KR20150037795A - 박막 트랜지스터 기판 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

높은 전하 이동도를 가지며 대면적 표시 장치에 대하여 균일한 전기적 특성을 얻을 수 있는 박막 트랜지스터 기판 및 그 제조 방법이 제공된다. 박막 트랜지스터 기판은, 절연 기판 상에 형성되고 채널부를 가지는 산화물 반도체층과, 산화물 반도체층과 중첩되게 형성된 게이트 전극과, 산화물 반도체층과 게이트 전극 사이에 개재된 게이트 절연막과, 산화물 반도체층 및 게이트 전극 상부에 형성된 보호막을 포함한다. 여기서, 게이트 절연막 및 보호막 중 적어도 하나는 산질화막으로 이루어지고, 산질화막은 산화물 반도체층과 인접할수록 산소의 농도가 질소의 농도보다 높을 수 있다.

Description

박막 트랜지스터 기판 및 그 제조 방법{Thin film transistor array substrate and method of manufacturing the same}
본 발명은 박막 트랜지스터 기판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
액정 표시 장치(Liquid Crystal Display)는 현재 가장 널리 사용되고 있는 평판 표시 장치(Flat Panel Display) 중 하나로서, 전극이 형성되어 있는 두 장의 기판과 그 사이에 개재되어 있는 액정층으로 이루어져, 전극에 전압을 인가하여 액정층의 액정 분자들을 재배열시킴으로써 투과되는 빛의 양을 조절하는 표시 장치이다.
액정 표시 장치 중에서도 현재 주로 사용되는 것은 전계 생성 전극이 제1 및 제2 기판에 각각 구비되어 있는 형태이다. 이 중에서도, 제1 기판(즉, 박막 트랜지스터 기판)에는 복수의 화소 전극이 매트릭스(matrix) 형태로 배열되어 있고 제2 기판에는 하나의 공통 전극이 기판 전면을 덮고 있다.
이러한 액정 표시 장치에서 화상의 표시는 각 화소 전극에 별도의 전압을 인가함으로써 이루어진다. 이를 위해서 화소 전극에 인가되는 전압을 스위칭하기 위한 삼단자 소자인 박막 트랜지스터를 각 화소 전극에 연결하고 이 박막 트랜지스터를 제어하기 위한 신호를 전달하는 게이트선과 화소 전극에 인가될 전압을 전달하는 데이터선을 포함하는 다수의 배선을 기판 상에 형성한다.
종래의 액정 표시 장치에 따르면, 스위칭 소자의 채널 영역을 구성하는 물질에 따라 비정질 실리콘 박막 트랜지스터와 다결정 실리콘 박막 트랜지스터로 구분된다. 비정질 실리콘 박막 트랜지스터의 경우, 전하의 이동도가 약 0.5 cm2/Vs 정도로 낮지만 대면적 표시 장치에 대해 균일한 전기적 특성을 구현할 수 있다. 반면 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 경우, 전하의 이동도가 수백 cm2/Vs 정도로 높지만 대면적 표시 장치에 대해 균일한 전기적 특성을 구현하기 어려운 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 높은 전하 이동도를 가지며 대면적 표시 장치에 대하여 균일한 전기적 특성을 얻을 수 있는 박막 트랜지스터 기판을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 이러한 박막 트랜지스터 기판의 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판은, 절연 기판 상에 형성되고 채널부를 가지는 산화물 반도체층과, 상기 산화물 반도체층과 중첩되게 형성된 게이트 전극과, 상기 산화물 반도체층과 상기 게이트 전극 사이에 개재된 게이트 절연막과, 상기 산화물 반도체층 및 상기 게이트 전극 상부에 형성된 보호막을 포함한다. 여기서, 상기 게이트 절연막 및 상기 보호막 중 적어도 하나는 산질화막으로 이루어지고, 상기 산질화막은 상기 산화물 반도체층과 인접할수록 산소의 농도가 질소의 농도보다 높을 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판은, 절연 기판 상에 형성되고 채널부를 가지는 산화물 반도체층과, 상기 산화물 반도체층과 중첩되게 형성된 게이트 전극과, 상기 산화물 반도체층과 상기 게이트 전극 사이에 개재된 게이트 절연막과, 상기 산화물 반도체층 및 상기 게이트 전극 상부에 형성된 보호막을 포함한다. 여기서, 상기 게이트 절연막 및 상기 보호막 중 적어도 하나는 산화막 및 질화막을 포함할 수 있다. 또한, 상기 산화막은 상기 산화물 반도체층에 접촉하고, 상기 질화막은 상기 산화물 반도체층과 접촉하지 않을 수 있다.
상기 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판의 제조 방법은, 절연 기판 상에 게이트 전극을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극 상에 게이트 절연막을 형성하는 단계와, 상기 게이트 절연막 상에 산화물 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 산화물 반도체층 상에 서로 이격되어 배치된 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계와, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 상에 보호막을 형성하는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 게이트 절연막 및 상기 보호막 중 적어도 하나는 산질화막으로 이루어지고, 상기 산질화막은 상기 산화물 반도체층과 인접할수록 산소의 농도가 질소의 농도보다 높을 수 있다.
상기 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판의 제조 방법은, 절연 기판 상에 게이트 전극을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극 상에 게이트 절연막을 형성하는 단계와, 상기 게이트 절연막 상에 산화물 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 산화물 반도체층 상에 서로 이격되어 배치된 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계와, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 상에 보호막을 형성하는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 게이트 절연막 및 상기 보호막 중 적어도 하나는 산화막 및 질화막을 포함할 수 있다. 또한, 상기 산화막은 상기 산화물 반도체층에 접촉하고, 상기 질화막은 상기 산화물 반도체층과 접촉하지 않을 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따르면, 높은 전하 이동도를 가지며 대면적 표시 장치에 대하여 균일한 전기적 특성을 얻을 수 있는 박막 트랜지스터 기판을 제공할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판의 배치도이다.
도 1b는 도 1a의 박막 트랜지스터 기판을 A-A'선을 따라 자른 단면도이다.
도 1c는 도 1b의 박막 트랜지스터의 B부분을 확대한 단면도이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 공정 단면도들이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제6 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판의 단면도이다.
도 12는 소스 가스의 분압비에 따라 산화 규소의 증착 속도 및 굴절률을 측정한 그래프이다.
도 13a는 비교 실험예로서 게이트 전압(Vg)의 변화에 따른 산화물 반도체층을 흐르는 전류(Is)를 측정한 그래프이다.
도 13b는 본 발명의 실험예로서 게이트 전압(Vg)의 변화에 따른 산화물 반도체층을 흐르는 전류(Is)를 측정한 그래프이다.
도 14a는 비교 실험예로서 BTS 테스트 결과를 측정한 그래프이다.
도 14b는 본 발명의 실험예로서 BTS 테스트 결과를 측정한 그래프이다.
도 15는 도 14b의 실험예에서 시간 경과에 따라 문턱 전압(Vth)의 변화량을 측정한 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 개략도인 평면도 및 단면도를 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이고, 발명의 범주를 제한하기 위한 것은 아니다.
이하, 첨부된 도 1a 내지 도 1c를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판에 대하여 상세히 설명한다. 도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판의 배치도이다. 도 1b는 도 1a의 박막 트랜지스터 기판을 A-A'선을 따라 자른 단면도이다. 도 1c는 도 1b의 박막 트랜지스터의 B부분을 확대한 단면도이다.
도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 절연 기판(10) 위에 게이트 신호를 전달하는 게이트 배선(22, 26)이 형성되어 있다. 게이트 배선(22, 26)은 가로 방향으로 뻗어 있는 게이트선(22)과, 게이트선(22)에 연결되어 돌기 형태로 형성된 박막 트랜지스터의 게이트 전극(26)을 포함한다.
그리고 절연 기판(10) 위에는 스토리지 전압을 전달하는 스토리지 배선(27, 28)이 형성되어 있다. 스토리지 배선(27, 28)은 화소 영역을 가로질러 게이트선(22)과 실질적으로 평행하게 형성된 스토리지 선(28)과, 스토리지선(28)에 비해 너비가 넓게 형성되어 스토리지선(28)에 연결된 스토리지 전극(27)을 포함한다. 스토리지 전극(27)은 후술할 화소 전극(82)과 연결된 드레인 전극 확장부(67)와 중첩되어 화소의 전하 보존 능력을 향상시키는 스토리지 커패시터(storage capacitor)를 이룬다. 이와 같은 스토리지 전극(27) 및 스토리지선(28)의 모양 및 배치 등은 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 화소 전극(82)과 게이트선(22)의 중첩으로 발생하는 스토리지 커패시턴스(storage capacitance)가 충분할 경우 스토리지 전극(27) 및 스토리지선(28)은 형성되지 않을 수도 있다.
게이트 배선(22, 26) 및 스토리지 배선(27, 28)은 알루미늄(Al)과 알루미늄 합금 등 알루미늄 계열의 금속, 은(Ag)과 은 합금 등 은 계열의 금속, 구리(Cu)와 구리 합금 등 구리 계열의 금속, 몰리브덴(Mo)과 몰리브덴 합금 등 몰리브덴 계열의 금속, 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 따위로 이루어질 수 있다. 또한, 게이트 배선(22, 26) 및 스토리지 배선(27, 28)은 물리적 성질이 다른 두 개의 도전막(미도시)을 포함하는 다중막 구조를 가질 수 있다. 이 중 한 도전막은 게이트 배선(22, 26) 및 스토리지 배선(27, 28)의 신호 지연이나 전압 강하를 줄일 수 있도록 낮은 비저항(resistivity)의 금속, 예를 들면 알루미늄 계열 금속, 은 계열 금속, 구리 계열 금속 등으로 이루어진다. 이와는 달리, 다른 도전막은 다른 물질, 특히 산화 아연(ZnO), ITO(indium tin oxide) 및 IZO(indium zinc oxide)와의 접촉 특성이 우수한 물질, 이를테면 몰리브덴 계열 금속, 크롬, 티타늄, 탄탈륨 등으로 이루어진다. 이러한 조합의 좋은 예로는 크롬 하부막과 알루미늄 상부막 및 알루미늄 하부막과 몰리브덴 상부막을 들 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 게이트 배선(22, 26) 및 스토리지 배선(27, 28)은 다양한 여러 가지 금속과 도전체로 만들어질 수 있다.
절연 기판(10) 및 게이트 배선(22, 26)의 위에는 게이트 절연막(30)이 형성되어 있다. 게이트 절연막(30)은 산질화물(oxynitride)로 이루어질 수 있다. 여기서, 산질화물로는 산질화 규소, 산질화 알루미늄, 산질화 티탄, 산질화 지르코늄, 산질화 하프늄, 산질화 탄탈, 산질화 텅스텐 등이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 산질화 규소가 사용될 수 있다.
일반적으로 수소는 산화물 반도체층(40)과 반응하면 산화물 반도체층(40)을 환원시키고 산화물 반도체층(40) 내에 산소 베이컨시(oxygen vacancy)를 생성한다. 이러한 산소 베이컨시는 산화물 반도체층(40)의 채널부의 캐리어(carrier) 농도를 증가시킨다. 따라서, 게이트 절연막(30) 내에 수소의 함량이 높은 경우, 캐리어 농도가 증가하게 되어 산화물 박막 트랜지스터의 문턱전압(Vth)이 음의 방향으로 이동함으로써 산화물 반도체층(40)이 도전체와 같은 전기적 특성을 가지게 된다. 따라서, 게이트 절연막(30)의 경우 산화물 반도체층(40)과 접촉하기 때문에 게이트 절연막(30) 내의 수소 함량을 낮추는 것이 중요하다.
게이트 절연막(30)을 산질화물로 형성하는 경우, NH3 와 같은 수소 함유 가스를 적게 사용하거나 또는 사용하지 않고 N2O 가스 (또는 O2 가스) 및 N2 가스 등을 사용하기 때문에, 게이트 절연막(30) 내에 수소의 함량이 낮거나 거의 없어서 산화물 반도체층(40)의 전기적 특성이 열화되는 것을 방지할 수 있다.
게이트 절연막(30)은 두께 방향으로 산화물 반도체층(40)과 인접할수록 산소의 농도가 질소의 농도보다 높아지는 것이 바람직하다. 도 1c를 참조하면, 산화물 반도체층(40)과 인접한 게이트 절연막(30)의 R 부분은 산화물 반도체층(40)과 상대적으로 먼 S 부분보다 산소의 농도가 더 높은 것이 바람직하다. 다시 말해, 게이트 절연막(30)의 물질을 MOxN1 -x (여기서, M은 Si, Al, Ti, Zr, Hf, Ta, 또는 W)로 표시할 때, 게이트 절연막(30)은 두께 방향으로 산화물 반도체층(40)과 인접할수록 x의 값이 커지는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 질화물보다는 산화물이 더 안정하기 때문에 산화물 반도체층(40)의 전기적 특성을 더 효과적으로 향상시킬 수 있다.
게이트 절연막(30) 위에는 Zn, In, Ga, Sn 및 이들의 조합에서 선택된 물질의 산화물로 이루어진 산화물 반도체층(40)이 형성되어 있다. 예를 들어 산화물 반도체층(40)으로는 ZnO, InZnO, InGaO, InSnO, ZnSnO, GaSnO, GaZnO, GaZnSnO 또는 GaInZnO 등의 혼합 산화물이 사용될 수 있다. 이러한 산화물 반도체층(40)은 수소화 비정질 규소에 비하여 전하의 유효 이동도(effective mobility)가 2 내지 100배 정도 크고, 온/오프 전류비가 105 내지 108 의 값을 가짐으로써 뛰어난 반도체 특성을 가지고 있다. 또한 산화물 반도체층(40)의 경우, 밴드갭(band gap)이 약 3.0 내지 3.5eV 이므로 가시광에 대하여 누설 광전류가 발생하지 않는다. 따라서 산화물 박막 트랜지스터의 순간 잔상을 방지할 수 있고, 산화물 박막 트랜지스터 하부에 광차단막을 형성할 필요가 없으므로 액정 표시 장치의 개구율을 높일 수 있다. 산화물 반도체의 특성을 향상시키기 위해 주기율표상의 3족, 4족, 5족 또는 전이원소가 추가로 포함될 수 있다. 또한, 이러한 산화물 반도체층(40)을 구성하는 물질들은 후술하는 데이터 배선(62, 65, 66, 67)과의 오믹 콘택(Ohmic contact) 특성이 좋으므로 별도로 오믹 콘택층을 형성할 필요가 없으므로 공정 시간을 단축할 수 있다. 또한, 산화물 반도체층(40)은 비정질 상태이지만 높은 전하의 유효 이동도를 가지고 있고, 기존 비정질 규소의 제조 공정을 그대로 적용할 수 있어서 대면적 표시 장치에 대하여 적용할 수 있다.
본 실시예의 산화물 박막 트랜지스터의 경우에는 산화물 반도체층(40)과 데이터 배선(62, 65, 66, 67)의 패턴 모양이 서로 상이하다. 그러나, 4매 마스크 공정을 적용하는 경우 산화물 반도체층(40)은 산화물 박막 트랜지스터의 채널 영역을 제외하고는 데이터 배선(62, 65, 66, 67)과 실질적으로 동일한 형상으로 패터닝될 수 있다. 이는 산화물 반도체층(40)과 데이터 배선(62, 65, 66, 67)을 하나의 식각 마스크를 이용하여 패터닝하기 때문이다. 본 실시예에서는 5매 마스크 공정에 의해 제조된 구조를 예시하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 5매 마스크 공정과 다른 공정, 예컨대 3매 또는 4매 마스크 공정을 적용한 경우에도 본 발명의 핵심 사상을 적용하는 것은 당업자에게 자명한 사실이다.
산화물 반도체층(40) 및 게이트 절연막(30) 위에는 데이터 배선(62, 65, 66, 67)이 형성되어 있다. 데이터 배선(62, 65, 66, 67)은 세로 방향으로 형성되어 게이트선(22)과 교차하여 화소를 정의하는 데이터선(62)과, 데이터선(62)으로부터 가지(branch) 형태로 분지되어 산화물 반도체층(40)의 상부까지 연장되어 있는 소스 전극(65)과, 소스 전극(65)과 분리되어 있으며 게이트 전극(26) 또는 산화물 박막 트랜지스터의 채널부를 중심으로 소스 전극(65)과 대향하도록 산화물 반도체층(40) 상부에 형성되어 있는 드레인 전극(66)과, 드레인 전극(66)으로부터 연장되어 스토리지 전극(27)과 중첩하는 넓은 면적의 드레인 전극 확장부(67)를 포함한다.
이러한 데이터 배선(62, 65, 66, 67)은 산화물 반도체층(40)과 직접 접촉하여 오믹 콘택(Ohmic contact)을 형성하는 물질로 구성될 수 있다. 데이터 배선(62, 65, 66, 67)이 산화물 반도체층(40)을 구성하는 물질보다 일함수(work function)가 작은 물질로 이루어지면 두 층간에 오믹 콘택이 이루어질 수 있다. 따라서 산화물 반도체층(40)의 일함수가 약 5 eV 이상, 예를 들어 약 5.1 내지 5.3eV인 경우에는, 데이터 배선(62, 65, 66, 67)의 일함수가 약 5.3eV 이하가 되는 물질로 형성할 수 있다. 또한, 데이터 배선(62, 65, 66, 67)과 산화물 반도체층(40)의 일함수 값의 차이가 약 1.5eV이하인 것이 접촉 저항 특성 향상에 보다 적합할 수 있다. 따라서, 산화물 반도체층(40)과 오믹 콘택을 이루기 위하여 데이터 배선(62, 65, 66, 67)은 하기 표 1에 나타난 바와 같이 니켈(Ni), 코발트(Co), 티탄(Ti), 은(Ag), 구리(Cu), 몰르브덴(Mo), 알루미늄(Al), 베릴륨(Be), 니오브(Nb), 금(Au), 철(Fe), 셀렌(Se), 또는 탄탈(Ta) 등으로 이루어진 단일막 또는 다중막 구조를 가질 수 있다. 또한 상기 금속에 티탄(Ti), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 니오브(Nb), 백금(Pt), 하프늄(Hf), 산소(O), 질소(N)에서 선택된 하나 이상의 원소가 포함된 합금도 적용 가능하다.
이하 표 1은 데이터 배선(62, 65, 66, 67)으로 사용되는 금속 물질의 일함수를 나타낸 표이다.
금속 Ni Co Ti Ag Cu Mo
일함수(eV) 5.01 5.0 4.7 4.73 4.7 4.5
금속 Al Be Nb Au Fe Se
일함수(eV) 4.08 5.0 4.3 5.1 4.5 5.11
한편 산화물 반도체층(40)은 Al, Cu, Ag 등의 금속과 직접 접촉할 경우 상호간의 반응 내지는 확산에 의해 이들 금속을 데이터 배선(62, 65, 66, 67)으로 채용한 산화물 박막 트랜지스터의 특성 및/또는 화소 전극(82)으로 일반적으로 사용되는 ITO 또는 IZO 등과의 오믹 콘택 특성이 나빠질 수 있다. 따라서, 데이터 배선(62, 65, 66, 67)을 이중막 또는 삼중막 구조로 형성할 수 있다.
데이터 배선(62, 65, 66, 67)으로 Al 또는 Al에 Nd, Sc, C, Ni, B, Zr, Lu, Cu, Ag 등이 함유된 합금을 적용할 경우, Al 또는 Al 합금의 상부 및/또는 하부에 이종막이 적층된 다층막이 적용될 수 있다. 예를 들면, Mo(Mo 합금)/Al(Al 합금), Ti(Ti 합금)/Al(Al 합금), Ta(Ta 합금)/Al(Al 합금), Ni(Ni 합금)/Al(Al 합금), Co(Co 합금)/Al(Al 합금) 등과 같은 이중막 또는 Ti(Ti 합금)/Al(Al 합금)/Ti(Ti 합금), Ta(Ta 합금)/ Al(Al 합금)/Ta(Ta 합금), Ti(Ti 합금)/Al(Al 합금)/TiN, Ta(Ta 합금)/Al(Al 합금)/TaN, Ni(Ni 합금)/Al(Al 합금)/Ni(Ni 합금), Co(Co 합금)/Al(Al 합금)/Co(Co 합금), Mo(Mo 합금)/Al(Al 합금)/Mo(Mo 합금) 등과 같은 삼중막이 적용될 수 있다. 합금으로 표시된 물질들에는 Mo, W, Nb, Zr, V, O, N 등이 첨가되어 있을 수 있다.
한편 데이터 배선(62, 65, 66, 67)으로 Cu 또는 Cu 합금을 적용할 경우에는, 데이터 배선(62, 65, 66, 67)과 화소 전극(82)과의 오믹 콘택 특성은 큰 문제가 없기 때문에 데이터 배선(62, 65, 66, 67)으로 Cu 또는 Cu 합금막과 산화물 반도체층(40)의 사이에 Mo, Ti 또는 Ta를 포함하는 막이 적용된 이중막이 적용될 수 있다. 예를 들면, Mo(Mo 합금)/Cu, Ti(Ti 합금)/Cu, TiN(TiN 합금)/Cu, Ta(Ta 합금)/Cu, TiOx/Cu 등과 같은 이중막이 적용될 수 있다.
소스 전극(65)은 산화물 반도체층(40)과 적어도 일부분이 중첩되고, 드레인 전극(66)은 산화물 박막 트랜지스터의 채널부를 중심으로 소스 전극(65)과 대향하며 산화물 반도체층(40)과 적어도 일부분이 중첩된다.
드레인 전극 확장부(67)는 스토리지 전극(27)과 중첩되도록 형성되어, 스토리지 전극(27)과 게이트 절연막(30)을 사이에 두고 스토리지 커패시터를 형성한다. 스토리지 전극(27)을 형성하지 않을 경우 드레인 전극 확장부(27)를 형성하지 않을 수 있다.
데이터 배선(62, 65, 66, 67) 및 이에 의해 노출된 산화물 반도체층(40) 상부에는 보호막(70)이 형성되어 있다. 보호막(70)은 산화물 반도체층(40)과 접촉하기 때문에 게이트 절연막(30)과 마찬가지로, 산질화물로 이루어질 수 있다. 여기서, 산질화물로는 산질화 규소, 산질화 알루미늄, 산질화 티탄, 산질화 지르코늄, 산질화 하프늄, 산질화 탄탈, 산질화 텅스텐 등이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 산질화 규소가 사용될 수 있다.
앞서 게이트 절연막(30)의 형성 과정에서 살펴본 바와 같이, 산화물 반도체층(40)과 접촉하는 보호막(70) 내의 수소 함량을 낮추는 것이 중요하다. 따라서, 보호막(70)으로서 산질화물을 사용하는 경우, 보호막(70) 내에 수소의 함량이 낮거나 거의 없어서 산화물 반도체층(40)의 전기적 특성이 열화되는 것을 방지할 수 있다.
보호막(70)은 두께 방향으로 산화물 반도체층(40)과 인접할수록 산소의 농도가 질소의 농도보다 높아지는 것이 바람직하다. 도 1c를 참조하면, 산화물 반도체층(40)과 인접한 보호막(70)의 P 부분은 산화물 반도체층(40)과 상대적으로 먼 Q 부분보다 산소의 농도가 더 높은 것이 바람직하다. 다시 말해, 보호막(70)의 물질을 MOxN1 -x (여기서, M은 Si, Al, Ti, Zr, Hf, Ta, 또는 W)로 표시할 때, 보호막(70)은 두께 방향으로 산화물 반도체층(40)과 인접할수록 x의 값이 커지는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 질화물보다는 산화물이 더 안정하기 때문에 산화물 반도체층(40)의 전기적 특성을 더 효과적으로 향상시킬 수 있다.
보호막(70)에는 드레인 전극 확장부(67)를 드러내는 컨택홀(77)이 형성되어 있다. 보호막(70) 위에는 컨택홀(77)을 통하여 드레인 전극(66)과 전기적으로 연결되는 화소 전극(82)이 형성되어 있다. 화소 전극(82)은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide) 등의 투명 도전체 또는 알루미늄 등의 반사성 도전체로 이루어질 수 있다.
데이터 전압이 인가된 화소 전극(82)은 박막 트랜지스터 기판과 대향하는 상부 기판의 공통 전극과 함께 전기장을 생성함으로써 화소 전극(82)과 공통 전극 사이의 액정층의 액정 분자들의 배열을 결정한다.
이상의 설명에서는 산화물 반도체층(40)과 접촉하는 절연막, 즉 게이트 절연막(30) 및 보호막(70)이 모두 산질화물로 이루어진 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 게이트 절연막(30) 및 보호막(70) 중 어느 하나가 산질화물로 이루어지고 다른 하나가 질화 규소 또는 산화 규소로 이루어진 경우를 포함한다.
이하, 도 1a 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판의 제조 방법을 상세히 설명한다. 도 2 내지 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 공정 단면도들이다.
먼저, 도 1a 및 도 2에 도시된 바와 같이, 절연 기판(10) 위에 게이트선(22), 게이트 전극(26), 스토리지 전극(27) 및 스토리지선(28)을 형성한다.
절연 기판(10)은, 예를 들어 소다석회유리(soda lime glass) 또는 보로 실리케이트 유리 등의 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 게이트 배선(22, 26)을 형성하기 위해 스퍼터링(sputtering) 방법을 이용할 수 있다. 게이트 배선(22, 26)을 패터닝할 때 습식 식각 또는 건식 식각을 이용할 수 있다. 습식 식각의 경우, 인산, 질산, 초산 등의 식각액을 사용할 수 있다. 또한 건식 식각의 경우, 염소 계열의 식각 가스, 예를 들어 Cl2, BCl3 등을 사용할 수 있다.
이어서, 도 1a 및 도 3를 참조하면 절연 기판(10), 게이트 배선(22, 26) 위에 플라즈마 강화 화학 기상 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD), 반응성 스퍼터링(reactive sputtering) 등을 이용하여 산질화물로 이루어진 게이트 절연막(30)을 형성한다. 베이스 가스와 N2O 가스와 N2 가스를 반응시켜, 산질화물로 이루어진 게이트 절연막(30)을 형성할 수 있다. 여기서, 베이스 가스는 규소, 알루미늄, 티탄, 지르코늄, 하프늄, 탄탈, 또는 텅스텐을 포함하는 가스로 이루어질 수 있고, N2O 가스와 함께 또는 N2O 가스 대신에 O2 가스가 사용될 수 있다. 예를 들어, N2O 가스 및 N2 가스와, 베이스 가스인 SiH4 가스를 반응시켜 산질화 규소를 형성할 수 있다.
게이트 절연막(30)의 형성을 위한 반응 가스인 N2O 가스(또는 O2 가스)에 대한 N2 가스의 분압비를 조절함으로써 게이트 절연막(30)은 두께 방향으로 산화물 반도체층(40)과 인접할수록 산소의 농도가 질소의 농도보다 높아지도록 제어할 수 있다. 즉, 게이트 절연막(30)을 증착하는 동안 N2O 가스(또는 O2 가스)의 분압을 점점 높임으로써 산소 농도의 구배(gradation)가 있는 산질화막을 형성할 수 있다.
다만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 게이트 배선(22, 26) 상에 질화막 및 산화막을 순차적으로 형성한 후, 어닐링(annealing) 등의 열처리를 함으로써 산소 농도의 구배가 있는 산화질막을 형성할 수 있다. 다시 말해, 질화막과 산화막을 별도로 증착하더라도, 후속하는 열처리에 의해서 질화막과 산화막의 경계가 실질적으로 없어지고 질화막 내의 질소가 산화막으로 확산하고 산화막 내의 산소가 질화막 내로 확산함으로써 산소 농도의 구배가 있는 산질화막이 형성될 수 있다.
이어서, 게이트 절연막(30) 위에 산화물 반도체층(40)을 형성한다.
도 1a 및 도 4를 참조하면, 게이트 절연막(30) 및 산화물 반도체층(40) 위에 예를 들어 스퍼터링 등의 방법으로 데이터 배선(62, 65, 66, 67)을 형성한다. 소스 전극(65)과 드레인 전극(66)은 게이트 전극(26)을 중심으로 양쪽으로 분리되며, 드레인 전극(66)으로부터 연장된 드레인 전극 확장부(67)가 스토리지 전극(27)과 오버랩된다.
이어서, 도 5에 도시된 바와 같이 PECVD 또는 반응성 스퍼터링 등을 이용하여 산질화물로 이루어진 보호막(70)을 형성한다. 베이스 가스와 N2O 가스와 N2 가스를 반응시켜, 산질화물로 이루어진 보호막(70)을 형성할 수 있다. 여기서, 베이스 가스는 규소, 알루미늄, 티탄, 지르코늄, 하프늄, 탄탈, 또는 텅스텐을 포함하는 가스로 이루어질 수 있고, N2O 가스와 함께 또는 N2O 가스 대신에 O2 가스가 사용될 수 있다. 예를 들어, N2O 가스 및 N2 가스와, 베이스 가스인 SiH4 가스를 반응시켜 산질화 규소를 형성할 수 있다.
보호막(70)의 형성을 위한 반응 가스인 N2O 가스(또는 O2 가스)에 대한 N2 가스의 분압비를 조절함으로써 보호막(70)은 두께 방향으로 산화물 반도체층(40)과 인접할수록 산소의 농도가 질소의 농도보다 높아지도록 제어할 수 있다. 즉, 보호막(70)을 증착하는 동안 N2O 가스(또는 O2 가스)의 분압을 점점 낮춤으로써 산소 농도의 구배(gradation)가 있는 산질화막을 형성할 수 있다.
다만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 데이터 배선(62, 65, 66, 67) 상에 산화막 및 질화막을 순차적으로 형성한 후, 어닐링(annealing) 등의 열처리를 함으로써 산소 농도의 구배가 있는 산화질막을 형성할 수 있다. 다시 말해, 산화막과 질화막을 별도로 증착하더라도, 후속하는 열처리에 의해서 산화막과 질화막의 경계가 실질적으로 없어지고 산화막 내의 질소가 질화막으로 확산하고 질화막 내의 질소가 산화막 내로 확산함으로써 산소 농도의 구배가 있는 산질화막이 형성될 수 있다.
이어서, 사진 식각 공정을 이용하여 보호막(70)을 패터닝하여, 드레인 전극 확장부(67)을 드러내는 컨택홀(77)을 형성한다.
도 6을 참조하면, 보호막(70) 상에 데이터 배선(62, 65, 66, 67)의 일부와 연결되는 화소 전극용 도전막(81)을 형성한다. 이러한 화소 전극용 도전막(81)은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide) 등의 투명 도전체 또는 알루미늄 등의 반사성 도전체로 이루어질 수 있다.
도 6 및 도 1b를 참조하면, 이러한 화소 전극용 도전막(81)을 패터닝하여 화소 전극(82)을 형성한다.
이하, 도 7을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판에 대하여 상세히 설명한다. 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판의 단면도이다. 설명의 편의상, 상기 제1 실시예의 도면(도 1a 내지 도 6)에 나타낸 각 부재와 동일 기능을 갖는 부재는 동일 부호로 나타내고, 따라서 그 설명은 생략하며 차이점을 위주로 설명한다.
도 7을 참조하면, 보호막(170)은 산화물 반도체층(40)과 접촉하는 하부 보호막(172) 및 산화물 반도체층(40)과 접촉하지 않도록 하부 보호막(172) 상에 형성된 상부 보호막(174)으로 이루어진다. 하부 보호막(172)은 산화물 반도체층(40)의 전기적 특성의 열화를 방지하기 위하여 산화물, 예를 들어 산화 규소, 산화 알루미늄, 산화 티탄, 산화 지르코늄, 산화 하프늄, 산화 탄탈, 산화 텅스텐 등으로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 산화 규소로 이루어질 수 있다. 상부 보호막(174)은 질화물, 예를 들어 질화 규소, 질화 알루미늄, 질화 티탄, 질화 지르코늄, 질화 하프늄, 질화 탄탈, 질화 텅스텐 등으로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 질화 규소로 이루어질 수 있다. 하부 보호막(172)은 약 50 내지 400 nm의 두께로 형성될 수 있고, 상부 보호막(174)는 약 50 내지 400 nm의 두께로 형성될 수 있다.
산화물 반도체층(40)과 접촉하는 하부 보호막(172)을 산화물, 예를 들어 산화 규소로 형성하는 경우, 반응 가스로서 수소 함유 가스를 사용하지 않고 N2O 가스 또는 O2 가스를 사용하기 때문에 하부 보호막(172) 내에 수소의 함량이 거의 없어서 산화물 반도체층(40)의 전기적 특성이 열화되는 것을 방지할 수 있다.
이하, 도 8을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판에 대하여 상세히 설명한다. 도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판의 단면도이다. 설명의 편의상, 상기 제1 실시예의 도면(도 1a 내지 도 6)에 나타낸 각 부재와 동일 기능을 갖는 부재는 동일 부호로 나타내고, 따라서 그 설명은 생략하며 차이점을 위주로 설명한다.
도 8을 참조하면, 게이트 절연막(230)은 게이트선(22) 상에 형성된 하부 절연막(232) 및 하부 절연막(232) 상에 형성되어 산화물 반도체층(40)과 접촉하는 상부 절연막(234)으로 이루어진다. 하부 절연막(232)은 산화물 반도체층(40)과 접촉하지 않는 것이 바람직하다. 하부 절연막(232)은 질화물, 예를 들어 질화 규소, 질화 알루미늄, 질화 티탄, 질화 지르코늄, 질화 하프늄, 질화 탄탈, 질화 텅스텐 등으로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 질화 규소로 이루어질 수 있다. 상부 절연막(234)은 산화물 반도체층(40)의 전기적 특성의 열화를 방지하기 위하여 산화물, 예를 들어 산화 규소, 산화 알루미늄, 산화 티탄, 산화 지르코늄, 산화 하프늄, 산화 탄탈, 산화 텅스텐 등으로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 산화 규소로 이루어질 수 있다. 하부 절연막(232)은 약 50 내지 200 nm의 두께로 형성될 수 있고, 상부 절연막(234)는 약 50 내지 200 nm의 두께로 형성될 수 있다.
산화물 반도체층(40)과 접촉하는 상부 절연막(234)을 산화물, 예를 들어 산화 규소로 형성하는 경우, 반응 가스로서 수소 함유 가스를 사용하지 않고 N2O 가스 또는 O2 가스를 사용하기 때문에 상부 절연막(234) 내에 수소의 함량이 거의 없어서 산화물 반도체층(40)의 전기적 특성이 열화되는 것을 방지할 수 있다.
이하, 도 9를 참조하여 본 발명의 제4 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판에 대하여 상세히 설명한다. 도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판의 단면도이다. 설명의 편의상, 상기 제1 실시예의 도면(도 1a 내지 도 6)에 나타낸 각 부재와 동일 기능을 갖는 부재는 동일 부호로 나타내고, 따라서 그 설명은 생략하며 차이점을 위주로 설명한다.
도 9를 참조하면, 게이트 절연막(230)은 게이트선(22) 상에 형성된 하부 절연막(232) 및 하부 절연막(232) 상에 형성되어 산화물 반도체층(40)과 접촉하는 상부 절연막(234)으로 이루어진다. 하부 절연막(232)은 산화물 반도체층(40)과 접촉하지 않는 것이 바람직하다. 하부 절연막(232)은 질화물, 예를 들어 질화 규소, 질화 알루미늄, 질화 티탄, 질화 지르코늄, 질화 하프늄, 질화 탄탈, 질화 텅스텐 등으로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 질화 규소로 이루어질 수 있다. 상부 절연막(234)은 산화물 반도체층(40)의 전기적 특성의 열화를 방지하기 위하여 산화물, 예를 들어 산화 규소, 산화 알루미늄, 산화 티탄, 산화 지르코늄, 산화 하프늄, 산화 탄탈, 산화 텅스텐 등으로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 산화 규소로 이루어질 수 있다.
또한, 보호막(170)은 산화물 반도체층(40)과 접촉하는 하부 보호막(172) 및 산화물 반도체층(40)과 접촉하지 않도록 하부 보호막(172) 상에 형성된 상부 보호막(174)으로 이루어진다. 하부 보호막(172)은 산화물 반도체층(40)의 전기적 특성의 열화를 방지하기 위하여 산화물, 예를 들어 산화 규소, 산화 알루미늄, 산화 티탄, 산화 지르코늄, 산화 하프늄, 산화 탄탈, 산화 텅스텐 등으로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 산화 규소로 이루어질 수 있다. 상부 보호막(174)은 질화물, 예를 들어 질화 규소, 질화 알루미늄, 질화 티탄, 질화 지르코늄, 질화 하프늄, 질화 탄탈, 질화 텅스텐 등으로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 질화 규소로 이루어질 수 있다.
이상의 실시예들에서는 게이트 전극이 산화물 반도체층 아래에 배치된 바텀 게이트 구조(bottom gate structure)에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 게이트 전극이 산화물 반도체층 위에 배치된 탑 게이트 구조(top gate structure)에서도 적용될 수 있다. 이하 도 10 및 도 11을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 탑 게이트 구조를 가지는 박막 트랜지스터 기판에 대하여 설명한다.
이하, 도 10을 참조하여 본 발명의 제5 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판에 대하여 상세히 설명한다. 도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판의 단면도이다.
도 10을 참조하면, 절연 기판(310)에 산화 규소, 질화 규소 또는 산질화 규소 등으로 이루어진 버퍼층(312)이 형성된다. 바람직하게는, 버퍼층(312) 상부에 위치하는 산화물 반도체층(320)의 전기적 특성이 열화되는 것을 방지하기 위하여, 버퍼층(312)은 산질화물로 이루어질 수 있다. 산질화물로는 산질화 규소, 산질화 알루미늄, 산질화 티탄, 산질화 지르코늄, 산질화 하프늄, 산질화 탄탈, 산질화 텅스텐 등이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 산질화 규소가 사용될 수 있다. 버퍼층(312)은 두께 방향으로 산화물 반도체층(320)과 인접할수록 산소의 농도가 질소의 농도보다 높아지는 것이 바람직하다. 나아가, 버퍼층(312)은 하부 질화막과 상부 질화막의 이중 구조로 형성될 수도 있다. 다만, 버퍼층(312)은 공정 조건에 따라 생략될 수 있다.
이어서 버퍼층(312) 위에 Zn, In, Ga, Sn 및 이들의 조합에서 선택된 물질의 산화물로 이루어진 산화물 반도체층(320)이 형성된다. 예를 들어 산화물 반도체층(320)으로는 ZnO, InZnO, InGaO, InSnO, ZnSnO, GaSnO, GaZnO, GaZnSnO 또는 GaInZnO 등의 혼합 산화물이 사용될 수 있다.
절연 기판(310) 및 산화물 반도체층(320) 상에 게이트 절연막(330)이 형성된다. 게이트 절연막(330)은 산질화물로 이루어질 수 있다. 여기서, 산질화물로는 산질화 규소, 산질화 알루미늄, 산질화 티탄, 산질화 지르코늄, 산질화 하프늄, 산질화 탄탈, 산질화 텅스텐 등이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 산질화 규소가 사용될 수 있다. 게이트 절연막(330)은 두께 방향으로 산화물 반도체층(320)과 인접할수록 산소의 농도가 질소의 농도보다 높아지는 것이 바람직하다.
산화물 반도체층(320)과 접촉하는 게이트 절연막(330) 내의 수소 함량을 낮추는 것이 중요하므로, 게이트 절연막(330)을 산질화물로 형성하는 경우 게이트 절연막(330) 내에 수소의 함량이 낮거나 거의 없어서 산화물 반도체층(320)의 전기적 특성이 열화되는 것을 방지할 수 있다.
게이트 절연막(330) 상에 산화물 반도체층(320)과 중첩되도록 게이트 전극(344)이 형성된다.
게이트 절연막(330) 및 게이트 전극(344) 상에는 제1 층간 절연막(370)이 형성된다. 제1 층간 절연막(370)은 대개 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 또는 실리콘 산질화막 등을 화학 기상 증착법 등으로 형성할 수 있다. 제1 층간 절연막(370) 및 게이트 절연막(330)에는 게이트 전극(344) 양측에 위치하는 산화물 반도체층(320)의 일부를 노출시키는 한 쌍의 컨택홀(372, 374)이 형성된다.
제1 층간 절연막(370) 위에는 한 쌍의 컨택홀(372, 374)을 통하여 각각 산화물 반도체층(320)과 전기적으로 연결된 소스 전극(382)과 드레인 전극(384)이 형성된다.
소스 전극(382)과 드레인 전극(384) 및 제1 층간 절연막(370) 위에는 평탄화 특성이 우수하며 감광성(photosensitivity)을 가지는 유기 물질 등으로 이루어진 제2 층간 절연막(390)이 형성된다. 예를 들어 제2 층간 절연막(390)은 아크릴 수지 등의 유기 물질을 스핀 코팅(spin coating)법 등으로 형성할 수 있다. 제2 층간 절연막(390) 내에는 드레인 전극(374)을 노출시키는 컨택홀(392)이 형성된다.
제2 층간 절연막(390) 위에는 컨택홀(392)을 통하여 드레인 전극(374)과 전기적으로 연결된 투명한 재질의 화소 전극(395)이 형성된다.
이하 도 11을 참조하여 본 발명의 제6 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판에 대하여 설명한다. 여기서 도 11은 본 발명의 제6 실시예에 따른 박막 트랜지스터 기판의 단면도이다. 설명의 편의상, 상기 제5 실시예의 도면(도 10)에 나타낸 각 부재와 동일 기능을 갖는 부재는 동일 부호로 나타내고, 따라서 그 설명은 생략하여 차이점을 위주로 설명한다.
도 11을 참조하면, 게이트 절연막(430)은 산화물 반도체층(320)과 접촉하는 하부 절연막(432) 및 산화물 반도체층(320)과 접촉하지 않도록 하부 절연막(432) 상에 형성된 상부 절연막(434)으로 이루어진다. 하부 절연막(432)은 산화물 반도체층(344)의 전기적 특성의 열화를 방지하기 위하여 산화물, 예를 들어 산화 규소, 산화 알루미늄, 산화 티탄, 산화 지르코늄, 산화 하프늄, 산화 탄탈, 산화 텅스텐 등으로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 산화 규소로 이루어질 수 있다. 상부 절연막(434)은 질화물, 예를 들어 질화 규소, 질화 알루미늄, 질화 티탄, 질화 지르코늄, 질화 하프늄, 질화 탄탈, 질화 텅스텐 등으로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 질화 규소로 이루어질 수 있다.
산화물 반도체층(344)과 접촉하는 하부 절연막(432)을 산화물, 예를 들어 산화 규소로 형성하는 경우, 반응 가스로서 수소를 사용하지 않고 N2O 가스 또는 O2 가스를 사용하기 때문에 하부 절연막(432) 내에 수소의 함량이 거의 없어서 산화물 반도체층(432)의 전기적 특성이 열화되는 것을 방지할 수 있다.
이하, 도 12 내지 도 15를 참조하여, 산화물 반도체층 상부에 형성된 보호막이 산화 규소로 이루어진 하부 보호막과 질화 규소로 이루어진 상부 보호막을 포함할 경우 산화물 반도체 박막 트랜지스터의 전기적 특성에 대하여 설명한다. 아래의 실험예들에서는 보호막이 산화물과 질화물의 이중막 구조를 가진 경우를 예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 게이트 절연막이 산화물과 질화물의 이중막 구조를 가지거나, 보호막 및 게이트 절연막이 산소 농도의 구배가 있는 산질화막으로 이루어지는 경우에도 실질적으로 동일한 결과를 얻을 수 있다.
도 12는 소스 가스의 분압비에 따라 산화 규소의 증착 속도 및 굴절률을 측정한 그래프이다. 본 실험예에서는 PECVD를 이용하여 SiH4 가스 및 N2O 가스를 반응시켜 산화 규소를 형성하였다.
도 12를 참조하면, SiH4 가스에 대한 N2O 가스의 분압비가 증가함에 따라 산화 규소의 증착 속도는 감소하다가 증가하였다. 또한, 상기 분압비가 증가함에 따라 산화 규소의 굴절률은 증가하다가 감소하였다. 일반적으로 굴절률은 밀도와 비례하므로, 상기 분압비가 증가함에 따라 산화 규소의 밀도도 증가하다가 감소함을 알 수 있다. 산화 규소의 밀도가 높을수록 막질이 좋으므로, 상기 분압비는 약 0.35 내지 0.75인 것이 바람직하다.
이하 도 13a 및 도 13b를 참조하여 산화 규소의 단일막, 또는 산화 규소 및 질화 규소의 이중막으로 보호막을 형성하는 경우 산화물 반도체 박막 트랜지스터의 전기적 특성의 경시변화(diurnal variation)를 살펴본다. 여기서, 도 13a는 비교 실험예로서 게이트 전압(Vg)의 변화에 따른 산화물 반도체층을 흐르는 전류(Is)를 측정한 그래프이다. 도 13b는 본 발명의 실험예로서 게이트 전압(Vg)의 변화에 따른 산화물 반도체층을 흐르는 전류(Is)를 측정한 그래프이다.
구체적으로, 도 13a의 경우, 보호막은 약 200nm 두께의 산화 규소층만으로 이루어지고, SiH4 가스에 대한 N2O 가스의 분압비가 0.60인 조건에서 산화 규소층을 형성하였다. 샘플 L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7은 상기 보호막을 형성한 후 각각 즉시, 1일, 2일, 3일, 4일, 5일, 6일이 지난 후에 산화물 반도체 박막 트랜지스터의 전기적 특성을 측정한 샘플들이다.
도 13b의 경우, 보호막은 약 100nm 두께의 산화 규소층 및 약 100nm 두께의 질화 규소층으로 이루어지고, SiH4 가스에 대한 N2O 가스의 분압비가 0.60인 조건에서 산화 규소층을 형성하였다. 샘플 M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7은 상기 보호막을 형성한 후 각각 즉시, 1일, 2일, 3일, 4일, 5일, 6일이 지난 후에 산화물 반도체 박막 트랜지스터의 전기적 특성을 측정한 샘플들이다.
도 13a를 참조하면, 산화 규소층만으로 보호막을 형성하는 경우에 장시간, 예를 들어 6일이 경과한 후에, 박막 트랜지스터의 문턱 전압이 급격하게 낮아지는 것을 알 수 있다. 산화 규소층만으로 보호막을 형성하는 경우, 박막 트랜지스터 기판의 제조 과정에서 수분(H2O)과 같은 외부 환경에 대하여 산화물 반도체층이 쉽게 손상되기 때문이다. 이와 같이 문턱 전압이 급격하게 낮아지면 모든 게이트 구동 전압에 대하여 항상 박막 트랜지스터가 턴온 상태를 가지게 되므로, 박막 트랜지스터가 스위칭 기능을 잃게 된다.
도 13b를 참조하면, 산화 규소층과 질화 규소층으로 보호막을 형성하는 경우, 특히 산화물 반도체층과 접촉하는 부분을 산화 규소층으로 형성하는 경우, 장시간 경과 후에도 박막 트랜지스터의 문턱 전압이 거의 변하지 않는 것을 알 수 있다. 다시 말해, 산화 규소층 및 질화 규소층으로 보호막을 형성하는 경우, 박막 트랜지스터 기판의 제조 과정에서 수분(H2O)으로부터 산화물 반도체층을 효과적으로 보호할 수 있다.
이하 도 14a, 도 14b 및 도 15를 참조하여, 산화 규소의 단일막, 또는 산화 규소 및 질화 규소의 이중막으로 보호막을 형성하는 경우 BTS (bias temperature stress) 테스트 결과를 살펴본다. 여기서, 도 14a는 비교 실험예로서 BTS 테스트 결과를 측정한 그래프이다. 도 14b는 본 발명의 실험예로서 BTS 테스트 결과를 측정한 그래프이다. 도 15는 도 14b의 실험예에서 시간 경과에 따라 문턱 전압(Vth)의 변화량을 측정한 그래프이다.
BTS 테스트를 위하여, 60도의 온도에서 박막 트랜지스터의 게이트 전극에 -20 V 또는 20V를 인가하고, 소스 전극과 드레인 전극 사이에 10 V를 인가하였다. 도 14a 및 도 14b는 이와 같은 스트레스(stress)를 인가하는 동안, 특정 시간마다 게이트 전압(Vg)의 변화에 따른 산화물 반도체층을 흐르는 전류(Is)를 측정한 그래프이다.
구체적으로, 도 14a의 경우, 보호막은 약 200nm 두께의 산화 규소층만으로 이루어지고, SiH4 가스에 대한 N2O 가스의 분압비가 0.60인 조건에서 산화 규소층을 형성하였다. 샘플 P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7은 BTS 테스트 시간이 각각 0초, 10초, 30초, 100초, 300초, 1000초, 3600초인 경우에 산화물 반도체 박막 트랜지스터의 전기적 특성을 측정한 샘플들이다.
도 14b의 경우, 보호막은 약 100nm 두께의 산화 규소층 및 약 100nm 두께의 질화 규소층으로 이루어지고, SiH4 가스에 대한 N2O 가스의 분압비가 0.60인 조건에서 산화 규소층을 형성하였다. 샘플 Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7은 BTS 테스트 시간이 각각 0초, 10초, 30초, 100초, 300초, 1000초, 3600초인 경우에 산화물 반도체 박막 트랜지스터의 전기적 특성을 측정한 샘플들이다.
도 14a를 참조하면, BTS 테스트를 1시간(3600초) 수행한 후 동일한 전류(Is)를 얻기 위한 게이트 전압(Vg)이 약 -4.90 V 만큼 변하였다. 도 14b를 참조하면, BTS 테스트를 1시간(3600초) 수행한 후 동일한 전류(Is)를 얻기 위한 게이트 전압(Vg)이 약 -1.24 V 만큼 변하였다. 따라서, 산화 규소층 및 질화 규소층으로 이루어진 보호막을 사용하는 경우, BTS 테스트 후에도 게이트 전압(Vg)의 변화량이 적으므로 신뢰성이 있는 박막 트랜지스터를 구현할 수 있다.
나아가, 도 15에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실험예에 따라 박막 트랜지스터 기판을 제조하는 경우 시간 경과에 따라 문턱 전압(Vth)의 변화량을 측정한 결과, 초기 1시간 내에 문턱 전압(Vth)이 대부분 변화하였고, 이 후 문턱 전압이 거의 변하지 않았다. 따라서, 장기간 사용시에도 문턱 전압이 일정한 값을 가지므로 신뢰성이 있는 박막 트랜지스터를 구현할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 절연 기판 22: 게이트선
26: 게이트 전극 27: 스토리지 전극
28: 스토리지선 30: 게이트 절연막
40: 산화물 반도체층 62: 데이터선
65: 소스 전극 66: 드레인 전극
67: 드레인 전극 확장부 70: 보호막
77: 컨택홀 82: 화소 전극
310: 절연 기판 312: 버퍼층
320: 산화물 반도체층 330: 게이트 절연막
344: 게이트 전극 370: 제1 층간 절연막
372, 374, 392: 컨택홀 382: 소스 전극
384: 드레인 전극 395: 화소 전극

Claims (6)

  1. 절연 기판 상에 형성되고 채널부를 가지는 산화물 반도체층;
    상기 산화물 반도체층과 중첩되게 형성된 게이트 전극;
    상기 산화물 반도체층과 상기 게이트 전극 사이에 개재된 게이트 절연막; 및
    상기 산화물 반도체층 및 상기 게이트 전극 상부에 형성된 보호막을 포함하되,
    상기 게이트 절연막과 상기 보호막 각각은 산화막 및 질화막을 모두 포함하고,
    상기 산화막은 상기 산화물 반도체층에 접촉하고,
    상기 질화막은 상기 산화물 반도체층과 접촉하지 않는 박막 트랜지스터 기판.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 산화막은 산화 규소, 산화 알루미늄, 산화 티탄, 산화 지르코늄, 산화 하프늄, 산화 탄탈, 또는 산화 텅스텐으로 이루어진 박막 트랜지스터 기판.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 질화막은 질화 규소, 질화 알루미늄, 질화 티탄, 질화 지르코늄, 질화 하프늄, 질화 탄탈, 또는 질화 텅스텐으로 이루어진 박막 트랜지스터 기판.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 산화물 반도체층은 Zn, In, Ga, Sn 및 이들의 조합에서 선택된 물질의 산화물로 이루어진 박막 트랜지스터 기판.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 게이트 절연막은 상기 게이트 전극 상에 형성되고,
    상기 산화물 반도체층은 상기 게이트 절연막 상에 형성되고,
    상기 보호막은 상기 산화물 반도체층 상에 형성되는 박막 트랜지스터 기판.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 게이트 절연막은 상기 산화물 반도체층 상에 형성되고,
    상기 게이트 전극은 상기 게이트 절연막 상에 형성되고,
    상기 보호막은 상기 게이트 전극 상에 형성되는 박막 트랜지스터 기판.
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