KR20160092098A - 박막 트랜지스터 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 게이트 전극과, 게이트 전극과 상하 방향으로 이격되고 수평 방향으로 서로 이격된 소오스 전극 및 드레인 전극과, 게이트 전극과 소오스 전극 및 드레인 전극 사이에 형성된 게이트 절연막과, 게이트 절연막과 소오스 전극 및 드레인 전극 사이에 형성된 활성층과, 소오스 전극 및 드레인 전극 사이의 활성층 상에 형성된 보호막을 포함하며, 게이트 절연막은 실리콘 함유 유기 소오스와 반응 소오스를 이용하여 형성된 박막 트랜지스터 및 그 제조 방법을 제시한다.
Description
본 발명은 박막 트랜지스터에 관한 것으로, 특히 게이트 절연막에 의한 전기적 특성 저하를 방지할 수 있는 박막 트랜지스터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
박막 트랜지스터(Thin Film Transistor; TFT)는 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display; LCD)나 유기 EL(Electro Luminescence) 표시 장치 등에서 각 화소를 독립적으로 구동하기 위한 회로로 사용된다. 이러한 박막 트랜지스터는 표시 장치의 하부 기판에 게이트 라인 및 데이터 라인과 함께 형성된다. 즉, 박막 트랜지스터는 게이트 라인의 일부인 게이트 전극, 채널로 이용되는 활성층, 데이터 라인의 일부인 소오스 전극과 드레인 전극, 그리고 게이트 절연막 등으로 이루어진다. 이러한 박막 트랜지스터의 예가 한국공개특허 제2012-0077288호 등에 제시되어 있다.
박막 트랜지스터는 게이트 절연막으로 실리콘 옥사이드를 주로 이용하고, 실리콘 옥사이드는 실란(silane, SiH4)를 이용하여 형성한다. 그런데, 실란을 이용하여 게이트 절연막을 형성하면 증착 시 SiH4의 분해에 따른 H가 게이트 절연막 내에 존재하게 된다. 게이트 절연막 내에 존재하는 H는 누설 전류를 발생시키고 캐리어의 라이프 타임(life time)을 감소시키는 등의 원인이 되어 박막 트랜지스터의 전기적 특성을 저하시키게 된다.
또한, 실란을 이용하는 경우 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 방법으로만 증착이 가능하여 수십 Å 두께의 박막을 형성하기 어렵고 박막의 물성을 제어하기 어려운 문제가 있다.
본 발명은 게이트 절연막 내에 수소가 잔류하지 않도록 함으로써 게이트 절연막에 의한 전기적 특성 저하를 방지할 수 있는 박막 트랜지스터 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 다양한 화학적 방식의 증착이 가능하고, 게이트 절연막의 구성 물질의 비율을 조절하여 특성을 조절할 수 있는 박막 트랜지스터 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 박막 트랜지스터는 기판 상의 수직 방향으로 형성된 게이트 전극, 게이트 절연막, 활성층, 소오스 전극 및 드레인 전극과, 상기 활성층 상의 상기 소오스 전극 및 드레인 전극 사이에 형성된 보호막을 포함하고, 상기 게이트 절연막은 실리콘 함유 유기 소오스와 반응 소오스를 이용하여 형성된다.
상기 게이트 절연막은 막 내에 SiCH3, SiCH4 성분을 포함한다.
상기 게이트 절연막은 상기 실리콘 함유 유기 소오스와 상기 반응 가스의 비율에 따라 4 내지 6의 유전 상수를 가진다.
상기 게이트 절연막은 증착 방법, SiO/SiCH3의 비율, 상기 반응 소오스의 양에 따라 온 전류, 오프 전류, 문턱 전압 및 모빌러티가 조절된다.
상기 활성층은 3족 또는 4족 원소가 도핑된 산화아연 박막으로 형성된다.
상기 보호막은 실리콘 함유 유기 소오스와 반응 가스를 이용하여 형성된다.
상기 보호막은 상기 활성층에 접하는 적어도 일부 두께가 나머지 두께에 비해 산소 리치 상태로 형성된다.
본 발명의 다른 양태에 따른 박막 트랜지스터의 제조 방법은 기판 상에 게이트 전극을 형성하고 그 상부에 게이트 절연막을 형성하는 단계; 상기 게이트 절연막 상에 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 상에 보호막을 형성하는 단계; 및 상기 활성층 상에 소오스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 게이트 절연막은 실리콘 함유 유기 소오스와 반응 소오스를 이용하여 형성한다.
상기 게이트 절연막은 막 내에 SiCH3, SiCH4 성분을 포함한다.
상기 게이트 절연막은 상기 실리콘 함유 유기 소오스와 상기 반응 소오스의 비율에 따라 4 내지 6의 유전 상수를 가진다.
상기 게이트 절연막은 CVD 방법 및 ALD 방법의 적어도 어느 하나로 형성한다.
상기 게이트 절연막 형성 중 적어도 1회의 트리트먼트를 실시하는 단계를 더 포함한다.
상기 게이트 절연막은 증착 방법, SiO/SiCH3의 비율, 상기 반응 소오스의 양, 상기 트리트먼트의 회수를 조절하여 온 전류, 오프 전류, 문턱 전압 및 모빌러티를 조절한다.
상기 보호막은 실리콘 함유 유기 소오스와 반응 가스를 이용하여 형성한다.
상기 보호막은 상기 활성층에 접하는 적어도 일부 두께가 나머지 두께에 비해 산소 리치 상태로 형성한다.
상기 산소 리치 상태의 보호막은 산소 포함 가스를 이용한 플라즈마 처리를 실시하여 형성한다.
본 발명의 박막 트랜지스터는 게이트 절연막을 실리콘 함유 유기 소오스와 산소, 질소 등의 반응 소오스를 이용하여 형성함으로써 게이트 절연막 내에 H가 CH3와 결합하여 CH4로 존재하게 되어 독립적인 H의 생성을 억제할 수 있다. 따라서, 게이트 절연막 내에 H가 존재하지 않기 때문에 H에 의한 전기적 특성 저하를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 트랜지스터의 단면도.
도 2는 종래의 실란을 이용하여 게이트 절연막을 형성한 박막 트랜지스터의 특성 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 유기 소오스를 이용하여 게이트 절연막을 형성한 박막 트랜지스터의 특성 그래프.
도 4는 게이트 절연막의 산소/유기 소오스의 비율에 따른 유전 상수를 나타낸 도면.
도 5의 게이트 절연막의 산소/유기 소오스의 비율에 따른 FTIR 분석을 도시한 도면.
도 6은 게이트 절연막의 증착 방식에 따른 박막 트랜지스터의 특성 그래프.
도 7은 게이트 절연막의 SiO/SiCH3의 비율에 따른 박막 트랜지스터의 특성 변화 그래프.
도 8은 게이트 절연막 형성 시 산소 유량에 따른 박막 트랜지스터의 특성 그래프.
도 9는 게이트 절연막의 트리트먼트 실시에 따른 박막 트랜지스터의 특성 그래프.
도 10 내지 도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 트랜지스터의 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 단면도.
도 2는 종래의 실란을 이용하여 게이트 절연막을 형성한 박막 트랜지스터의 특성 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 유기 소오스를 이용하여 게이트 절연막을 형성한 박막 트랜지스터의 특성 그래프.
도 4는 게이트 절연막의 산소/유기 소오스의 비율에 따른 유전 상수를 나타낸 도면.
도 5의 게이트 절연막의 산소/유기 소오스의 비율에 따른 FTIR 분석을 도시한 도면.
도 6은 게이트 절연막의 증착 방식에 따른 박막 트랜지스터의 특성 그래프.
도 7은 게이트 절연막의 SiO/SiCH3의 비율에 따른 박막 트랜지스터의 특성 변화 그래프.
도 8은 게이트 절연막 형성 시 산소 유량에 따른 박막 트랜지스터의 특성 그래프.
도 9는 게이트 절연막의 트리트먼트 실시에 따른 박막 트랜지스터의 특성 그래프.
도 10 내지 도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 트랜지스터의 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 여러 층 및 각 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 표현하였으며 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭하도록 하였다. 또한, 층, 막, 영역 등의 부분이 다른 부분 "상부에" 또는 "상에" 있다고 표현되는 경우는 각 부분이 다른 부분의 "바로 상부" 또는 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 각 부분과 다른 부분의 사이에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
1. 박막 트랜지스터의 구조
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 트랜지스터의 단면도로서, 버텀 게이트(Bottom gate)형 박막 트랜지스터의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 트랜지스터는 기판(100) 상에 형성된 게이트 전극(110)과, 게이트 전극(110) 상에 실리콘 함유 유기 소오스(organic source)를 이용하여 형성된 게이트 절연막(120)과, 게이트 절연막(120) 상에 형성된 활성층(130)과, 활성층(130) 상에 형성된 보호막(140)과, 활성층(130) 상에 형성되며 보호막(140) 상에서 서로 이격되어 형성된 소오스 전극(150a) 및 드레인 전극(150b)을 포함할 수 있다.
기판(100)은 투명 기판을 이용할 수 있는데, 예를 들어 실리콘 기판, 글래스 기판을 이용할 수 있고, 플렉서블 디스플레이를 구현하는 경우에는 플라스틱 기판(PE, PES, PET, PEN 등)이 이용될 수 있다.
게이트 전극(110)은 기판(100) 상의 소정 영역에 형성된다. 게이트 전극(110)은 도전 물질을 이용하여 형성할 수 있는데, 금속, 금속 합금, 금속 산화물, 투명 도전막 또는 이들의 화합물 중 어느 하나를 이용할 수 있다. 예를 들어 게이트 전극(110)은 알루미늄(Al), 네오디뮴(Nd), 은(Ag), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 구리(Cu) 중 적어도 어느 하나의 금속 또는 이들을 포함하는 합금으로 형성할 수 있다. 또한, 게이트 전극(110)은 단일층 뿐 아니라 복수 금속층의 다중층으로 형성할 수 있다. 즉, 물리 화학적 특성이 우수한 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 등의 금속층과 비저항이 작은 알루미늄(Al) 계열, 은(Ag) 계열 또는 구리(Cu) 계열의 금속층을 포함하는 이중층으로 형성할 수도 있다. 한편, 게이트 전극(110)은 예를 들어 액정표시장치의 게이트 라인과 동시에 형성될 수 있다. 즉, 기판(100) 상에 일 방향으로 소정 간격 이격되어 복수의 게이트 라인이 형성될 때 게이트 라인의 소정 영역으로부터 소정 간격 이격되어 게이트 전극(110)이 형성될 수 있다.
게이트 절연막(120)은 게이트 전극(110)의 상부 및 측부를 포함한 기판(100) 상에 형성될 수 있다. 즉, 게이트 절연막(120)은 게이트 전극(110)을 포함한 기판(100)의 전체 상부에 형성될 수 있고, 게이트 절연막(120)을 덮도록 기판(100) 상의 일 영역에 형성될 수 있다. 이러한 게이트 절연막(120)은 실리콘을 함유하는 유기 소오스와 반응 소오스를 이용하여 형성할 수 있다. 실리콘 함유 유기 소오스는 헥사메틸디실록산(hexamethyldisiloxane; HMDSO), 테트라메틸디실라잔(tetramethyldisilazane; TMDS), 헥사메틸디실라잔(Hexamethyldisilazane; HMDSN), 비스디메틸아미노실란(Bis(diethylamino) Silane; BEDEAS) 등을 이용할 수 있다. 본 발명의 실시 예는 HMDSO를 이용하여 게이트 절연막(120)을 형성한다. 또한, 반응 소오스는 산소 함유 가스, 질소 함유 가스 등을 포함할 수 있다. 따라서, 게이트 절연막(120)은 실리콘 성분과 산소 및 질소의 적어도 어느 하나의 성분이 함유되며 유기 성분이 포함된 하이브리드막으로 형성될 수 있다. 이러한 게이트 절연막(120)은 반응 가스와 유기 소오스의 비율에 따라 4 내지 6 정도의 유전 상수를 가지게 되고, 그에 따라 절연막으로서 기능하게 된다. 이렇게 형성된 게이트 절연막(120)은 막내의 H가 유기 소오스의 CH3와 결합하여 CH4 형태로 존재하게 된다. 즉, 게이트 절연막(120)은 실리콘 함유 유기 소오스와 산소 함유 가스를 이용하여 형성하는 경우, 예를 들어 HMDSO와 산소 가스를 이용하여 형성하는 경우 SiO, SiCH3, CH2 및 CH3 등의 성분이 존재하게 되는데, SiCH3의 일부가 H와 반응하여 SiCH4를 형성하고, Si-CH4 본딩(bonding)을 통해 독립적인 H의 생성을 억제할 수 있다. 따라서, 게이트 절연막(120) 내에 H가 독립적으로 존재하지 않기 때문에 H에 의한 누설 전류 등의 전기적 특성 저하를 방지할 수 있다. 또한, 게이트 절연막(120)은 유기 소오스와 O2의 비율을 제어하여 SiCH3 등의 유기 성분의 함량 등을 조절할 수 있고, 그에 따라 모빌러티(mobility) 등의 특성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 게이트 절연막(120)은 유기 소오스를 이용함으로써 CVD 뿐만 아니라 원자층 증착(Atomic Layer Deposition; ALD)으로 형성할 수 있고, 증착 방법의 변화를 통해 게이트 절연막(120)의 전기적 특성을 조절할 수 있다.
활성층(130)은 게이트 절연막(120) 상에 형성되며, 적어도 일부가 게이트 전극(110)과 중첩되도록 형성된다. 활성층(130)은 금속 산화물을 이용하여 형성할 수 있는데, 예를 들어 징크옥사이드(Zinc Oxide; ZnO)로 형성될 수 있다. 또한, 활성층(130)은 ZnO 박막의 막질을 개선하기 위해 ZnO 박막에 3족 또는 4족 원소, 예를 들어 인듐(In), 갈륨(Ga), 주석(Sn) 원소의 적어도 하나를 도핑함으로써 비정질 ZnO 박막을 유도하여 박막 트랜지스터의 안정성을 개선할 수 있다. 예를 들어, 활성층(130)은 ZnO 박막에 인듐 및 갈륨을 도핑한 인듐갈륨징크옥사이드(IGZO) 박막으로 형성될 수 있으며, ZnO 박막에 인듐 및 틴(Tin)을 도핑한 인듐틴징크옥사이드(ITZO) 박막으로 형성될 수 있다. 또한, 도핑된 ZnO 박막, 예를 들어 IGZO 박막을 이용한 활성층(130)은 ALD, CVD 등의 화학적 증착 방식으로 형성할 수 있고, 그에 따라 필요에 따라 조성이 다른 복수의 층으로 형성할 수 있다. 한편, IGZO 박막은 인듐 소오스, 갈륨 소오스 및 징크 소오스와 산소 소오스를 이용하여 형성할 수 있다. 한편, 활성층(130)은 적어도 이중층으로 형성될 수 있는데, 예를 들어 게이트 절연막(120)에 인접하는 제 1 IGZO 박막은 그 상측의 제 2 IGZO 박막에 비해 막질 및 계면 특성이 우수하고 전도성이 높도록 형성될 수 있다. 여기서, 제 1 IGZO 박막은 막질 및 계면 특성이 우수하기 때문에 채널 형성에 중요한 프론트 채널(front channel)로 이용할 수 있다. 즉, 게이트 전극(110)에 (+) 전압이 인가되면 게이트 절연막(120) 상부의 활성층(130) 일부에 (-) 전하가 쌓여 프론트 채널을 형성하게 되고, 프론트 채널을 통해 전류가 잘 흐를수록 이동도가 우수하게 된다. 또한, 제 2 IGZO 박막은 제 1 IGZO 박막과 조성비를 다르게 형성하여 백 채널(back channel)로 이용할 수 있다. 즉, 게이트 전극(110)에 (-) 전압이 인가되면 (-) 전하는 소오스 전극(150a) 및 드레인 전극(150b) 하부의 활성층(130) 일부에 쌓이게 된다. 따라서, 백 채널은 전하 이동을 방지할 수 있는 조성, 즉 전도성이 프론트 채널로 작용하는 제 1 IGZO 박막보다 낮도록 제 2 IGZO 박막을 형성한다. 이를 위해 인듐 소오스, 갈륨 소오스 및 징크 소오스의 적어도 어느 하나의 유입량을 제 1 IGZO 박막과 다르게 조절하여 유입할 수 있고, 산소 소오스의 유입량 또한 조절하여 유입할 수 있다. 예를 들어, 제 2 IGZO 박막의 인듐을 제 1 IGZO 박막보다 적게 할 수도 있고, 제 2 IGZO 박막의 갈륨을 제 1 IGZO 박막보다 많게 할 수도 있다. 이렇게 하면 제 1 IGZO 박막과 제 2 IGZO 박막의 특성, 예를 들어 모빌러티, 전기 전도도 등을 조절할 수 있다.
보호막(140)은 활성층(130) 형성 후 소오스 전극(150a) 및 드레인 전극(150b)을 형성하기 위한 식각 공정에서 활성층(130)이 노출되어 손상되는 것을 방지하기 위해 식각 정지막으로 작용한다. 또한, 보호막(140)은 소오스 전극(150a) 및 드레인 전극(150b)의 제조가 완료된 후 활성층(130)이 대기중에 노출되는 것을 방지할 수 있다. 즉, IGZO 박막으로 형성된 활성층(130)은 대기중에 노출되면 산소 등이 침투하여 특성이 저하될 수 있는데, 보호막(140)이 형성되어 이를 방지할 수 있다. 이러한 보호막(140)은 산소의 침투를 방지할 수 있고, 식각 공정 시 활성층(130)과 식각 선택비가 차이나는 물질로 형성할 수 있는데, 예를 들어 실리콘 옥사이드(SiO2), 실리콘나이트라이드(SiN), 실리콘 옥시나이트라이드(SiON), 알루미늄 옥사이드(Al2O3) 등의 절연 물질을 이용하여 단일층 또는 다층으로 형성할 수 있다. 또한, 보호막(140)은 일부를 플라즈마를 이용하지 않는 화학적 증착 방법으로 형성하고 나머지 일부를 플라즈마를 이용한 화학적 증착 방법으로 형성할 수 있다. 즉, 플라즈마를 이용하여 보호막(140)을 형성하는 경우 활성층(130)이 플라즈마에 의해 손상되므로 활성층(130)에 접하는 적어도 일부 두께는 플라즈마를 이용하지 않는 ALD 방법 또는 CVD 방식으로 형성하고, 나머지 두께는 PECVD 공정으로 형성하여 막질을 향상시킬 수 있다. 한편, 보호막(140)은 게이트 절연막(120)과 마찬가지로 실리콘 함유 유기 소오스와 반응 소오스를 이용하여 형성할 수 있다. 즉, 실란 가스를 이용하여 실리콘 옥사이드 등으로 보호막(140)을 형성하면 막내에 H가 존재할 수 있고, H가 전기적 특성 저하의 원인이 될 수 있다. 따라서, HMDSO, TMDS, HMDSN, BEDEAS 등의 실리콘 함유 유기 소오스와 산소 함유 가스 및 질소 함유 가스의 적어도 어느 하나의 반응 소오스를 이용하여 보호막(140)을 형성함으로써 유기 성분이 포함된 하이브리드막으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 보호막(140)을 HMDSO와 산소를 이용하여 형성할 경우 막 내에 SiO, SiCH3, SiCH4 등의 성분이 존재하게 되고, Si-CH4의 본딩을 통해 독립적인 H의 생성을 억제할 수 있다. 뿐만 아니라, 보호막(140)은 적어도 일부가 산소 리치 상태로 형성될 수 있다. 즉, 보호막(140)을 단일층으로 형성하는 경우 하측의 일부 두께를 산소 리치 상태로 형성하고, 보호막(140)을 다층으로 형성하는 경우 하층을 산소 리치 상태로 형성할 수 있다. 보호막(140)의 적어도 일부를 산소 리치 상태로 형성하기 위해 보호막(140)의 적어도 일부를 형성한 후 산소 또는 오존 트리트먼트(treatment)를 실시할 수 있다. 예를 들어, 보호막(140)은 단일 물질로 형성될 수 있는데, 활성층(130)에 접하는 일부 두께가 나머지 두께에 비해 더 많은 산소 함량으로 형성될 수 있다. 또한, 보호막(140)은 이종의 물질로 형성될 수 있는데, 예를 들어 활성층(130)에 접하여 소정 두께의 알루미늄 옥사이드가 형성되고 그 상에 소정 두께의 실리콘 옥사이드가 형성될 수 있다. 이때, 알루미늄 옥사이드는 산소 리치(oxygen rich)로 형성될 수 있다. 이렇게 활성층(130)에 접하는 보호막(140)의 적어도 일부 두께를 산소 리치로 형성함으로써 활성층(130)으로 이용되는 IGZO 박막의 산소가 보호막(140)으로 확산하는 것을 방지할 수 있고, 그에 따라 IGZO 박막의 도체화를 방지하여 박막 트랜지스터의 스위칭 특성을 유지할 수 있다.
소오스 전극(150a) 및 드레인 전극(150b)은 활성층(130) 상부에 형성되며, 게이트 전극(110)과 일부 중첩되어 게이트 전극(110)을 사이에 두고 상호 이격되어 형성된다. 즉, 소오스 전극(150a)과 드레인 전극(150b)은 보호막(140) 상에서 서로 이격되어 형성된다. 소오스 전극(150a) 및 드레인 전극(150b)은 동일 물질을 이용한 동일 공정에 의해 형성할 수 있으며, 도전성 물질을 이용하여 형성할 수 있는데, 예를 들어 알루미늄(Al), 네오디뮴(Nd), 은(Ag), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 및 몰리브덴(Mo) 중 적어도 어느 하나의 금속 또는 이들을 포함하는 합금으로 형성할 수 있다. 즉, 게이트 전극(110)과 동일 물질로 형성할 수 있으나, 다른 물질로 형성할 수도 있다. 또한, 소오스 전극(150a) 및 드레인 전극(150b)은 단일층 뿐 아니라 복수 금속층의 다층으로 형성할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 트랜지스터는 게이트 절연막(120)을 HMDSO, TMDS, HMDSN, BEDEAS 등의 실리콘 함유 유기 소오스와 산소, 질소 등의 반응 가스를 이용하여 형성할 수 있다. 본 발명에 따른 게이트 절연막(120)은 막내의 H가 CH3와 결합하여 CH4로 존재하게 되어 독립적인 H의 생성을 억제할 수 있다. 따라서, 게이트 절연막(120) 내에 H가 존재하지 않기 때문에 실란을 이용하여 게이트 절연막(120)을 형성하는 종래에 비해 박막 트랜지스터의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
2. 다양한 실시 예 및 그에 따른 특성
종래 예와 발명 예의 비교
도 2는 종래의 실란을 이용하여 게이트 절연막을 형성한 박막 트랜지스터의 특성 그래프이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 HMDSO를 이용하여 게이트 절연막을 형성한 박막 트랜지스터의 특성 그래프로서, 게이트 전압에 따른 드레인-소오스 전류(IDS) 그래프이다. 종래 및 본 발명의 박막 트랜지스터는 모든 조건이 동일하며, 종래 예는 실란과 산소를 이용하여 게이트 절연막을 1O00Å의 두께로 형성하였고, 본 발명 예는 HMDSO와 산소를 이용하여 게이트 절연막을 1000Å의 두께로 형성하였다. 도 2의 종래 예의 경우 온 전류가 5.69E-04, 오프 전류가 1.14E-11이고, 도 3의 본 발명 예의 경우 온 전류가 1.02E-03, 오프 전류가 9.52E-12이다. 또한, 도 2의 종래 예의 경우 문턱 전압(Vth)이 1.96V이고, 도 3의 본 발명 예의 경우 문턱 전압(Vth)이 -0.5V이다. 그리고, 서브쓰레시홀드 스윙(subthreshhold swing)는 종래 예의 경우 0.29이고 본 발명 예의 경우 0.27이며, 게이트 전압은 종래 에의 경우 -1.4V이고 본 발명 예의 경우 -3.6V이다. 모빌러티(mobility)는 종래의 경우 44.44이고 본 발명의 경우 59.83이다. 이러한 종래 예와 본 발명 예의 전기적 특성을 [표 1]에 비교하였다. 따라서, HMDSO 등의 유기 소오스를 이용하여 게이트 절연막을 형성하는 본 발명이 실란을 이용하여 게이트 절연막을 형성하는 종래보다 전기적 특성을 향상기킬 수 있고, 모빌러티는 약 35% 정도 향상시킬 수 있다.
| 종래 예 | 발명 예 | |
| on current | 5.69E-04 | 1.02E-03 |
| off current | 1.14E-11 | 9.52E-12 |
| subthreshhold swing | 0.29 | 0.27 |
| Vth | 1.96V | -0.5V |
| Vg | -1.4V | -3.6V |
| Mobility | 44.44 | 59.83 |
게이트 절연막의 특성
본 발명의 게이트 절연막은 산소와 유기 소오스의 비율에 따라 유전 상수를 조절할 수 있는데, 도 4에 도시된 바와 같이 O2/HMDSO의 비율이 10 내지 40인 경우 유전 상수가 4.6 내지 5.5 정도로 분포되어 절연막으로서 양호한 특성을 나타낸다. 즉, 산소가 많이 함유될수록 유전 상수가 낮아지지만, O2/HMDSO의 비율을 조절하여 절연막의 양호한 특성을 갖도록 유전 상수를 조절할 수 있다. 또한, 유기 소오스를 이용하여 형성된 게이트 절연막 내에는 복수의 성분이 존재할 수 있는데, 도 5의 O2/HMDSO의 비율에 따른 FTIR 분석에 나타낸 바와 같이 게이트 절연막 내에 Si-CH3, Si-O-Si, Si-CH4, CH2 및 CH3 등이 존재함을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 게이트 절연막 내에는 H가 존재하지 않음을 알 수 있다.
증착 방법에 따른 게이트 절연막의 특성
또한, 본 발명의 게이트 절연막은 유기 소오스를 이용함으로써 CVD 뿐만 아니라 ALD로도 형성할 수 있다. 도 6은 게이트 절연막의 증착 방식에 따른 박막 트랜지스터의 특성 그래프이다. 즉, 도 6(a)는 ALD, CVD 및 ALD 방법으로 게이트 절연막을 형성한 실시 예 1의 특성 그래프이고, 도 6(b)는 ALD 및 CVD 방법으로 게이트 절연막을 형성한 실시 예 2의 특성 그래프이며, 도 6(c)는 CVD 및 ALD 방법으로 게이트 절연막을 형성한 실시 예 3의 특성 그래프이다. 실시 예 1의 경우 온 전류가 1.78E-03, 오프 전류가 1.29E-11이고, 실시 예 2는 온 전류가 1.84E-03, 오프 전류가 4.31E-11이며, 실시 예 3은 온 전류가 1.06E-03, 오프 전류가 1.11E-11이다. 또한, 문턱 전압(Vth)은 실시 예 1 내지 3이 각각 -8.69, -3.14V 및 -0.60V이다. 그리고, 서브쓰레시홀드 스윙(subthreshhold swing)은 실시 예 1 내지 3이 각각 0.33, 0.28 및 0.28이고, 게이트 전압(Vg)은 실시 예 1 내지 3이 각각 -12V, -5.8V 및 -3.5V이다. 또한, 모빌러티(mobility)는 실시 예 1 내지 3이 각각 75.43, 81.02 및 67.58이다. 이러한 실시 예 1 내지 3에 따른 전기적 특성을 [표 2]에 비교하였다. 따라서, ALD 방법을 추가하여 게이트 절연막을 형성하는 경우 전기적 특성을 조절할 수 있으며, 특히 모빌러티를 종래보다 약 52% 내지 82% 정도 향상시킬 수 있다.
| 실시 예 1 | 실시 예 2 | 실시 예 3 | |
| on current | 1.78E-03 | 1.84E-03 | 1.06E-03 |
| off current | 1.29E-11 | 4.31E-11 | 1.11E-11 |
| subthreshhold swing | 0.33 | 0.28 | 0.28 |
| Vth | -8.69V | -3.14V | -0.6V |
| Vg | -12V | -5.8V | -3.5V |
| Mobility | 75.43 | 81.02 | 67.58 |
비율에 따른 특성
도 7은 본 발명에 따른 게이트 절연막의 SiO/SiCH3의 비율에 따른 박막 트랜지스터의 특성 변화를 도시한 그래프이다. 도시된 바와 같이 누설 전류(A)는 1.7 이후에 감소하고 온 전류(B), 문턱 전압(C) 및 서브쓰레시홀드 스윙(D)은 1.7 이후에 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, SiO/SiCH3의 비율이 1.7 이후에 온 전류(B)가 증가하고 누설 전류(A)가 감소되는 반면, 문턱 전압(C) 및 서브쓰레시홀드 스윙(D)이 증가하는 트레이드 오프(trade off) 경향을 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 따라서, 게이트 절연막의 SiO/SiCH3의 비율을 조절함으로써 박막 트랜지스터의 전기적 특성을 다양하게 조절할 수 있다.
산소의 유량에 따른 특성
도 8은 게이트 절연막 형성 시 산소 유량에 따른 박막 트랜지스터의 특성 그래프이다. 즉, 도 8(a)는 3500sccm의 산소 유량으로 게이트 절연막을 형성한 실시 예 4의 특성 그래프이고, 도 8(b)는 4000sccm의 산소 유량으로 게이트 절연막을 형성한 실시 예 5의 특성 그래프이며, 도 8(c)는 4600sccm의 산소 유량으로 게이트 절연막을 형성한 실시 예 6의 특성 그래프이다. 실시 예 4의 경우 온 전류가 8.24E-04, 오프 전류가 1.68E-11이고, 실시 예 5는 온 전류가 8.39E-04, 오프 전류가 9.03E-12이며, 실시 예 6은 온 전류가 8.90E-04, 오프 전류가 9.59E-12이다. 또한, 문턱 전압(Vth)은 실시 예 4 내지 6이 각각 0.11V, 0.72V 및 1.64V이다. 그리고, 서브쓰레시홀드 스윙(subthreshhold swing)은 실시 예 4 내지 6이 각각 0.27, 0.27 및 0.29이고, 게이트 전압(Vg)은 실시 예 4 내지 6이 각각 -3.3V, -2.6V 및 -1.9V이다. 또한, 모빌러티(mobility)는 실시 예 4 내지 6이 각각 50.21, 52.68 및 58.36이다. 이러한 실시 예 4 내지 6에 따른 전기적 특성을 [표 3]에 비교하였다. 따라서, 산소 유량을 조절하여 박막 트랜지스터의 전기적 특성을 조절할 수 있으며, 특히 온 전류, 모빌러티를 종래보다 향상시킬 수 있다.
| 실시 예 4 | 실시 예 5 | 실시 예 6 | |
| on current | 8.24E-04 | 8.39E-04 | 8.90E-04 |
| off current | 1.68E-11 | 9.03E-12 | 9.59E-12 |
| subthreshhold swing | 0.27 | 0.27 | 0.29 |
| Vth | 0.11V | 0.72V | 1.64V |
| Vg | -3.3V | -2.6V | -1.9V |
| Mobility | 50.21 | 52.68 | 58.35 |
트리트먼트에
따른 특성
도 9는 게이트 절연막의 트리트먼트 실시에 따른 박막 트랜지스터의 특성 그래프이다. 즉, 도 9(a)는 트리트먼트를 실시하지 않은 실시 예 7의 특성 그래프이고, 도 9(b)는 1회의 트리트먼트를 실시하여 게이트 절연막을 형성한 실시 예 8의 특성 그래프이며, 도 9(c)는 2회의 트리트먼트를 실시하여 게이트 절연막을 형성한 실시 예 9의 특성 그래프이다. 또한, 도 9(d)는 4회의 트리트먼트를 실시하여 게이트 절연막을 형성한 실시 예 10의 특성 그래프이고, 도 9(e)는 8회의 트리트먼트를 실시하여 게이트 절연막의 형성한 실시 예 11의 특성 그래프이다. 여기서, 게이트 절연막은 340℃의 온도에서 2000Å의 두께로 형성하였으며, 각각의 트리트먼트는 250℃의 온도에서 30초 동안 산소 분위기에서 실시하였다. 실시 예 8은 게이트 절연막 증착 후 1회의 트리트먼트를 실시하였고, 실시 예 9는 게이트 절연막을 1000Å 증착할 때마다 트리트먼트를 실시하였다. 또한, 실시 예 10은 게이트 절연막을 500Å 증착한 후마다 트리트먼트를 실시하였고, 실시 예 11은 게이트 절연막을 250Å 증착한 후마다 트리트먼트를 실시하였다. 이러한 트리트먼트에 따른 박막 트랜지스터의 특성을 [표 4]에 나타내었다.
| 실시 예 7 | 실시 예 8 | 실시 예 9 | 실시 예 10 | 실시 예 11 | |
| on current | 4.13E-04 | 9.99E-06 | 2.68E-04 | 3.32E-04 | 8.85E-05 |
| off current | 1.35E-11 | 9.201-11 | 6.85E-11 | 3.87E-11 | 2.99E-11 |
| subthreshhold swing | 0.35 | 1.03 | 0.45 | 0.42 | 0.52 |
| Vth | -4.58V | 7.39V | -1.63V | -2.69V | 1.88V |
| Vg | -7.8V | 0V | -5.7V | -6.4V | -3.8V |
| Mobility | 37.89 | 2.14 | 24.86 | 28.23 | 11.82 |
[표 4]에서 볼 수 있는 바와 같이 트리트먼트를 실시함으로써 박막 트랜지스터의 전기적 특성을 조절할 수 있으며, 특히 문턱 전압을 조절할 수 있으며, 특히 실시 예 9 및 10은 문턱 전압을 향상시킬 수 있다.
3. 박막 트랜지스터의 제조 방법
도 10 내지 도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 트랜지스터의 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 단면도이다.
도 10을 참조하면, 기판(100) 상의 소정 영역에 게이트 전극(110)을 형성한 후 게이트 전극(110)을 포함한 전체 상부에 게이트 절연막(120)을 형성한다. 게이트 전극(110)을 형성하기 위해 예를 들어 CVD를 이용하여 기판(100) 상에 제 1 도전층을 형성한 후 소정의 마스크를 이용한 사진 및 식각 공정으로 제 1 도전층을 패터닝한다. 또한, 게이트 절연막(120)은 게이트 전극(110)을 포함한 전체 상부에 형성될 수 있으며, 유기 소오스와 산소 및 질소의 적어도 어느 하나의 반응 가스를 이용하여 형성할 수 있다. 따라서, 게이트 절연막(120)은 SiO, SiCH4 등의 성분을 포함하는 하이브리드막으로 형성될 수 있다. 그리고, 게이트 절연막(120)은 CVD 방법 및 ALD 방법의 적어도 어느 하나를 이용하여 형성할 수 있다. 즉, ALD 방법 또는 CVD 방법을 이용하거나 ALD 방법 및 CVD 방법을 혼용하여 게이트 절연막(120)을 형성할 수 있다. 또한, 게이트 절연막(120)의 형성 중에 적어도 1회 이상, 바람직하게는 2회 내지 4회의 트리트먼트를 실시할 수 있다. 트리트먼트는 예를 들어 산소 분위기에서 실시할 수 있으며, 게이트 절연막(120)의 증착 온도보다 낮은 온도에서 실시할 수 있다. 예를 들어, 게이트 절연막(120)은 300℃∼400℃의 온도에서 형성하고 트리트먼트는 200℃∼300℃의 온도에서 실시할 수 있다. 또한, 트리트먼트는 1회 실시할 때마다 10초 내지 60초 동안 실시할 수 있다. 이렇게 게이트 절연막(120)의 증착 방법과 트리트먼트를 조절함으로써 게이트 절연막(120)의 조성을 조절할 수 있고, 그에 따라 박막 트랜지스터의 전기적 특성을 조절할 수 있다.
도 11을 참조하면, 기판(100) 상에 금속 산화물 박막(130a)을 형성한다. 금속 산화물 박막(130a)을 형성하기 위해 기판(100)이 약 300℃ 이하, 예를 들어 100∼300℃의 온도를 유지하도록 한 후 게이트 절연막(120)을 포함한 전체 상부에 금속 산화물 박막(130a)을 형성한다. 여기서, 금속 산화물 박막(130a)은 ALD 공정, CVD 공정 등을 이용하여 IGZO 박막, ITZO 박막 등으로 형성할 수다. 예를 들어, IGZO 박막을 ALD 공정으로 형성하는 경우 인듐 소오스, 갈륨 소오스 및 징크 소오스를 동시에 반응 챔버 내에 공급하여 기판(100) 상에 흡착시킨 후 퍼지 가스를 이용하여 미흡착 원료 가스를 퍼지하고, 산화 소오스를 반응 챔버 내에 공급하여 기판(100) 상에서 반응시켜 단일 원자층의 IGZO 박막을 형성한 후 퍼지 가스를 이용하여 미반응 반응 가스를 퍼지할 수 있다. 여기서, 예를 들어 인듐 소오스로는 트리메틸인듐(Trimethyl Indium; In(CH3)3)(TMIn) 등을 이용할 수 있고, 갈륨 소오스로는 트리메틸갈륨(Trimethyl Gallium; Ga(CH3)3)(TMGa) 등을 이용할 수 있으며, 징크 소오스로는 디에틸징크(Diethyl Zinc; Zn(C2H5)2)(DEZ), 디메틸징크(Dimethyl Zinc; Zn(CH3)2)(DMZ) 등을 이용할 수 있다. 또한, 산소 소오스로는 산소가 포함된 물질, 예를 들어 산소(O2), 오존(O3), 수증기(H2O), N2O, CO2 등의 적어도 어느 하나를 이용할 수 있고, 오존(O3)을 이용하는 것이 바람직하고, 산소(O2), N2O, CO2를 플라즈마 상태로 여기시켜 이용할 수 있다. 또한, 금속 산화물 박막(130a)의 일부는 ALD 공정으로 형성하고, 나머지는 CVD 공정으로 형성할 수도 있다. 이를 위해 예를 들어 IGZO 박막을 CVD 공정으로 형성하는 경우 인듐 소오스, 갈륨 소오스, 징크 소오스 및 산화 소오스를 반응 챔버 내에 동시에 유입한다. 한편, 금속 산화물 박막(130a)을 서로 다른 증착 방식으로 이층 구조로 형성하는 경우 조성비를 다르게 하여 형성할 수 있는데, 소오스 물질의 적어도 어느 하나의 유입량을 일층의 금속 산화물 박막(132)보다 많거나 적게 조절하여 유입할 수 있고, 산화 소오스의 유입량 또한 조절하여 유입할 수 있다. 이렇게 하면 일층의 금속 산화물 박막에 비하여 타층의 금속 산화물 박막의 특성, 예를 들어 이동도, 전기 전도도 등을 조절할 수 있다.
도 12를 참조하면, 금속 산화물 박막(130a) 상에 보호막(140)을 형성한다. 보호막(140)은 산소의 침투를 방지하고 금속 산화물 박막(130a)과 식각 선택비가 차이나는 물질로 형성할 수 있는데, 실리콘 옥사이드, 실리콘 옥시나이트라이드, 알루미늄 옥사이드 등의 절연막을 이용할 수 있다. 또한, 보호막(140)은 유기 소오스와 반응 가스를 이용하여 형성할 수 있다. 즉, 보호막(140)은 게이트 절연막(120)과 동일 물질로 형성할 수 있고, 그에 따라 막 내에 H가 잔류하지 않을 수 있다. 이어서, 보호막(140)의 소정 영역을 식각하여 패터닝하는데, 보호막(140)은 이후 소오스 전극 및 드레인 전극이 이격되는 영역에 잔류하도록 패터닝한다. 즉, 보호막(140) 소오스 전극 및 드레인 전극과 일부 중첩되도록 패터닝한다. 한편, 보호막(140)을 패터닝하기 이전에 어닐링 공정을 실시할 수도 있다. 어닐링 공정은 보호막(140) 증착 후 오프 전류가 변화될 수 있는데, 이를 보상하기 위해 실시할 수 있다. 여기서, 어닐링 공정은 산소 또는 오존을 이용하여 진공 상태에서 실시할 수 있다. 즉, 어닐링 공정은 대기압(760Torr) 보다 낮은 압력에서 실시할 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.1Torr 내지 10Torr에서 실시할 수 있다. 이때, 공정 온도는 200∼450℃로 유지하고, 공정 시간은 요구되는 소자 특성에 따라 1분 내지 30분까지 다양하게 처리할 수 있다.
도 13을 참조하면, 금속 산화물 박막(130a)을 게이트 전극(110)을 덮도록 패터닝하여 활성층(130)을 형성한다. 이어서, 활성층(130) 상부에 제 2 도전층을 형성한 후 소정의 마스크를 이용한 사진 및 식각 공정으로 패터닝하여 소오스 전극(150a) 및 드레인 전극(150b)을 형성한다. 소오스 전극(150a) 및 드레인 전극(150b)은 게이트 전극(110)의 상부와 일부 중첩되고, 게이트 전극(110)의 상부에서 이격되도록 형성된다. 이때, 식각 공정은 보호막(140)이 노출되도록 식각한다. 여기서, 제 2 도전층은 금속, 금속 합금, 금속 산화물, 투명 도전막 또는 이들의 화합물 중 어느 하나를 CVD를 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 제 2 도전층은 도전 특성과 저항 특성을 고려하여 복수의 층으로 형성할 수도 있다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 기판
110 : 게이트 전극
120 : 게이트 절연막 130 : 활성층
140 : 보호막 150a 및 150b : 소오스 및 드레인 전극
120 : 게이트 절연막 130 : 활성층
140 : 보호막 150a 및 150b : 소오스 및 드레인 전극
Claims (16)
- 기판 상의 수직 방향으로 형성된 게이트 전극, 게이트 절연막, 활성층, 소오스 전극 및 드레인 전극과, 상기 활성층 상의 상기 소오스 전극 및 드레인 전극 사이에 형성된 보호막을 포함하고,
상기 게이트 절연막은 실리콘 함유 유기 소오스와 반응 소오스를 이용하여 형성된 박막 트랜지스터.
- 청구항 1에 있어서, 상기 게이트 절연막은 막 내에 SiCH3, SiCH4 성분을 포함하는 박막 트랜지스터.
- 청구항 2에 있어서, 상기 게이트 절연막은 상기 실리콘 함유 유기 소오스와 상기 반응 가스의 비율에 따라 4 내지 6의 유전 상수를 가지는 박막 트랜지스터,
- 청구항 3에 있어서, 상기 게이트 절연막은 증착 방법, SiO/SiCH3의 비율, 상기 반응 소오스의 양에 따라 온 전류, 오프 전류, 문턱 전압 및 모빌러티가 조절되는 박막 트랜지스터.
- 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서, 상기 활성층은 3족 또는 4족 원소가 도핑된 산화아연 박막으로 형성된 박막 트랜지스터.
- 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서, 상기 보호막은 실리콘 함유 유기 소오스와 반응 가스를 이용하여 형성된 박막 트랜지스터.
- 청구항 6에 있어서, 상기 보호막은 상기 활성층에 접하는 적어도 일부 두께가 나머지 두께에 비해 산소 리치 상태로 형성된 박막 트랜지스터.
- 기판 상에 게이트 전극을 형성하고 그 상부에 게이트 절연막을 형성하는 단계;
상기 게이트 절연막 상에 활성층을 형성하는 단계;
상기 활성층 상에 보호막을 형성하는 단계; 및
상기 활성층 상에 소오스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 게이트 절연막은 실리콘 함유 유기 소오스와 반응 소오스를 이용하여 형성하는 박막 트랜지스터의 제조 방법.
- 청구항 8에 있어서, 상기 게이트 절연막은 막 내에 SiCH3, SiCH4 성분을 포함하는 박막 트랜지스터의 제조 방법.
- 청구항 9에 있어서, 상기 게이트 절연막은 상기 실리콘 함유 유기 소오스와 상기 반응 소오스의 비율에 따라 4 내지 6의 유전 상수를 가지는 박막 트랜지스터의 제조 방법.
- 청구항 10에 있어서, 상기 게이트 절연막은 CVD 방법 및 ALD 방법의 적어도 어느 하나로 형성하는 박막 트랜지스터의 제조 방법.
- 청구항 11에 있어서, 상기 게이트 절연막 형성 중 적어도 1회의 트리트먼트를 실시하는 단계를 더 포함하는 박막 트랜지스터의 제조 방법.
- 청구항 12에 있어서, 상기 게이트 절연막은 증착 방법, SiO/SiCH3의 비율, 상기 반응 소오스의 양, 상기 트리트먼트의 회수를 조절하여 온 전류, 오프 전류, 문턱 전압 및 모빌러티를 조절하는 박막 트랜지스터의 제조 방법.
- 청구항 8에 있어서, 상기 보호막은 실리콘 함유 유기 소오스와 반응 가스를 이용하여 형성하는 박막 트랜지스터의 제조 방법.
- 청구항 14에 있어서, 상기 보호막은 상기 활성층에 접하는 적어도 일부 두께가 나머지 두께에 비해 산소 리치 상태로 형성하는 박막 트랜지스터의 제조 방법.
- 청구항 14에 있어서, 상기 산소 리치 상태의 보호막은 산소 포함 가스를 이용한 플라즈마 처리를 실시하여 형성하는 박막 트랜지스터의 제조 방법.
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| KR1020150012076A KR20160092098A (ko) | 2015-01-26 | 2015-01-26 | 박막 트랜지스터 및 그 제조 방법 |
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| KR (1) | KR20160092098A (ko) |
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|---|---|---|---|---|
| KR20180118958A (ko) * | 2017-04-24 | 2018-11-01 | 주성엔지니어링(주) | 박막 트랜지스터 및 그 제조 방법 |
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2015
- 2015-01-26 KR KR1020150012076A patent/KR20160092098A/ko not_active Application Discontinuation
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