KR20140042572A - 표시장치용 산화물 박막 트랜지스터 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산화물 박막트랜지스터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 개시된 발명은 기판상에 형성된 게이트전극과; 상기 게이트전극을 포함한 기판 전면에 형성된 게이트 절연막과; 상기 게이트전극 상측의 게이트 절연막 상에 형성된 액티브패턴과; 상기 액티브패턴의 표면에 형성된 합금 산화막과; 상기 합금 산화막을 포함한 기판 전면에 형성되고, 서로 이격된 소스전극 및 드레인전극;을 포함하여 구성된다.
Description
본 발명은 박막 트랜지스터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 표시장치용 산화물 박막 트랜지스터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
비약적으로 성장하고 있는 평판디스플레이 시장에서 가장 큰 응용 대상으로 TV(Television) 제품이 있다. 현재 TV용 패널로서 액정디스플레이(LCD; Liquid Crystal Display)가 주축을 이루고 있는 가운데, 유기발광디스플레이도 TV로의 응용을 위해 많은 연구가 진행되고 있다.
현재의 TV 용 디스플레이 기술의 방향을 시장에서 요구하는 주요 항목에 초점을 맞추고 있는데, 시장에서 요구하는 사항으로는 대형 TV 또는 DID(Digital Information Display), 저가격, 고화질(동영상 표현력, 고해상도, 밝기, 명암비, 새재현력)이 있다.
이러한 요건에 부합되게 하기 위해서는 유리 등의 기판의 대형화와 함께, 비용 증가 없이 우수한 성능을 갖는 디스플레이 스위칭 및 구동소자로 적용될 박막 트랜지스터(TFT; Thin Film Transistor)가 필요하다.
따라서, 향후의 기술개발은 이러한 추세에 맞게 저가격으로 우수한 성능의 디스플레이 패널을 제작할 수 있는 TFT 제작 기술 확보에 초점이 맞춰져야 할 것이다.
디스플레이의 구동 및 스위칭 소자로서 대표적인 비정질 실리콘 박막트랜지스터(a-Si TFT)는 저가의 비용으로 2m가 넘는 대형 기판상에 균일하게 형성될 수 있는 소자로서 현재 널리 쓰이는 소자이다.
그러나, 디스플레이의 대형화 및 고화질화 추세에 따라 소자 성능 역시 고성능이 요구되어, 이동도 0.5 cm2/Vs 수준의 기존의 a-Si TFT는 한계에 다다를 것으로 판단된다.
따라서, a-Si TFT보다 높은 이동도를 갖는 고성능 TFT 및 제조 기술이 필요하다. 또한, a-Si TFT는 최대의 약점으로서 동작을 계속함에 따라 소자 특성이 계속 열화되어 초기의 성능을 유지할 수 없는 신뢰성 상의 문제를 내포하고 있다.
이것은 a-Si TFT가 교류 구동의 LCD보다는 지속적으로 전류를 흘려 보내면서 동작하는 유기발광디스플레이(OLED; Organic Luminescene Emitted Diode)로 응용되기 힘든 주된 이유이다.
a-Si TFT 대비 월등히 높은 성능을 갖는 다결정 실리콘 박막트랜지스터 (poly-Si TFT)는 수십에서 수백 cm2/Vs의 높은 이동도를 갖기 때문에, 기존 a-Si TFT에서 실현하기 힘들었던 고화질 디스플레이에 적용할 수 있는 성능을 갖을 뿐만 아니라, a-Si TFT 대비 동작에 따른 소자특성 열화 문제가 매우 적다. 그러나, poly-Si TFT를 제작하기 위해서는 a-Si TFT에 비해 많은 수의 공정이 필요하고, 그에 다른 추가 장비 투자 역시 선행되어야 한다.
따라서, p-Si TFT는 디스플레이의 고화질화나 OLED와 같은 제품에 응용되기 적합하지만, 비용 면에서는 기존 a-Si TFT에 비해 열세이므로 응용이 제한적일 수 밖에 없다.
특히, p-Si TFT 의 경우, 제조장비의 한계나 균일도 불량과 같은 기술적인 문제로 현재까지는 1m가 넘는 대형 기판을 이용한 제조 공정이 실현되고 있지 않기 때문에, TV 제품으로의 응용이 어려운 것도, 고성능의 p-Si TFT가 쉽게 시장에 자리 잡기 힘들게 하는 요인이 되고 있다.
따라서, a-Si TFT의 장점(대형화, 저가격화, 균일도)과 poly-Si TFT의 장점(고성능, 신뢰성)을 모두 취할 수 있는 새로운 TFT기술에 대한 요구가 어느 때보다도 크며, 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 그 대표적인 것으로 산화물 반도체가 있다.
이러한 산화물 반도체인 경우 비정질 실리콘(a-Si) TFT에 비해 이동도 (mobility)가 높고, 다결정 실리콘(poly-Si) TFT에 비해서는 제조 공정이 간단하고 제작 비용이 낮다는 장점이 있어, 액정디스플레이(LCD) 및 유기전계발광소자(OLED)로서의 이용 가치가 높다.
이러한 관점에서, 산화물 반도체를 이용한 종래기술에 따른 산화물 박막트랜지스터 구조에 대해 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래기술에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 개략적인 단면도이다.
종래기술에 따른 산화물 박막 트랜지스터(10)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(11) 상에 일정 폭과 길이를 갖고 패턴된 게이트전극(13)과, 상기 게이트전극 (13)을 포함한 기판(11) 전면에 형성된 게이트 절연막(15)과, 상기 게이트 전극 (13) 상측을 포함한 게이트 절연막(15)의 상부에 형성되고 일정 모양으로 패턴 형성된 산화물 반도체로 이루어진 액티브층(17)과, 상기 액티브층(17)과 게이트 절연막(15) 상부에 걸쳐 형성된 소스전극(21) 및 드레인전극(23)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 박막트랜지스터(10)는 식각정지층이 없기 때문에 액티브층(17)이 외부로 노출되므로, 외부 환경 및 식각 조건에 따라 박막트랜지스터 특성이 영향을 받게 된다.
따라서, 이렇게 액티브층(17)이 외부로 노출되므로 인해 박막트랜지스터 특성이 영향받게 되는 것을 해결하기 위해 제안한 구조로, 액티브층의 채널영역 상부 에 식각정지층을 배치하는 구조가 제안되었다.
이러한 식각정지층을 구비한 종래기술에 따른 박막트랜지스터 구조에 대해 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 종래기술에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 개략적인 단면도로서, 액티브층의 채널영역 상부에 식각정지층패턴이 배치된 도면이다.
종래기술에 따른 산화물 박막 트랜지스터(20)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 기판(11) 상에 일정 폭과 길이를 갖고 패턴된 게이트전극(13)과, 상기 게이트전극 (13)을 포함한 기판(11) 전면에 형성된 게이트 절연막(15)과, 상기 게이트 전극 (13) 상측을 포함한 게이트 절연막(15)의 상부에 형성되고 일정 모양으로 패턴 형성된 산화물 반도체로 이루어진 액티브층(17)과, 상기 액티브층(17)의 채널영역 상부에 형성된 식각정지층(17)과; 상기 액티브층(17)과 게이트 절연막(15) 상부에 형성되고, 서로 이격된 소스전극(21) 및 드레인전극(23)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 식각정지층(19)은 상기 게이트전극(13)과 액티브층(17)과 오버랩되어 있으며, 상기 액티브층(17)의 채널영역 상부에 형성된다.
또한, 상기 소스전극(21) 및 드레인전극(23)은 상기 식각정지층(19) 상부에서 서로 이격되어 형성되고, 상기 식각정지층(19), 액티브층(17) 및 게이트 절연막 (15)에 걸쳐 형성된다.
그러나, 종래기술에 따른 산화물 박막트랜지스터 구조에 따르면, 도 2에서와 같이, 액티브층(17)의 안정성(stability) 확보를 위해 식각정지층(19)을 별도로 형성해야 하기 때문에, 상기 식각정지층(19)을 형성하기 위한 별도의 마스크가 추가로 필요하며, 그에 따른 포토 공정 등이 필요하게 된다.
따라서, 종래기술에 따른 산화물 박막트랜지스터는 식각정지층의 추가로 인해 요구되는 마스크 및 포토 공정 등이 필요하게 됨으로써, 제조 공정이 복잡해지고 그로 인해 제조 비용이 증가하게 된다.
본 발명은 종래기술의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 산화물 반도체층 표면에만 합금 산화막(alloy oxide)을 형성하여 산화물 반도체층을 외부 환경으로부터 보호하고, 안정적인 소자 특성을 확보할 수 있는 산화물 박막트랜지스터 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 산화물 박막트랜지스터의 제1 특징은, 기판상에 형성된 게이트전극과; 상기 게이트전극을 포함한 기판 전면에 형성된 게이트 절연막과; 상기 게이트전극 상측의 게이트 절연막 상에 형성된 액티브패턴과; 상기 액티브패턴의 표면에 형성된 합금 산화막과; 상기 합금 산화막을 포함한 기판 전면에 형성되고, 서로 이격된 소스전극 및 드레인전극;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 산화물 박막트랜지스터 제조방법은, 기판상에 게이트전극을 형성하는 단계와; 상기 게이트전극을 포함한 기판 전면에 게이트 절연막을 형성하는 단계와; 상기 게이트전극 상측의 게이트 절연막 상에 액티브패턴을 형성하는 단계와; 상기 액티브패턴 표면에 합금 산화막을 형성하는 단계와; 상기 합금 산화막과 게이트절연막 상에 서로 이격된 소스전극과 드레인전극을 형성하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 산화물 박막트랜지스터 및 그 제조방법에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명에 따른 산화물 박막트랜지스터 및 그 제조방법에 따르면, 산화물 반도체를 액티브층으로 사용하는 박막트랜지스터 구조에서 산화물 반도체층을 증착한 이후에 다시 금속 합금층을 증착하고 이후 열처리를 통해 상기 산화물 반도체층 표면에 합금 산화막을 형성하고 잔류하는 금속 합금층은 식각하여, 자기 정렬 (Self-aligned) 방법으로 산화물 반도체층 표면에만 합금 산화막을 형성함으로써, 산화물 반도체층을 외부 환경으로부터 보호할 수 있으며, 안정적인 소자 특성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 산화물 박막트랜지스터 및 그 제조방법은 액티브층으로 이용하는 산화물 반도체층의 표면에 자기 정렬 방법으로 합금 산화막을 형성하여 산화물 반도체층을 보호할 수 있기 때문에, 별도의 마스크를 추가하지 않아도 되며, 식각정지층을 별도로 추가하지 않아도 되므로, 그만큼 제조 공정이 단순화되며, 제조비용이 절감된다.
도 1은 종래기술에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 개략적인 단면도이다.
도 2는 종래기술에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 개략적인 단면도로서, 액티브층의 채널영역 상부에 식각정지층패턴이 배치된 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 개략적인 단면도이다.
도 4a 내지 4f는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 제조공정 단면도들이다.
도 5a 내지 5e는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 또 다른 제조 공정 단면도들이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 개략적인 단면도이다.
도 7a 내지 7k는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 산화물 박막트랜지스터의 제조 공정 단면도들이다.
도 8은 발명의 제3 실시 예에 따른 산화물 박막트랜지스터의 개략적인 단면도이다.
도 9a 내지 9h는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 또 다른 제조 공정 단면도들이다.
도 2는 종래기술에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 개략적인 단면도로서, 액티브층의 채널영역 상부에 식각정지층패턴이 배치된 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 개략적인 단면도이다.
도 4a 내지 4f는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 제조공정 단면도들이다.
도 5a 내지 5e는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 또 다른 제조 공정 단면도들이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 개략적인 단면도이다.
도 7a 내지 7k는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 산화물 박막트랜지스터의 제조 공정 단면도들이다.
도 8은 발명의 제3 실시 예에 따른 산화물 박막트랜지스터의 개략적인 단면도이다.
도 9a 내지 9h는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 또 다른 제조 공정 단면도들이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 산화물 박막트랜지스터 구조에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 개략적인 단면도이다.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 산화물 박막트랜지스터(100)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(101)상에 형성된 게이트전극(103)과; 상기 게이트전극(103)을 포함한 기판 전면에 형성된 게이트 절연막(105)과; 상기 게이트전극(103) 상측의 게이트 절연막(105) 상에 형성된 액티브패턴(107)과; 상기 액티브패턴(107)의 표면에 형성된 합금 산화막(alloy oxide)(111)과; 상기 합금 산화막(111)과 게이트절연막(105) 상에 형성되고, 서로 이격된 소스전극(113a) 및 드레인전극(113b)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 합금 산화막(111)은 상기 액티브패턴(107)의 측면 및 상부 표면에 형성되어 있다.
상기 본 발명의 제1 실시 예에 따른 산화물 박막트랜지스터(100)는 탑 게이트(Top gate), 바텀 게이트(Bottom gate) 방식 등을 포함하여 구동 가능한 박막트랜지스터 구조를 모두 포함한다. 또한, 상기 박막트랜지스터(100)는 식각정지층을 사용하는 박막트랜지스터 및 BCE 구조의 박막트랜지스터를 포함한다.
본 발명에 따른 박막트랜지스터(100)는 액정표시장치 (Liquid Crystal Display; 이하 LCD라 함), 유기발광 다이오드(Organic Luminescence Emitted Diode; 이하 OLED라 함) 등 평판 디스플레이의 구동 소자 또는 스위칭 소자나, 메모리 소자의 주변 회로 구성을 위한 소자 등 다양한 전자 소자에 적용될 수 있다.
상기 기판(101)은 실리콘, 유리, 플라스틱 또는 다른 적절한 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 게이트 전극(103)으로는, 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(Al alloy), 텅스텐(W), 구리(Cu), Cu 합금, 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 은 합금(Ag alloy), 금(Au), 금 합금(Au alloy), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 티타늄 합금(Ti alloy), 몰리텅스텐(MoW), 몰리티타늄 (MoTi), 구리/몰리티타늄 (Cu/MoTi)을 포함하는 도전성 금속 그룹 중에서 선택된 적어도 어느 하나 또는 이들의 2 이상의 조합 또는 다른 적절한 물질을 포함할 수도 있다.
또한, 상기 게이트 절연막(105)으로는 실리콘(Si) 계열의 산화막, 질화막, 또는 이를 포함하는 화합물과, Al2O3를 포함하는 금속산화막(metal oxide), 유기절연막, 낮은 유전 상수(low-k) 값을 갖는 재료를 포함한다. 예를 들어, 상기 게이트절연막(107)으로는, 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(SiNx), 산화지르코늄(ZrO2), 산화하프늄(HfO2), 산화티타늄(TiO2), 산화탄탈륨(Ta2O5), 바륨-스트론튬-티타늄-산소화합물(Ba-Sr-Ti-O) 및 비스머스-아연-니오븀-산소 화합물(Bi-Zn-Nb-O)로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 2 이상의 조합 또는 다른 적절한 물질을 포함할 수도 있다.
그리고, 상기 액티브패턴(107)은 소스전극(113a)과 드레인전극(113b) 사이에 전자가 이동하는 채널을 형성하기 위한 층으로서, 저온 다결정 실리콘(Low Temperature Poly Silicon; 이하 LTPS라 함) 또는 비정질 실리콘(a-Si) 재질 대신에 실리콘(Si) 계열의 반도체 막, IGZO 계열의 산화물 반도체막, 화합물 반도체, 카본 나노 튜브(Carbon nano tube), 그라핀(graphene)을 사용한다.
이때, 상기 산화물 반도체로는, 게르마늄 (Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 인듐 (In), 티타늄(Ti), 갈륨(Ga) 및 알루미늄(Al)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 물질 및 아연(Zn)을 포함하는 산화물 반도체에 실리콘(Si)이 첨가된 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 상기 액티브패턴(109a)은 인듐아연 복합 산화물(InZnO)에 실리콘 이온이 첨가된 실리콘 산화인듐아연(Si-InZnO: SIZO)으로 이루어질 수도 있다.
상기 액티브패턴(107)이 SIZO로 이루어지는 경우, 액티브층에서 아연(Zn), 인듐(In) 및 실리콘(Si) 원자의 전체 함량 대비 실리콘(Si) 원자 함량의 조성비는 약 0.001 중량%(wt%) 내지 약 30 wt%일 수도 있다. 실리콘(Si) 원자 함량이 높아질수록 전자 생성을 제어하는 역할이 강해져서, 이동도가 낮아질 수 있으나, 그 소자의 안정성은 더 좋아질 수 있다.
한편, 상기 액티브패턴(107)으로는, 전술한 물질 외에 리튬(Li) 또는 칼륨(K)과 같은 I족 원소, 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca) 또는 스트론튬(Sr)과 같은 Ⅱ족 원소, 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 인듐(In) 또는 이트륨(Y)과 같은 Ⅲ족 원소, 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 주석(Sn) 또는 게르마늄(Ge)과 같은 Ⅳ족 원소, 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 니오븀(Nb) 또는 안티몬(Sb)과 같은 Ⅴ족 원소, 또는 란티늄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm), 사마륨 (Sm), 유로퓸(Eu), 가돌리듐(Gd), 터븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 어븀(Er), 툴륨(Tm), 이터븀(Yb) 또는 루테듐(Lu)과 같은 란탄(Ln) 계열 원소 등이 더 포함될 수도 있다.
상기 합금 산화막(111)은 Cu 합금, Ag 합금, Au 합금, Al 합금을 포함하는 반응성 합금 또는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni 및 이를 포함한 합금 막으로 구성된 금속 중에서 어느 하나를 이용하여 형성될 수 있다.
더욱이, 상기 소스전극(113a) 및 드레인전극(113b)으로는 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(Al alloy), 텅스텐(W), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 은 합금(Ag alloy), 금(Au), 금 합금(Au alloy), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 티타늄 합금(Ti alloy), 몰리텅스텐(MoW), 몰리티타늄 (MoTi), 구리/몰리티타늄 (Cu/MoTi)을 포함하는 도전성 금속 그룹 중에서 선택된 적어도 어느 하나 또는 이들의 2 이상의 조합 또는 다른 적절한 물질을 포함할 수도 있다.
따라서, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 산화물 박막트랜지스터에 따르면, 산화물 반도체를 액티브층으로 사용하는 박막트랜지스터 구조에서 산화물 반도체층을 증착한 이후에 다시 금속 합금층을 증착하고 이후 열처리를 통해 상기 산화물 반도체층 표면에 합금 산화막을 형성하고 잔류하는 금속 합금층은 식각하여, 자기 정렬 (Self-aligned) 방법으로 산화물 반도체층 표면에만 합금 산화막을 형성함으로써, 산화물 반도체층을 외부 환경으로부터 보호할 수 있으며, 안정적인 소자 특성을 확보할 수 있다.
상기 구성으로 이루어지는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 산화물 박막트랜지스터 제조방법에 대해 도 4a 내지 4f를 참조하여 상세히 설명한다.
도 4a 내지 4f는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 제조공정 단면도들이다.
도면에는 도시하지 않았지만, 기판(101)상에 게이트전극용 제1 도전물질을 스퍼터링방법으로 증착하여 제1 도전층(미도시)을 형성하고, 그 위에 제1 감광막(미도시)을 도포한 후, 포토리소그라피 공정기술을 이용한 제1 마스크 공정을 통해 상기 제1 감광막(미도시)을 패터닝하여 제1 감광막패턴(미도시)을 형성한다.
이때, 상기 기판(101)은 실리콘, 유리, 플라스틱 또는 다른 적절한 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제1 도전층(미도시)으로는, 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(Al alloy), 텅스텐(W), 구리(Cu), Cu 합금, 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 은 합금(Ag alloy), 금(Au), 금 합금(Au alloy), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 티타늄 합금(Ti alloy), 몰리텅스텐 (MoW), 몰리티타늄 (MoTi), 구리/몰리티타늄 (Cu/MoTi)을 포함하는 도전성 금속 그룹 중에서 선택된 적어도 어느 하나 또는 이들의 2 이상의 조합 또는 다른 적절한 물질을 포함할 수도 있다.
그 다음, 도 4a를 참조하면, 상기 제1 감광막패턴(미도시)을 식각 마스크로 상기 제1 도전층(미도시)을 선택적으로 식각하여 게이트전극(103)을 형성한다.
이어서, 도 4b를 참조하면, 상기 제1 감광막패턴을 제거하고, 상기 게이트전극(103)을 포함한 기판 전면에 게이트 절연막(105)을 형성한다. 이때, 상기 게이트 절연막(105)으로는 실리콘(Si) 계열의 산화막, 질화막, 또는 이를 포함하는 화합물과, Al2O3를 포함하는 금속산화막(metal oxide), 유기절연막, 낮은 유전 상수 (low-k) 값을 갖는 재료를 포함한다. 예를 들어, 상기 게이트절연막(105)으로는, 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(SiNx), 산화지르코늄(ZrO2), 산화하프늄(HfO2), 산화티타늄(TiO2), 산화탄탈륨(Ta2O5), 바륨-스트론튬-티타늄-산소화합물 (Ba-Sr-Ti-O) 및 비스머스-아연-니오븀-산소 화합물(Bi-Zn-Nb-O)로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 2 이상의 조합 또는 다른 적절한 물질을 포함할 수도 있다.
그 다음, 상기 게이트 절연막(105) 상부에 액티브층(미도시)을 형성한다. 이때, 상기 액티브층은 소스전극(미도시)과 드레인전극(미도시) 사이에 전자가 이동하는 채널을 형성하기 위한 층으로서, 저온 다결정 실리콘(Low Temperature Poly Silicon; 이하 LTPS라 함) 또는 비정질 실리콘(a-Si) 재질 대신에 실리콘(Si) 계열의 반도체 막, IGZO 계열의 산화물 반도체막, 화합물 반도체, 카본 나노 튜브 (Carbon nano tube), 그라핀(graphene)을 사용한다.
이때, 상기 산화물 반도체로는, 게르마늄 (Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 인듐 (In), 티타늄(Ti), 갈륨(Ga) 및 알루미늄(Al)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 물질 및 아연(Zn)을 포함하는 산화물 반도체에 실리콘(Si)이 첨가된 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 상기 액티브층(미도시)은 인듐아연 복합 산화물 (InZnO)에 실리콘 이온이 첨가된 실리콘 산화인듐아연(Si-InZnO: SIZO)으로 이루어질 수도 있다.
상기 액티브층(미도시)이 SIZO로 이루어지는 경우, 액티브층에서 아연(Zn), 인듐(In) 및 실리콘(Si) 원자의 전체 함량 대비 실리콘(Si) 원자 함량의 조성비는 약 0.001 중량%(wt%) 내지 약 30 wt%일 수도 있다. 실리콘(Si) 원자 함량이 높아질수록 전자 생성을 제어하는 역할이 강해져서, 이동도가 낮아질 수 있으나, 그 소자의 안정성은 더 좋아질 수 있다.
한편, 상기 액티브층(미도시)으로는, 전술한 물질 외에 리튬(Li) 또는 칼륨(K)과 같은 I족 원소, 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca) 또는 스트론튬(Sr)과 같은 Ⅱ족 원소, 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 인듐(In) 또는 이트륨(Y)과 같은 Ⅲ족 원소, 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 주석(Sn) 또는 게르마늄(Ge)과 같은 Ⅳ족 원소, 탄탈륨 (Ta), 바나듐(V), 니오븀(Nb) 또는 안티몬(Sb)과 같은 Ⅴ족 원소, 또는 란티늄 (La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm), 사마륨 (Sm), 유로퓸(Eu), 가돌리듐(Gd), 터븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 어븀(Er), 툴륨 (Tm), 이터븀(Yb) 또는 루테듐(Lu)과 같은 란탄(Ln) 계열 원소 등이 더 포함될 수도 있다.
이어서, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 액티브층(미도시) 상에 제2 감광막(미도시)을 도포한 후, 포토리소그라피 공정기술을 이용한 제2 마스크 공정을 통해 상기 제2 감광막(미도시)을 노광 및 현상한 후 상기 제2 감광막(미도시)을 선택적으로 패터닝하여 제2 감광막패턴(미도시)을 형성한다.
그 다음, 상기 제2 감광막패턴(미도시)을 식각마스크로, 상기 액티브층(미도시)을 선택적으로 식각하여 액티브패턴(107)을 형성한다.
이어서, 도 4c를 참조하면, 상기 액티브패턴(107) 상에 반응성 금속층(109)을 형성한다. 이때, 상기 반응성 금속층(109)은 액티브층을 구성하는 산화물 반도체를 증착하기 전에 게이트절연막(105)의 표면을 개선하기 위해 사용할 수도 있다.
상기 반응성 금속층(109)은 Cu 합금, Ag 합금, Au 합금, Al 합금을 포함하는 반응성 합금 또는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni 및 이를 포함한 합금 막으로 구성된 금속 중에서 어느 하나를 이용하여 형성될 수 있다. 이때, 상기 합금 원소는 Ca, Mg, Zn, Al, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ru, Co, Ni, Ag, Au, Zn 을 포함한다.
그 다음, 아닐링 공정을 실시하여, 상기 반응성 금속층(109)과 접촉하는 상기 액티브층(107)의 계면에 합금 산화막(alloy oxide) (111)을 형성한다. 이때, 상기 아닐링 공정은 상압, 진공 아닐링(annealing) 방법을 모두 포함하며, 열원으로는 광원으로 이용하는 방법도 모두 포함할 수 있다. 이때, 상기 합금 산화막(111)은 자기 정렬(Self-aligned) 방법으로 형성된다고 볼 수 있다.
이어서, 도 4d를 참조하면, 상기 반응성 금속층(109)을 습식 식각 방법을 통해 제거하여, 상기 합금 산화막(111)과 게이트절연막(105)을 외부로 노출시킨다.
그 다음, 도 4e를 참조하면, 외부로 노출된 상기 합금산화막(111) 및 게이트절연막(105) 상에 제2 도전층(113)을 스퍼터링 방법으로 증착하여 형성한다. 이때, 상기 제2 도전층(113)으로는, 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(Al alloy), 텅스텐 (W), 구리(Cu), Cu 합금, 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 은 합금(Ag alloy), 금(Au), 금 합금(Au alloy), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 티타늄 합금(Ti alloy), 몰리텅스텐 (MoW), 몰리티타늄 (MoTi), 구리/몰리티타늄 (Cu/MoTi)을 포함하는 도전성 금속 그룹 중에서 선택된 적어도 어느 하나 또는 이들의 2 이상의 조합 또는 다른 적절한 물질을 포함할 수도 있다.
이어서, 상기 제2 도전층(113) 상에 제3 감광막(미도시)을 도포한 후 포토리소그라피 공정기술을 이용한 제3 마스크 공정을 통해 상기 제3 감광막(미도시)을 노광 및 현상한 후 상기 제3 감광막(미도시)을 선택적으로 패터닝하여 제3 감광막패턴(미도시)을 형성한다.
그 다음, 도 4f를 참조하면, 상기 제3 감광막패턴(미도시)을 식각마스크로, 상기 제2 도전층(113)을 식각하여, 상기 이격된 소스전극(113a) 및 드레인전극 (113b)을 형성하고 제3 감광막패턴(미도시)을 제거함으로써, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 산화물 박막트랜지스터 제조공정을 완료한다.
따라서, 본 발명에 따른 산화물 박막트랜지스터 제조방법에 따르면, 산화물 반도체를 액티브층으로 사용하는 박막트랜지스터 구조에서 산화물 반도체층을 증착한 이후에 다시 금속 합금층을 증착하고 이후 열처리를 통해 상기 산화물 반도체층 표면에 합금 산화막을 형성하고 잔류하는 금속 합금층은 식각하여, 자기 정렬 (Self-aligned) 방법으로 산화물 반도체층 표면에만 합금 산화막을 형성함으로써, 산화물 반도체층을 외부 환경으로부터 보호할 수 있으며, 안정적인 소자 특성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 산화물 박막트랜지스터 제조방법은 액티브층으로 이용하는 산화물 반도체층의 표면에 자기 정렬 방법으로 합금 산화막을 형성하여 산화물 반도체층을 보호할 수 있기 때문에, 별도의 마스크를 추가하지 않아도 되며, 식각정지층을 별도로 추가하지 않아도 되므로, 그만큼 제조 공정이 단순화되며, 제조비용이 절감된다.
한편, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 산화물 박막트랜지스터 제조방법의 또다른 제조방법에 대해 도 5a 내지 5e를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 5a 내지 5e는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 또 다른 제조공정 단면도들이다.
도면에는 도시하지 않았지만, 기판(201)상에 게이트전극용 제1 도전물질을 스퍼터링방법으로 증착하여 제1 도전층(미도시)을 형성하고, 그 위에 제1 감광막(미도시)을 도포한 후, 포토리소그라피 공정기술을 이용한 제1 마스크 공정을 통해 상기 제1 감광막(미도시)을 패터닝하여 제1 감광막패턴(미도시)을 형성한다.
이때, 상기 기판(201)은 실리콘, 유리, 플라스틱 또는 다른 적절한 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제1 도전층(미도시)으로는, 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(Al alloy), 텅스텐(W), 구리(Cu), Cu 합금, 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 은 합금(Ag alloy), 금(Au), 금 합금(Au alloy), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 티타늄 합금(Ti alloy), 몰리텅스텐 (MoW), 몰리티타늄 (MoTi), 구리/몰리티타늄 (Cu/MoTi)을 포함하는 도전성 금속 그룹 중에서 선택된 적어도 어느 하나 또는 이들의 2 이상의 조합 또는 다른 적절한 물질을 포함할 수도 있다.
그 다음, 도 5a를 참조하면, 상기 제1 감광막패턴(미도시)을 식각 마스크로 상기 제1 도전층(미도시)을 선택적으로 식각하여 게이트전극(203)을 형성한다.
이어서, 도 5b를 참조하면, 상기 제1 감광막패턴을 제거하고, 상기 게이트전극(103)을 포함한 기판 전면에 게이트 절연막(205)을 형성한다. 이때, 상기 게이트 절연막(205)으로는 실리콘(Si) 계열의 산화막, 질화막, 또는 이를 포함하는 화합물과, Al2O3를 포함하는 금속산화막(metal oxide), 유기절연막, 낮은 유전 상수 (low-k) 값을 갖는 재료를 포함한다. 예를 들어, 상기 게이트절연막(205)으로는, 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(SiNx), 산화지르코늄(ZrO2), 산화하프늄(HfO2), 산화티타늄(TiO2), 산화탄탈륨(Ta2O5), 바륨-스트론튬-티타늄-산소화합물 (Ba-Sr-Ti-O) 및 비스머스-아연-니오븀-산소 화합물(Bi-Zn-Nb-O)로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 2 이상의 조합 또는 다른 적절한 물질을 포함할 수도 있다.
그 다음, 상기 게이트 절연막(205) 상부에 액티브층(미도시)을 형성한다. 이때, 상기 액티브층은 소스전극(미도시)과 드레인전극(미도시) 사이에 전자가 이동하는 채널을 형성하기 위한 층으로서, 저온 다결정 실리콘(Low Temperature Poly Silicon; 이하 LTPS라 함) 또는 비정질 실리콘(a-Si) 재질 대신에 실리콘(Si) 계열의 반도체 막, IGZO 계열의 산화물 반도체막, 화합물 반도체, 카본 나노 튜브 (Carbon nano tube), 그라핀(graphene)을 사용한다.
이때, 상기 산화물 반도체로는, 게르마늄 (Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 인듐 (In), 티타늄(Ti), 갈륨(Ga) 및 알루미늄(Al)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 물질 및 아연(Zn)을 포함하는 산화물 반도체에 실리콘(Si)이 첨가된 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 상기 액티브층(109)은 인듐아연 복합 산화물 (InZnO)에 실리콘 이온이 첨가된 실리콘 산화인듐아연(Si-InZnO: SIZO)으로 이루어질 수도 있다.
상기 액티브층(미도시)이 SIZO로 이루어지는 경우, 액티브층에서 아연(Zn), 인듐(In) 및 실리콘(Si) 원자의 전체 함량 대비 실리콘(Si) 원자 함량의 조성비는 약 0.001 중량%(wt%) 내지 약 30 wt%일 수도 있다. 실리콘(Si) 원자 함량이 높아질수록 전자 생성을 제어하는 역할이 강해져서, 이동도가 낮아질 수 있으나, 그 소자의 안정성은 더 좋아질 수 있다.
한편, 상기 액티브층(미도시)으로는, 전술한 물질 외에 리튬(Li) 또는 칼륨(K)과 같은 I족 원소, 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca) 또는 스트론튬(Sr)과 같은 Ⅱ족 원소, 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 인듐(In) 또는 이트륨(Y)과 같은 Ⅲ족 원소, 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 주석(Sn) 또는 게르마늄(Ge)과 같은 Ⅳ족 원소, 탄탈륨 (Ta), 바나듐(V), 니오븀(Nb) 또는 안티몬(Sb)과 같은 Ⅴ족 원소, 또는 란티늄 (La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm), 사마륨 (Sm), 유로퓸(Eu), 가돌리듐(Gd), 터븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 어븀(Er), 툴륨 (Tm), 이터븀(Yb) 또는 루테듐(Lu)과 같은 란탄(Ln) 계열 원소 등이 더 포함될 수도 있다.
이어서, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 액티브층(미도시) 상에 제2 감광막(미도시)을 도포한 후, 포토리소그라피 공정기술을 이용한 제2 마스크 공정을 통해 상기 제2 감광막(미도시)을 노광 및 현상한 후 상기 제2 감광막(미도시)을 선택적으로 패터닝하여 제2 감광막패턴(미도시)을 형성한다.
그 다음, 상기 제2 감광막패턴(미도시)을 식각마스크로, 상기 액티브층(미도시)을 선택적으로 식각하여 액티브패턴(207)을 형성한다.
이어서, 도 5c를 참조하면, 상기 액티브패턴(207) 상에 반응성 금속층(209)을 형성한다. 이때, 상기 반응성 금속층(209)은 액티브층을 구성하는 산화물 반도체를 증착하기 전에 게이트절연막(105)의 표면을 개선하기 위해 사용할 수도 있다.
상기 반응성 금속층(209)은 Cu 합금, Ag 합금, Au 합금, Al 합금을 포함하는 반응성 합금 또는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni 및 이를 포함한 합금 막으로 구성된 금속 중에서 어느 하나를 이용하여 형성될 수 있다. 이때, 상기 합금 원소는 Ca, Mg, Zn, Al, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ru, Co, Ni, Ag, Au, Zn 을 포함한다.
그 다음, 도 5d를 참조하면, 아닐링 공정을 실시하여 상기 반응성 금속층 (209)과 접촉하는 상기 액티브패턴(207)의 계면에 합금산화막(alloy oxide) (211)을 형성한다. 이때, 상기 아닐링 공정은 상압, 진공 아닐링(annealing) 방법을 모두 포함하며, 열원으로는 광원으로 이용하는 방법도 모두 포함할 수 있다. 이때, 상기 합금산화막 (211)은 자기 정렬(Self-aligned) 방법으로 형성된다고 볼 수 있다.
이어서, 상기 반응성 금속층(209) 상에 제3 감광막(미도시)을 도포한 후 포토리소그라피 공정기술을 이용한 제3 마스크 공정을 통해 상기 제3 감광막(미도시)을 노광 및 현상한 후 상기 제3 감광막(미도시)을 선택적으로 패터닝하여 제3 감광막패턴(미도시)을 형성한다.
그 다음, 도 5e를 참조하면, 상기 제3 감광막패턴(미도시)을 식각마스크로, 상기 반응성 금속층(209)을 식각하여, 상기 이격된 소스전극(209a) 및 드레인전극 (209b)을 형성하고 제3 감광막패턴(미도시)을 제거함으로써, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 산화물 박막트랜지스터 제조공정을 완료한다.
따라서, 본 발명에 따른 산화물 박막트랜지스터 제조방법에 따르면, 산화물 반도체를 액티브층으로 사용하는 박막트랜지스터 구조에서 산화물 반도체층을 증착한 이후에 다시 금속 합금층을 증착하고 이후 열처리를 통해 상기 산화물 반도체층 표면에 합금 산화막을 형성하고 잔류하는 금속 합금층은 식각하여, 자기 정렬 (Self-aligned) 방법으로 산화물 반도체층 표면에만 합금 산화막을 형성함으로써, 산화물 반도체층을 외부 환경으로부터 보호할 수 있으며, 안정적인 소자 특성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 산화물 박막트랜지스터 제조방법은 액티브층으로 이용하는 산화물 반도체층의 표면에 자기 정렬 방법으로 합금 산화막을 형성하여 산화물 반도체층을 보호할 수 있기 때문에, 별도의 마스크를 추가하지 않아도 되며, 식각정지층을 별도로 추가하지 않아도 되므로, 그만큼 제조 공정이 단순화되며, 제조비용이 절감된다.
또 한편, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 산화물 박막트랜지스터 구조에 대해 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 개략적인 단면도이다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 산화물 박막트랜지스터(300)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 기판(301)상에 형성된 게이트전극(303)과; 상기 게이트전극(303)을 포함한 기판 전면에 형성된 게이트 절연막(305)과; 상기 게이트전극(303) 상측의 게이트 절연막(305) 상에 형성된 액티브패턴(311a)과; 상기 액티브패턴(311a)의 표면 전체에 형성된 합금 산화막(alloy oxide)(309a, 315)과; 상기 합금 산화막 (309a, 315)과 게이트절연막(305) 상에 형성되고, 서로 이격된 소스전극(317a) 및 드레인전극(317b)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 합금 산화막(309a, 315)은 상기 게이트절연막(305)과 접촉하는 상기 액티브패턴(311a)의 하부 표면에 형성된 제1 합금 산화막(309a)과, 상기 액티브패턴(311a)의 측면 및 상부 표면에 형성된 제2 합금 산화막(315)으로 구성된다.
상기 본 발명의 제2 실시 예에 따른 산화물 박막트랜지스터(300)는 탑 게이트(Top gate), 바텀 게이트(Bottom gate) 방식 등을 포함하여 구동 가능한 박막트랜지스터 구조를 모두 포함한다. 또한, 상기 박막트랜지스터(200)는 식각정지층을 사용하는 박막트랜지스터 및 BCE 구조의 박막트랜지스터를 포함한다.
본 발명에 따른 박막트랜지스터(300)는 액정표시장치 (Liquid Crystal Display; 이하 LCD라 함), 유기발광 다이오드(Organic Luminescence Emitted Diode; 이하 OLED라 함) 등 평판 디스플레이의 구동 소자 또는 스위칭 소자나, 메모리 소자의 주변 회로 구성을 위한 소자 등 다양한 전자 소자에 적용될 수 있다.
상기 기판(301)은 실리콘, 유리, 플라스틱 또는 다른 적절한 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 게이트 전극(303)으로는, 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(Al alloy), 텅스텐(W), 구리(Cu), Cu 합금, 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 은 합금(Ag alloy), 금(Au), 금 합금(Au alloy), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 티타늄 합금(Ti alloy), 몰리텅스텐(MoW), 몰리티타늄 (MoTi), 구리/몰리티타늄 (Cu/MoTi)을 포함하는 도전성 금속 그룹 중에서 선택된 적어도 어느 하나 또는 이들의 2 이상의 조합 또는 다른 적절한 물질을 포함할 수도 있다.
또한, 상기 게이트 절연막(305)으로는 실리콘(Si) 계열의 산화막, 질화막, 또는 이를 포함하는 화합물과, Al2O3를 포함하는 금속산화막(metal oxide), 유기절연막, 낮은 유전 상수(low-k) 값을 갖는 재료를 포함한다. 예를 들어, 상기 게이트절연막(107)으로는, 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(SiNx), 산화지르코늄(ZrO2), 산화하프늄(HfO2), 산화티타늄(TiO2), 산화탄탈륨(Ta2O5), 바륨-스트론튬-티타늄-산소화합물(Ba-Sr-Ti-O) 및 비스머스-아연-니오븀-산소 화합물(Bi-Zn-Nb-O)로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 2 이상의 조합 또는 다른 적절한 물질을 포함할 수도 있다.
그리고, 상기 액티브패턴(311a)은 소스전극(317a)과 드레인전극(317b) 사이에 전자가 이동하는 채널을 형성하기 위한 층으로서, 저온 다결정 실리콘(Low Temperature Poly Silicon; 이하 LTPS라 함) 또는 비정질 실리콘(a-Si) 재질 대신에 실리콘(Si) 계열의 반도체 막, IGZO 계열의 산화물 반도체막, 화합물 반도체, 카본 나노 튜브(Carbon nano tube), 그라핀(graphene)을 사용한다.
이때, 상기 산화물 반도체로는, 게르마늄 (Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 인듐 (In), 티타늄(Ti), 갈륨(Ga) 및 알루미늄(Al)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 물질 및 아연(Zn)을 포함하는 산화물 반도체에 실리콘(Si)이 첨가된 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 상기 액티브패턴(109a)은 인듐아연 복합 산화물(InZnO)에 실리콘 이온이 첨가된 실리콘 산화인듐아연(Si-InZnO: SIZO)으로 이루어질 수도 있다.
상기 액티브패턴(311a)이 SIZO로 이루어지는 경우, 액티브층에서 아연(Zn), 인듐(In) 및 실리콘(Si) 원자의 전체 함량 대비 실리콘(Si) 원자 함량의 조성비는 약 0.001 중량%(wt%) 내지 약 30 wt%일 수도 있다. 실리콘(Si) 원자 함량이 높아질수록 전자 생성을 제어하는 역할이 강해져서, 이동도가 낮아질 수 있으나, 그 소자의 안정성은 더 좋아질 수 있다.
한편, 상기 액티브패턴(311a)으로는, 전술한 물질 외에 리튬(Li) 또는 칼륨(K)과 같은 I족 원소, 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca) 또는 스트론튬(Sr)과 같은 Ⅱ족 원소, 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 인듐(In) 또는 이트륨(Y)과 같은 Ⅲ족 원소, 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 주석(Sn) 또는 게르마늄(Ge)과 같은 Ⅳ족 원소, 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 니오븀(Nb) 또는 안티몬(Sb)과 같은 Ⅴ족 원소, 또는 란티늄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm), 사마륨 (Sm), 유로퓸(Eu), 가돌리듐(Gd), 터븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 어븀(Er), 툴륨(Tm), 이터븀(Yb) 또는 루테듐(Lu)과 같은 란탄(Ln) 계열 원소 등이 더 포함될 수도 있다.
상기 제1, 2 합금 산화막(309a, 315)은 Cu 합금, Ag 합금, Au 합금, Al 합금을 포함하는 반응성 합금 또는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni 및 이를 포함한 합금 막으로 구성된 금속 중에서 어느 하나를 이용하여 형성될 수 있다.
더욱이, 상기 소스전극(317a) 및 드레인전극(317b)으로는 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(Al alloy), 텅스텐(W), 구리(Cu), Cu 합금, 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 은 합금(Ag alloy), 금(Au), 금 합금(Au alloy), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 티타늄 합금(Ti alloy), 몰리텅스텐(MoW), 몰리티타늄 (MoTi), 구리/몰리티타늄 (Cu/MoTi)을 포함하는 도전성 금속 그룹 중에서 선택된 적어도 어느 하나 또는 이들의 2 이상의 조합 또는 다른 적절한 물질을 포함할 수도 있다.
따라서, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 산화물 박막트랜지스터에 따르면, 산화물 반도체를 액티브층으로 사용하는 박막트랜지스터 구조에서 산화물 반도체층을 증착한 이후에 다시 금속 합금층을 증착하고 이후 열처리를 통해 상기 산화물 반도체층 표면에 합금 산화막을 형성하고 잔류하는 금속 합금층은 식각하여, 자기 정렬 (Self-aligned) 방법으로 산화물 반도체층 표면에만 합금 산화막을 형성함으로써, 산화물 반도체층을 외부 환경으로부터 보호할 수 있으며, 안정적인 소자 특성을 확보할 수 있다.
상기 구성으로 이루어지는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 산화물 박막트랜지스터 제조방법에 대해 도 7a 내지 7k를 참조하여 상세히 설명한다.
도 7a 내지 7k는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 제조공정 단면도들이다.
도면에는 도시하지 않았지만, 기판(301)상에 게이트전극용 제1 도전물질을 스퍼터링방법으로 증착하여 제1 도전층(미도시)을 형성하고, 그 위에 제1 감광막(미도시)을 도포한 후, 포토리소그라피 공정기술을 이용한 제1 마스크 공정을 통해 상기 제1 감광막(미도시)을 패터닝하여 제1 감광막패턴(미도시)을 형성한다.
이때, 상기 기판(301)은 실리콘, 유리, 플라스틱 또는 다른 적절한 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제1 도전층(미도시)으로는, 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(Al alloy), 텅스텐(W), 구리(Cu), Cu 합금, 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 은 합금(Ag alloy), 금(Au), 금 합금(Au alloy), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 티타늄 합금(Ti alloy), 몰리텅스텐 (MoW), 몰리티타늄 (MoTi), 구리/몰리티타늄 (Cu/MoTi)을 포함하는 도전성 금속 그룹 중에서 선택된 적어도 어느 하나 또는 이들의 2 이상의 조합 또는 다른 적절한 물질을 포함할 수도 있다.
그 다음, 도 7a를 참조하면, 상기 제1 감광막패턴(미도시)을 식각 마스크로 상기 제1 도전층(미도시)을 선택적으로 식각하여 게이트전극(303)을 형성한다.
이어서, 도 7b를 참조하면, 상기 제1 감광막패턴을 제거하고, 상기 게이트전극(303)을 포함한 기판 전면에 게이트 절연막(305)을 형성한다. 이때, 상기 게이트 절연막(305)으로는 실리콘(Si) 계열의 산화막, 질화막, 또는 이를 포함하는 화합물과, Al2O3를 포함하는 금속산화막(metal oxide), 유기절연막, 낮은 유전 상수 (low-k) 값을 갖는 재료를 포함한다. 예를 들어, 상기 게이트절연막(305)으로는, 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(SiNx), 산화지르코늄(ZrO2), 산화하프늄(HfO2), 산화티타늄(TiO2), 산화탄탈륨(Ta2O5), 바륨-스트론튬-티타늄-산소화합물 (Ba-Sr-Ti-O) 및 비스머스-아연-니오븀-산소 화합물(Bi-Zn-Nb-O)로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 2 이상의 조합 또는 다른 적절한 물질을 포함할 수도 있다.
그 다음, 도 7c를 참조하면, 상기 게이트절연막(305) 상에 제1 반응성 금속층(307)을 증착한다. 이때, 상기 제1 반응성 금속층(307)은 Cu 합금, Ag 합금, Au 합금, Al 합금을 포함하는 반응성 합금 또는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni 및 이를 포함한 합금 막으로 구성된 금속 중에서 어느 하나를 이용하여 형성될 수 있다. 이때, 상기 합금 원소는 Ca, Mg, Zn, Al, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ru, Co, Ni, Ag, Au, Zn 을 포함한다.
이어서, 도 7d를 참조하면, 아닐링 공정을 실시하여, 상기 제1 반응성 금속층 (307)과 접촉하는 상기 게이트절연막(305)의 표면에 제1 합금산화막(alloy oxide) (309)을 형성한다. 이때, 상기 아닐링 공정은 상압, 진공 아닐링 (annealing) 방법을 모두 포함하며, 열원으로는 광원으로 이용하는 방법도 모두 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 합금산화막(309)은 자기 정렬(Self-aligned) 방법으로 형성된다고 볼 수 있다.
그 다음, 상기 제1 반응성 금속층(307)을 습식 식각 방법을 통해 제거하여, 상기 게이트절연막(305) 표면에 있는 제1 합금산화막(309)을 외부로 노출시킨다.
이어서, 도 7e를 참조하면, 상기 제1 합금산화막(309) 상에 액티브층(311)을 형성한다. 이때, 상기 액티브층(311)은 소스전극(미도시)과 드레인전극(미도시) 사이에 전자가 이동하는 채널을 형성하기 위한 층으로서, 저온 다결정 실리콘(Low Temperature Poly Silicon; 이하 LTPS라 함) 또는 비정질 실리콘(a-Si) 재질 대신에 실리콘(Si) 계열의 반도체 막, IGZO 계열의 산화물 반도체막, 화합물 반도체, 카본 나노 튜브 (Carbon nano tube), 그라핀(graphene)을 사용한다.
이때, 상기 산화물 반도체로는, 게르마늄 (Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 인듐 (In), 티타늄(Ti), 갈륨(Ga) 및 알루미늄(Al)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 물질 및 아연(Zn)을 포함하는 산화물 반도체에 실리콘(Si)이 첨가된 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 상기 액티브층(111)은 인듐아연 복합 산화물 (InZnO)에 실리콘 이온이 첨가된 실리콘 산화인듐아연(Si-InZnO: SIZO)으로 이루어질 수도 있다.
상기 액티브층(311)이 SIZO로 이루어지는 경우, 액티브층에서 아연(Zn), 인듐(In) 및 실리콘(Si) 원자의 전체 함량 대비 실리콘(Si) 원자 함량의 조성비는 약 0.001 중량%(wt%) 내지 약 30 wt%일 수도 있다. 실리콘(Si) 원자 함량이 높아질수록 전자 생성을 제어하는 역할이 강해져서, 이동도가 낮아질 수 있으나, 그 소자의 안정성은 더 좋아질 수 있다.
한편, 상기 액티브층(311)으로는, 전술한 물질 외에 리튬(Li) 또는 칼륨(K)과 같은 I족 원소, 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca) 또는 스트론튬(Sr)과 같은 Ⅱ족 원소, 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 인듐(In) 또는 이트륨(Y)과 같은 Ⅲ족 원소, 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 주석(Sn) 또는 게르마늄(Ge)과 같은 Ⅳ족 원소, 탄탈륨 (Ta), 바나듐(V), 니오븀(Nb) 또는 안티몬(Sb)과 같은 Ⅴ족 원소, 또는 란티늄 (La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm), 사마륨 (Sm), 유로퓸(Eu), 가돌리듐(Gd), 터븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 어븀(Er), 툴륨 (Tm), 이터븀(Yb) 또는 루테듐(Lu)과 같은 란탄(Ln) 계열 원소 등이 더 포함될 수도 있다.
이어서, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 액티브층(311) 상에 제2 감광막(미도시)을 도포한 후, 포토리소그라피 공정기술을 이용한 제2 마스크 공정을 통해 상기 제2 감광막(미도시)을 노광 및 현상한 후 상기 제2 감광막(미도시)을 선택적으로 패터닝하여 제2 감광막패턴(미도시)을 형성한다.
그 다음, 도 7f를 참조하면, 상기 제2 감광막패턴(미도시)을 식각마스크로, 상기 액티브층(311)을 선택적으로 식각하여 액티브패턴(311a)을 형성한다.
이어서, 도 7g를 참조하면, 상기 제2 감광막패턴을 제거한 후, 상기 액티브패턴(311a)을 포함한 기판 전면에 제2 반응성 금속층(313)을 형성한다. 이때, 상기 제2 반응성 금속층(313)은 Cu 합금, Ag 합금, Au 합금, Al 합금을 포함하는 반응성 합금 또는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni 및 이를 포함한 합금 막으로 구성된 금속 중에서 어느 하나를 이용하여 형성될 수 있다. 이때, 상기 합금 원소는 Ca, Mg, Zn, Al, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ru, Co, Ni, Ag, Au, Zn 을 포함한다.
그 다음, 도 7h를 참조하면, 2차 아닐링 공정을 실시하여, 상기 반응성 금속층(313)과 접촉하는 상기 액티브패턴(311a) 및 게이트절연막(305)의 계면에 제2 합금산화막(alloy oxide) (315)을 형성한다. 이때, 상기 2차 아닐링 공정은 상압, 진공 아닐링(annealing) 방법을 모두 포함하며, 열원으로는 광원으로 이용하는 방법도 모두 포함할 수 있다. 이때, 상기 제2 합금산화막(315)은 자기 정렬 (Self-aligned) 방법으로 형성된다고 볼 수 있다.
이어서, 도 7i를 참조하면, 상기 제2 반응성 금속층(313)을 습식 식각 방법을 통해 제거하여, 상기 제2 합금산화막(315)과 게이트절연막(305)을 외부로 노출시킨다.
그 다음, 도 7j를 참조하면, 외부로 노출된 상기 제1 합금산화막(315) 및 게이트절연막(305) 상에 제2 도전층(317)을 스퍼터링 방법으로 증착하여 형성한다. 이때, 상기 제2 도전층(317)으로는, 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(Al alloy), 텅스텐(W), 구리(Cu), Cu 합금, 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 은 합금(Ag alloy), 금(Au), 금 합금(Au alloy), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 티타늄 합금(Ti alloy), 몰리텅스텐 (MoW), 몰리티타늄 (MoTi), 구리/몰리티타늄 (Cu/MoTi)을 포함하는 도전성 금속 그룹 중에서 선택된 적어도 어느 하나 또는 이들의 2 이상의 조합 또는 다른 적절한 물질을 포함할 수도 있다.
이어서, 상기 제2 도전층(317) 상에 제3 감광막(미도시)을 도포한 후 포토리소그라피 공정기술을 이용한 제3 마스크 공정을 통해 상기 제3 감광막(미도시)을 노광 및 현상한 후 상기 제3 감광막(미도시)을 선택적으로 패터닝하여 제3 감광막패턴(미도시)을 형성한다.
그 다음, 도 7k를 참조하면, 상기 제3 감광막패턴(미도시)을 식각마스크로, 상기 제2 도전층(317)을 식각하여, 상기 이격된 소스전극(317a) 및 드레인전극 (317b)을 형성하고 제3 감광막패턴(미도시)을 제거함으로써, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 산화물 박막트랜지스터 제조공정을 완료한다.
따라서, 본 발명에 따른 산화물 박막트랜지스터 제조방법에 따르면, 산화물 반도체를 액티브층으로 사용하는 박막트랜지스터 구조에서 산화물 반도체층을 증착한 이후에 다시 금속 합금층을 증착하고 이후 열처리를 통해 상기 산화물 반도체층 표면에 합금 산화막을 형성하고 잔류하는 금속 합금층은 식각하여, 자기 정렬 (Self-aligned) 방법으로 산화물 반도체층 표면에만 합금 산화막을 형성함으로써, 산화물 반도체층을 외부 환경으로부터 보호할 수 있으며, 안정적인 소자 특성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 산화물 박막트랜지스터 제조방법은 액티브층으로 이용하는 산화물 반도체층의 표면에 자기 정렬 방법으로 합금 산화막을 형성하여 산화물 반도체층을 보호할 수 있기 때문에, 별도의 마스크를 추가하지 않아도 되며, 식각정지층을 별도로 추가하지 않아도 되므로, 그만큼 제조 공정이 단순화되며, 제조비용이 절감된다.
또 한편, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 산화물 박막트랜지스터 구조에 대해 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 8은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 개략적인 단면도이다.
본 발명의 제3 실시 예에 따른 산화물 박막트랜지스터(400)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 기판(401)상에 형성된 게이트전극(403)과; 상기 게이트전극(403)을 포함한 기판 전면에 형성된 게이트 절연막(405)과; 상기 게이트전극(403) 상측의 게이트 절연막(405) 상에 형성된 액티브패턴(411a)과; 상기 액티브패턴(411a)의 하부 표면에 형성된 합금 산화막패턴(alloy oxide)(409a)과; 상기 액티브패턴(411a)의 채널영역 상에 형성된 식각정지층패턴(415)과; 상기 액티브패턴(411a)과 게이트절연막(405) 상에 형성되고, 서로 이격된 소스전극(417a) 및 드레인전극 (417b)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 합금 산화막패턴(409a)은 상기 게이트절연막(405)과 접촉하는 상기 액티브패턴(411a)의 하부 표면에 형성된다.
상기 본 발명의 제3 실시 예에 따른 산화물 박막트랜지스터(400)는 탑 게이트(Top gate), 바텀 게이트(Bottom gate) 방식 등을 포함하여 구동 가능한 박막트랜지스터 구조를 모두 포함한다. 또한, 상기 박막트랜지스터(200)는 식각정지층을 사용하는 박막트랜지스터 및 BCE 구조의 박막트랜지스터를 포함한다.
본 발명에 따른 박막트랜지스터(400)는 액정표시장치 (Liquid Crystal Display; 이하 LCD라 함), 유기발광 다이오드(Organic Luminescence Emitted Diode; 이하 OLED라 함) 등 평판 디스플레이의 구동 소자 또는 스위칭 소자나, 메모리 소자의 주변 회로 구성을 위한 소자 등 다양한 전자 소자에 적용될 수 있다.
상기 기판(401)은 실리콘, 유리, 플라스틱 또는 다른 적절한 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 게이트 전극(403)으로는, 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(Al alloy), 텅스텐(W), 구리(Cu), 구리(Cu) 합금, 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 은 합금(Ag alloy), 금(Au), 금 합금(Au alloy), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 티타늄 합금(Ti alloy), 몰리텅스텐(MoW), 몰리티타늄 (MoTi), 구리/몰리티타늄 (Cu/MoTi)을 포함하는 도전성 금속 그룹 중에서 선택된 적어도 어느 하나 또는 이들의 2 이상의 조합 또는 다른 적절한 물질을 포함할 수도 있다.
또한, 상기 게이트 절연막(405)으로는 실리콘(Si) 계열의 산화막, 질화막, 또는 이를 포함하는 화합물과, Al2O3를 포함하는 금속산화막(metal oxide), 유기절연막, 낮은 유전 상수(low-k) 값을 갖는 재료를 포함한다. 예를 들어, 상기 게이트절연막(107)으로는, 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(SiNx), 산화지르코늄(ZrO2), 산화하프늄(HfO2), 산화티타늄(TiO2), 산화탄탈륨(Ta2O5), 바륨-스트론튬-티타늄-산소화합물(Ba-Sr-Ti-O) 및 비스머스-아연-니오븀-산소 화합물(Bi-Zn-Nb-O)로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 2 이상의 조합 또는 다른 적절한 물질을 포함할 수도 있다.
그리고, 상기 액티브패턴(411a)은 소스전극(417a)과 드레인전극(417b) 사이에 전자가 이동하는 채널을 형성하기 위한 층으로서, 저온 다결정 실리콘(Low Temperature Poly Silicon; 이하 LTPS라 함) 또는 비정질 실리콘(a-Si) 재질 대신에 실리콘(Si) 계열의 반도체 막, IGZO 계열의 산화물 반도체막, 화합물 반도체, 카본 나노 튜브(Carbon nano tube), 그라핀(graphene)을 사용한다.
이때, 상기 산화물 반도체로는, 게르마늄 (Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 인듐 (In), 티타늄(Ti), 갈륨(Ga) 및 알루미늄(Al)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 물질 및 아연(Zn)을 포함하는 산화물 반도체에 실리콘(Si)이 첨가된 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 상기 액티브패턴(109a)은 인듐아연 복합 산화물(InZnO)에 실리콘 이온이 첨가된 실리콘 산화인듐아연(Si-InZnO: SIZO)으로 이루어질 수도 있다.
상기 액티브패턴(411a)이 SIZO로 이루어지는 경우, 액티브층에서 아연(Zn), 인듐(In) 및 실리콘(Si) 원자의 전체 함량 대비 실리콘(Si) 원자 함량의 조성비는 약 0.001 중량%(wt%) 내지 약 30 wt%일 수도 있다. 실리콘(Si) 원자 함량이 높아질수록 전자 생성을 제어하는 역할이 강해져서, 이동도가 낮아질 수 있으나, 그 소자의 안정성은 더 좋아질 수 있다.
한편, 상기 액티브패턴(411a)으로는, 전술한 물질 외에 리튬(Li) 또는 칼륨(K)과 같은 I족 원소, 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca) 또는 스트론튬(Sr)과 같은 Ⅱ족 원소, 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 인듐(In) 또는 이트륨(Y)과 같은 Ⅲ족 원소, 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 주석(Sn) 또는 게르마늄(Ge)과 같은 Ⅳ족 원소, 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 니오븀(Nb) 또는 안티몬(Sb)과 같은 Ⅴ족 원소, 또는 란티늄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm), 사마륨 (Sm), 유로퓸(Eu), 가돌리듐(Gd), 터븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 어븀(Er), 툴륨(Tm), 이터븀(Yb) 또는 루테듐(Lu)과 같은 란탄(Ln) 계열 원소 등이 더 포함될 수도 있다.
상기 합금 산화막패턴(409a)은 Cu 합금, Ag 합금, Au 합금, Al 합금을 포함하는 반응성 합금 또는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni 및 이를 포함한 합금 막으로 구성된 금속 중에서 어느 하나를 이용하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 식각정지층패턴(415)은 실리콘(Si) 계열의 산화막(oxide), 질화막(nitride), 또는 Al2O3를 포함하는 금속산화막(metal oxide), 유기절연막, 낮은 유전 상수(low-k) 값을 갖는 재료를 포함한다.
더욱이, 상기 소스전극(417a) 및 드레인전극(417b)으로는 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(Al alloy), 텅스텐(W), 구리(Cu), Cu 합금, 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 은 합금(Ag alloy), 금(Au), 금 합금(Au alloy), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 티타늄 합금(Ti alloy), 몰리텅스텐(MoW), 몰리티타늄 (MoTi), 구리/몰리티타늄 (Cu/MoTi)을 포함하는 도전성 금속 그룹 중에서 선택된 적어도 어느 하나 또는 이들의 2 이상의 조합 또는 다른 적절한 물질을 포함할 수도 있다.
따라서, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 산화물 박막트랜지스터에 따르면, 산화물 반도체를 액티브층으로 사용하는 박막트랜지스터 구조에서 산화물 반도체층을 증착한 이후에 다시 금속 합금층을 증착하고 이후 열처리를 통해 상기 산화물 반도체층 표면에 합금 산화막을 형성하고 잔류하는 금속 합금층은 식각하여, 자기 정렬 (Self-aligned) 방법으로 산화물 반도체층 표면에만 합금 산화막을 형성함으로써, 산화물 반도체층을 외부 환경으로부터 보호할 수 있으며, 안정적인 소자 특성을 확보할 수 있다.
상기 구성으로 이루어지는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 산화물 박막트랜지스터 제조방법에 대해 도 9a 내지 9h를 참조하여 상세히 설명한다.
도 9a 내지 9h는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 제조공정 단면도들이다.
도면에는 도시하지 않았지만, 기판(401)상에 게이트전극용 제1 도전물질을 스퍼터링방법으로 증착하여 제1 도전층(미도시)을 형성하고, 그 위에 제1 감광막(미도시)을 도포한 후, 포토리소그라피 공정기술을 이용한 제1 마스크 공정을 통해 상기 제1 감광막(미도시)을 패터닝하여 제1 감광막패턴(미도시)을 형성한다.
이때, 상기 기판(401)은 실리콘, 유리, 플라스틱 또는 다른 적절한 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제1 도전층(미도시)으로는, 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(Al alloy), 텅스텐(W), 구리(Cu), 구리(Cu) 합금, 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 은 합금(Ag alloy), 금(Au), 금 합금(Au alloy), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 티타늄 합금(Ti alloy), 몰리텅스텐 (MoW), 몰리티타늄 (MoTi), 구리/몰리티타늄 (Cu/MoTi)을 포함하는 도전성 금속 그룹 중에서 선택된 적어도 어느 하나 또는 이들의 2 이상의 조합 또는 다른 적절한 물질을 포함할 수도 있다.
그 다음, 도 9a를 참조하면, 상기 제1 감광막패턴(미도시)을 식각 마스크로 상기 제1 도전층(미도시)을 선택적으로 식각하여 게이트전극(403)을 형성한다.
이어서, 도 9b를 참조하면, 상기 제1 감광막패턴을 제거하고, 상기 게이트전극(403)을 포함한 기판 전면에 게이트 절연막(405)을 형성한다. 이때, 상기 게이트 절연막(405)으로는 실리콘(Si) 계열의 산화막, 질화막, 또는 이를 포함하는 화합물과, Al2O3를 포함하는 금속산화막(metal oxide), 유기절연막, 낮은 유전 상수 (low-k) 값을 갖는 재료를 포함한다. 예를 들어, 상기 게이트절연막(305)으로는, 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(SiNx), 산화지르코늄(ZrO2), 산화하프늄(HfO2), 산화티타늄(TiO2), 산화탄탈륨(Ta2O5), 바륨-스트론튬-티타늄-산소화합물 (Ba-Sr-Ti-O) 및 비스머스-아연-니오븀-산소 화합물(Bi-Zn-Nb-O)로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 2 이상의 조합 또는 다른 적절한 물질을 포함할 수도 있다.
그 다음, 도 9c를 참조하면, 상기 게이트절연막(405) 상에 반응성 금속층 (407)을 증착한다. 이때, 상기 반응성 금속층(407)은 Cu 합금, Ag 합금, Au 합금, Al 합금을 포함하는 반응성 합금 또는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni 및 이를 포함한 합금 막으로 구성된 금속 중에서 어느 하나를 이용하여 형성될 수 있다. 이때, 상기 합금 원소는 Ca, Mg, Zn, Al, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ru, Co, Ni, Ag, Au, Zn 을 포함한다.
이어서, 도 9d를 참조하면, 아닐링 공정을 실시하여, 상기 반응성 금속층 (407)과 접촉하는 상기 게이트절연막(405)의 표면에 합금산화막(alloy oxide) (409)을 형성한다. 이때, 상기 아닐링 공정은 상압, 진공 아닐링 (annealing) 방법을 모두 포함하며, 열원으로는 광원으로 이용하는 방법도 모두 포함할 수 있다. 이때, 상기 합금산화막(409)은 자기 정렬(Self-aligned) 방법으로 형성된다고 볼 수 있다.
그 다음, 상기 반응성 금속층(407)을 습식 식각 방법을 통해 제거하여, 상기 게이트절연막(405) 표면에 있는 합금산화막(409)을 외부로 노출시킨다.
이어서, 도 9e를 참조하면, 상기 합금산화막(409) 상에 액티브층(411)을 형성한다. 이때, 상기 액티브층(411)은 소스전극(미도시)과 드레인전극(미도시) 사이에 전자가 이동하는 채널을 형성하기 위한 층으로서, 저온 다결정 실리콘(Low Temperature Poly Silicon; 이하 LTPS라 함) 또는 비정질 실리콘(a-Si) 재질 대신에 실리콘(Si) 계열의 반도체 막, IGZO 계열의 산화물 반도체막, 화합물 반도체, 카본 나노 튜브 (Carbon nano tube), 그라핀(graphene)을 사용한다.
이때, 상기 산화물 반도체로는, 게르마늄 (Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 인듐 (In), 티타늄(Ti), 갈륨(Ga) 및 알루미늄(Al)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 물질 및 아연(Zn)을 포함하는 산화물 반도체에 실리콘(Si)이 첨가된 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 상기 액티브층(109)은 인듐아연 복합 산화물 (InZnO)에 실리콘 이온이 첨가된 실리콘 산화인듐아연(Si-InZnO: SIZO)으로 이루어질 수도 있다.
상기 액티브층(411)이 SIZO로 이루어지는 경우, 액티브층에서 아연(Zn), 인듐(In) 및 실리콘(Si) 원자의 전체 함량 대비 실리콘(Si) 원자 함량의 조성비는 약 0.001 중량%(wt%) 내지 약 30 wt%일 수도 있다. 실리콘(Si) 원자 함량이 높아질수록 전자 생성을 제어하는 역할이 강해져서, 이동도가 낮아질 수 있으나, 그 소자의 안정성은 더 좋아질 수 있다.
한편, 상기 액티브층(411)으로는, 전술한 물질 외에 리튬(Li) 또는 칼륨(K)과 같은 I족 원소, 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca) 또는 스트론튬(Sr)과 같은 Ⅱ족 원소, 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 인듐(In) 또는 이트륨(Y)과 같은 Ⅲ족 원소, 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 주석(Sn) 또는 게르마늄(Ge)과 같은 Ⅳ족 원소, 탄탈륨 (Ta), 바나듐(V), 니오븀(Nb) 또는 안티몬(Sb)과 같은 Ⅴ족 원소, 또는 란티늄 (La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm), 사마륨 (Sm), 유로퓸(Eu), 가돌리듐(Gd), 터븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 어븀(Er), 툴륨 (Tm), 이터븀(Yb) 또는 루테듐(Lu)과 같은 란탄(Ln) 계열 원소 등이 더 포함될 수도 있다.
이어서, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 액티브층(411) 상에 제2 감광막(미도시)을 도포한 후, 포토리소그라피 공정기술을 이용한 제2 마스크 공정을 통해 상기 제2 감광막(미도시)을 노광 및 현상한 후 상기 제2 감광막(미도시)을 선택적으로 패터닝하여 제2 감광막패턴(미도시)을 형성한다.
그 다음, 도 9f를 참조하면, 상기 제2 감광막패턴(미도시)을 식각마스크로, 상기 액티브층(411) 및 합금 산화막(409)을 선택적으로 식각하여 액티브패턴(411a) 및 합금 산화막패턴(409a)을 형성한다.
이어서, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 제2 감광막패턴을 제거한 후, 기판 전면에 식각정지층(미도시)을 증착한다. 이때, 상기 식각정지층(미도시)은 실리콘(Si) 계열의 산화막(oxide), 질화막(nitride), 또는 Al2O3를 포함하는 금속산화막 (metal oxide), 유기절연막, 낮은 유전 상수(low-k) 값을 갖는 재료를 포함한다.
그 다음, 상기 식각정지층 상에 제3 감광막(미도시)을 도포한 후, 포토리소그라피 공정기술을 이용한 제3 마스크 공정을 통해 상기 제2 감광막(미도시)을 노광 및 현상한 후 상기 제3 감광막(미도시)을 선택적으로 패터닝하여 제3 감광막패턴(미도시)을 형성한다.
이어서, 도 9g를 참조하면, 상기 제3 감광막패턴을 식각 마스크로, 상기 식각정지층을 선택적으로 제거하여, 상기 액티브패턴(411a)의 채널영역 상에 식각정지층패턴(415)을 형성한다.
그 다음, 상기 제3 감광막패턴을 제거한 후, 상기 식각정지층(415)을 포함한 기판 전면에 제2 도전층(미도시)을 스퍼터링 방법으로 증착하여 형성한다. 이때, 상기 제2 도전층(미도시)으로는, 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(Al alloy), 텅스텐(W), 구리(Cu), Cu 합금, 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 은 합금(Ag alloy), 금(Au), 금 합금(Au alloy), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 티타늄 합금(Ti alloy), 몰리텅스텐 (MoW), 몰리티타늄 (MoTi), 구리/몰리티타늄 (Cu/MoTi)을 포함하는 도전성 금속 그룹 중에서 선택된 적어도 어느 하나 또는 이들의 2 이상의 조합 또는 다른 적절한 물질을 포함할 수도 있다.
이어서, 상기 제2 도전층(미도시) 상에 제4 감광막(미도시)을 도포한 후 포토리소그라피 공정기술을 이용한 제4 마스크 공정을 통해 상기 제4 감광막(미도시)을 노광 및 현상한 후 상기 제4 감광막(미도시)을 선택적으로 패터닝하여 제4 감광막패턴(미도시)을 형성한다.
그 다음, 도 9h를 참조하면, 상기 제4 감광막패턴(미도시)을 식각마스크로, 상기 제2 도전층(미도시)을 식각하여, 상기 이격된 소스전극(417a) 및 드레인전극 (417b)을 형성하고 제4 감광막패턴(미도시)을 제거함으로써, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 산화물 박막트랜지스터 제조공정을 완료한다.
따라서, 본 발명에 따른 산화물 박막트랜지스터 제조방법에 따르면, 산화물 반도체를 액티브층으로 사용하는 박막트랜지스터 구조에서 산화물 반도체층을 증착한 이후에 다시 금속 합금층을 증착하고 이후 열처리를 통해 상기 산화물 반도체층 표면에 합금 산화막을 형성하고 잔류하는 금속 합금층은 식각하여, 자기 정렬 (Self-aligned) 방법으로 산화물 반도체층 표면에만 합금 산화막을 형성함으로써, 산화물 반도체층을 외부 환경으로부터 보호할 수 있으며, 안정적인 소자 특성을 확보할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시 예의 예시로서 해석되어야 한다. 예를 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 박막트랜지스터의 구성 요소는 다양화할 수 있을 것이고, 구조 또한 다양한 형태로 변형할 수 있을 것이다.
본 발명의 산화물 박막 트랜지스터는 액정표시장치나 유기발광표시장치뿐만 아니라 메모리소자 및 논리 소자 분야에도 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
100: 산화물 박막트랜지스터 103: 게이트전극
105: 게이트 절연막 107: 액티브패턴
111: 합금 산화막 113a: 소스전극 113b: 드레인전극
105: 게이트 절연막 107: 액티브패턴
111: 합금 산화막 113a: 소스전극 113b: 드레인전극
Claims (14)
- 기판상에 형성된 게이트전극과;
상기 게이트전극을 포함한 기판 전면에 형성된 게이트 절연막과;
상기 게이트전극 상측의 게이트 절연막 상에 형성된 액티브패턴과;
상기 액티브패턴의 표면에 형성된 합금 산화막과;
상기 합금 산화막을 포함한 기판 전면에 형성되고, 서로 이격된 소스전극 및 드레인전극;을 포함하여 구성되는 박막트랜지스터. - 제1항에 있어서, 상기 합금 산화막은 상기 액티브패턴의 하부 표면과 측면 및 상부 표면 전체에 형성되거나, 상기 액티브패턴의 하부 표면에만 형성되거나 또는, 상기 액티브패턴의 측면 및 상부 표면에 형성된 것을 형성된 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터.
- 제1항에 있어서, 상기 합금 산화막은 Cu 합금, Ag 합금, Au 합금, Al 합금을 포함하는 반응성 합금 또는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni 및 이를 포함한 합금 막으로 구성된 금속 중에서 어느 하나를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터.
- 제2항에 있어서, 상기 합금 산화막이 상기 액티브패턴의 하부 표면에 형성되는 경우, 상기 액티브패턴의 채널영역 상에 식각정지층패턴이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터.
- 제1항에 있어서, 상기 액티브패턴은 실리콘(Si) 계열의 반도체 막, IGZO 계열의 산화물 반도체막, 화합물 반도체, 카본 나노 튜브(Carbon nano tube), 그라핀 (graphene)으로 형성된 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터.
- 기판상에 게이트전극을 형성하는 단계와;
상기 게이트전극을 포함한 기판 전면에 게이트 절연막을 형성하는 단계와;
상기 게이트전극 상측의 게이트 절연막 상에 액티브패턴을 형성하는 단계와;
상기 액티브패턴 표면에 합금 산화막을 형성하는 단계와;
상기 합금 산화막과 게이트절연막 상에 서로 이격된 소스전극과 드레인전극을 형성하는 단계;를 포함하여 구성되는 박막트랜지스터 제조방법. - 제6항에 있어서, 상기 합금 산화막은 상기 액티브패턴의 하부 표면과 측면 및 상부 표면 전체에 형성되거나, 상기 액티브패턴의 하부 표면에만 형성되거나 또는, 상기 액티브패턴의 측면 및 상부 표면에 형성된 것을 형성된 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 합금 산화막은 Cu 합금, Ag 합금, Au 합금, Al 합금을 포함하는 반응성 합금 또는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni 및 이를 포함한 합금 막으로 구성된 금속 중에서 어느 하나를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터 제조방법.
- 제7항에 있어서, 상기 합금 산화막이 상기 액티브패턴의 하부 표면에 형성되는 경우, 상기 액티브패턴의 채널영역 상에 식각정지층패턴을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 액티브패턴은 실리콘(Si) 계열의 반도체 막, IGZO 계열의 산화물 반도체막, 화합물 반도체, 카본 나노 튜브(Carbon nano tube), 그라핀 (graphene)으로 형성된 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 액티브패턴 표면에 합금 산화막을 형성하는 단계는,
상기 액티브패턴을 포함한 게이트절연막 상에 반응성 금속층을 형성하는 공정과;
아닐링 공정을 실시하여 상기 반응성 금속층과 접촉하는 상기 액티브패턴 표면에 합금 산화막을 형성하는 공정과;
상기 반응성 금속층을 제거하는 공정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터 제조방법. - 제11항에 있어서, 상기 반응성 금속층은 Cu 합금, Ag 합금, Au 합금, Al 합금을 포함하는 반응성 합금 또는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni 및 이를 포함한 합금 막으로 구성된 금속 중에서 어느 하나를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 액티브패턴 표면에 합금 산화막을 형성하는 단계는,
상기 게이트절연막 상에 제1 반응성 금속층을 형성하는 공정과;
1차 아닐링 공정을 실시하여 상기 제1 반응성 금속층과 접촉하는 상기 게이트절연막 표면에 제1 합금 산화막을 형성하는 공정과;
상기 제1 반응성 금속층을 제거하는 공정과;
상기 제1 합금 산화막 상에 액티브층을 형성하는 공정과;
상기 액티브층과 제1 합금 산화막을 선택적으로 식각하여, 액티브패턴과 제1 합금 산화막패턴을 형성하는 공정과;
상기 액티브패턴과 제1 합금 산화막패턴을 포함한 기판 전면에 제2 반응성 금속층을 형성하는 공정과;
2차 아닐링 공정을 실시하여 상기 제2 반응성 금속층과 접촉하는 상기 액티브패턴의 측면 및 상부 표면에 제2 합금 산화막을 형성하는 공정과;
상기 제2 반응성 금속층을 제거하는 공정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터 제조방법. - 제6항에 있어서, 상기 제1, 2 반응성 금속층은 Cu 합금, Ag 합금, Au 합금, Al 합금을 포함하는 반응성 합금 또는 Cu, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni 및 이를 포함한 합금 막으로 구성된 금속 중에서 어느 하나를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터 제조방법.
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