다. 다만, 데이터선(171, 179), 소스 전극(173) 및 드레인 전극(175, 177)은 박막 트랜지스터의 채널을 덮고 있지 않다. 게이트 절연막(140), 산화물 반도체(154) 및 데이터선(171, 179)과 드레인 전극(177)을 각각 포함하는 3 개의 층이 차례로 전면에 도포된 후, 1 매의 마스크를 이용하여 패터닝될 수 있다. 그러나, 산화물 반도체(154)와 데이터선(171, 179)이 각각 1 매의 마스크를 사용하여 형성될 수도 있다.
데이터선(171, 179)과 드레인 전극(175) 위에는 질화 규소, 산화 규소, 산질화 규소(SiON) 등을 포함하는 보호막(180)이 위치한다. 보호막(180)은 유기 절연 물질을 포함할 수 있다. 보호막(180)은 다중막으로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 보호막(180)의 하부는 산화 규소(SiOx), 상부는 질화 규소(SiNx)일 수 있으며, 또는 하부는 산화 규소(SiOx), 상부는 산질화 규소(SiON)일 수 있다. 산화물 반도체(154)와 접촉하는 보호막(180)이 산화물을 포함하는 경우, 채널층의 열화를 방지할 수 있다. 보호막(180)은 드레인 전극(177) 노출하는 접촉 구멍(185)를 포함하고, 또한 데이터선의 끝부분(179)을 노출하는 접촉 구멍(182)를 포함한다. 접촉 구멍(185)를 통하여 화소 전극(191)과 드레인 전극(177)이 연결되어 있다. 접촉 구멍(182)를 통하여 연결 부재(82)와 데이터선의 끝부분(179)이 연결되어 있다.
보호막(180) 위에 화소 전극(191)이 위치한다. 화소 전극(191)은 ITO, IZO 등을 포함하는 투명한 도전성 산화물을 포함할 수 있다. 연결 부재(81, 82)는 게이트선의 끝부분(129) 위 또는 데이터선의 끝부분(179) 위에 위치한다. 연결 부재(81, 82)는 화소 전극(191)과 동일한 재료로 형성될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
121, 129: 게이트선 124: 게이트 전극
154: 산화물 반도체 171, 179: 데이터선
173: 소스 전극 175: 드레인 전극
191: 화소 전극

Claims (22)

  1. 아연(Zn) 및 주석(Sn) 중에서 적어도 하나의 원소를 포함하는 제1 물질 그리고
    상기 제1 물질에 첨가되는 제2 물질을 포함하고,
    상기 제1 물질과 산소(O)와의 전기 음성도 차이값에서 상기 제2 물질과 산소(O)와의 전기 음성도 차이값을 뺀 값이 1.3이하인 산화물 반도체.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 물질을 구성하는 원소의 이온 반경과 상기 제2 물질의 이온 반경 차이가 0.35 옹스트롱(angstrom) 이하인 산화물 반도체.
  3. 제2항에서,
    상기 제1 물질의 결정 구조는 테트라고널(tetragonal) 구조 및 옥타고널(octagonal) 구조 중에 적어도 하나를 포함하는 산화물 반도체.
  4. 제3항에서,
    상기 제2 물질은 이트륨(Y), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 란탄(La), 스칸듐(Sc), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 및 실리콘(Si) 중 적어도 하나를 포함하는 산화물 반도체.
  5. 제4항에서,
    상기 제1 물질은 인듐(In) 또는 갈륨(Ga)을 더 포함하는 산화물 반도체.
  6. 제1항에서,
    상기 제1 물질은 아연 산화물(ZnO)이고, 상기 제1 물질에 포함된 아연과 산소와의 전기 음성도 차이값과 상기 제2 물질과 산소와의 전기 음성도 차이값을 뺀 값이 0.8이하인 산화물 반도체.
  7. 제6항에서,
    상기 제1 물질의 이온 반경과 상기 제2 물질의 이온 반경 차이가 0.35 옹스트롱(angstrom) 이하인 산화물 반도체.
  8. 제7항에서,
    상기 제1 물질의 결정 구조는 테트라고널 구조 및 옥타고널 구조 중에 적어도 하나를 포함하는 산화물 반도체.
  9. 제1항에서,
    상기 제1 물질은 주석 산화물(SnO)이고, 상기 제1 물질에 포함된 주석과 산소와의 전기 음성도 차이값과 상기 제2 물질과 산소와의 전기 음성도 차이값을 뺀 값이 0.5이하인 산화물 반도체.
  10. 제9항에서,
    상기 제1 물질의 이온 반경과 상기 제2 물질의 이온 반경 차이가 0.8 옹스트롱(angstrom) 이하인 산화물 반도체.
  11. 제10항에서,
    상기 제1 물질의 결정 구조는 테트라고널 구조 및 옥타고널 구조 중에 적어도 하나를 포함하는 산화물 반도체.
  12. 게이트 전극,
    소스 전극,
    상기 소스 전극과 마주보는 드레인 전극,
    상기 게이트 전극과 상기 소스 전극 또는 상기 드레인 전극 사이에 위치하는 산화물 반도체 그리고
    상기 게이트 전극과 상기 소스 전극 또는 상기 드레인 전극 사이에 위치하는 게이트 절연막을 포함하고,
    상기 산화물 반도체는
    아연(Zn) 및 주석(Sn) 중에서 적어도 하나의 원소를 포함하는 제1 물질 그리고
    상기 제1 물질에 첨가되는 제2 물질을 포함하고,
    상기 제1 물질과 산소(O)와의 전기 음성도 차이값에서 상기 제2 물질과 산소(O)와의 전기 음성도 차이값을 뺀 값이 1.3이하인 박막 트랜지스터.
  13. 제12항에서,
    상기 제1 물질의 이온 반경과 상기 제2 물질의 이온 반경 차이가 0.35 옹스트롱(angstrom) 이하인 박막 트랜지스터.
  14. 제13항에서,
    상기 제2 물질은 이트륨(Y), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 란탄(La), 스칸듐(Sc), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 및 실리콘(Si) 중 적어도 하나를 포함하는 박막 트랜지스터.
  15. 제14항에서,
    상기 제1 물질은 인듐(In) 또는 갈륨(Ga)을 더 포함하는 박막 트랜지스터.
  16. 제12항에서,
    상기 게이트 전극은 상기 산화물 반도체 아래에 위치하고, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극은 상기 산화물 반도체 위에 위치하는 박막 트랜지스터.
  17. 제16항에서,
    상기 게이트 전극은 상기 산화물 반도체 위에 위치하고, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극은 상기 산화물 반도체 아래에 위치하는 박막 트랜지스터.
  18. 기판,
    상기 기판 위에 위치하고, 게이트 전극을 포함하는 게이트선,
    상기 게이트선 위에 위치하는 게이트 절연막,
    상기 게이트 절연막 위에 위치하는 산화물 반도체,
    상기 산화물 반도체 위에 위치하고, 소스 전극과 연결되어 있는 데이터선,
    상기 산화물 반도체 위에서 상기 소스 전극과 마주하는 드레인 전극 그리고
    상기 데이터선 위에 위치하는 보호막을 포함하고,
    상기 산화물 반도체는
    아연(Zn) 및 주석(Sn) 중에서 적어도 하나의 원소를 포함하는 제1 물질 그리고
    상기 제1 물질에 첨가되는 제2 물질을 포함하고,
    상기 제1 물질과 산소(O)와의 전기 음성도 차이값에서 상기 제2 물질과 산소(O)와의 전기 음성도 차이값을 뺀 값이 1.3이하인 박막 트랜지스터 표시판.
  19. 제18항에서,
    상기 제1 물질의 이온 반경과 상기 제2 물질의 이온 반경 차이가 0.35 옹스트롱(angstrom) 이하인 박막 트랜지스터 표시판.
  20. 제19항에서,
    상기 제2 물질은 이트륨(Y), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 란탄(La), 스칸듐(Sc), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 및 실리콘(Si) 중 적어도 하나를 포함하는 박막 트랜지스터 표시판.
  21. 제20항에서,
    상기 제1 물질은 인듐(In) 또는 갈륨(Ga)을 더 포함하는 박막 트랜지스터 표시판.
  22. 제18항에서,
    상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극은 상기 산화물 반도체와 접촉하는 박막 트랜지스터 표시판.

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