(19) 대한민국특허청 (KR) (12) 공개특허공보 (A) (11) 공개번호 10-2012-0021454 (43) 공개일자 2012년03월09일 (51) 국제특허분류 (Int. Cl.) H01L 29/786 (2006.01) G02F 1/136 (2006.01) (21) 출원번호 10-2010-0074404 (22) 출원일자 2010 년 07 월 30 일 심사청구일자 없음 전체청구항수 : 총 24 항 (71) 출원인 삼성전자주식회사 경기도수원시영통구삼성로 129 ( 매탄동 ) (72) 발명자 박경배 서울특별시강남구영동대로 640, 현대아이파크아파트사우스윙 3602 호 ( 삼성동 ) 김현석 경기도화성시반송동나루마을우림루미아트아파트 606-2802 ( 뒷면에계속 ) (74) 대리인 리앤목특허법인 (54) 발명의명칭트랜지스터와그제조방법및트랜지스터를포함하는전자소자 (57) 요약 트랜지스터와그제조방법및트랜지스터를포함하는전자소자에관해개시되어있다. 개시된트랜지스터는다층구조를갖는산화물채널층을포함할수있다. 상기채널층은게이트절연층측으로부터순차로배열되는제 1 층및제 2 층을포함할수있다. 상기제 1 층은도전체 (conductor) 일수있고, 상기제 2 층은상기제 1 층보다전기전도도가낮은반도체 (semiconductor) 일수있다. 상기제 1 층은게이트전압조건에따라공핍영역 (depletion region) 이될수있다. 대표도 - 도 1-1 -
(72) 발명자 류명관 경기도용인시수지구신봉 2 로 26, LG 신봉자이 1 차아파트 124 동 1002 호 ( 신봉동 ) 이상윤 서울특별시서초구서초중앙로 200, 13 동 707 호 ( 서초동, 삼풍아파트 ) 이광희 경기수원시영통구망포동벽산아파트 115-1802 김태상 서울특별시송파구양산로 4 길 8, 404 동 607 호 ( 거여동, 거여 4 단지아파트 ) 김억수 경기도성남시분당구수내로 74, 105 동 504 호 ( 수내동, 양지마을 ) 손경석 서울특별시성동구성수 2 가 1 동 400 번지강변현대아파트 101-405 맹완주 경기도용인시기흥구삼성 2 로 97, 기숙사 A 동 41 9 호 ( 농서동, 삼성종합기술원 ) 박준석 경기도성남시분당구중앙공원로 17, 시범단지 317-2002 ( 서현동, 한양아파트 ) - 2 -
특허청구의범위청구항 1 산화물로형성된채널층 ; 상기채널층의양단에각각접촉된소오스및드레인 ; 상기채널층에대응하는게이트 ; 및상기채널층과상기게이트사이에구비된게이트절연층 ; 을포함하고, 상기채널층은상기게이트절연층측으로부터순차로배열되는제1층및제2층을구비하고, 상기제1층은게이트전압조건에따라공핍 (depletion) 될수있는도전체 (conductor) 이고, 상기제2층은상기제1층보다낮은전기전도도를갖는트랜지스터. 청구항 2 제 1 항에있어서, 상기제1층의산소공공 (oxygen vacancy) 농도는상기제2층의산소공공농도보다높은트랜지스터. 청구항 3 제 1 항에있어서, 상기제1층의전기전도도는 10 3 S/cm 이상인트랜지스터. 청구항 4 제 1 항또는제 3 항에있어서, 상기제2층의전기전도도는 10-8 S/cm 이상 10 3 S/cm 미만인트랜지스터. 청구항 5 제 1 항에있어서, 상기제1층의캐리어농도는 10 18 / cm3이상 10 21 / cm3이하인트랜지스터. 청구항 6 제 1 항또는제 5 항에있어서, 상기제2층의캐리어농도는 10 13 / cm3이상 10 18 / cm3미만인트랜지스터. 청구항 7 제 1 항에있어서, 상기제1층은 5?50nm 의두께를갖는트랜지스터. 청구항 8 제 1 항에있어서, 상기제1층및제2층의금속원소성분은서로동일한트랜지스터. 청구항 9 제 1 항또는제 8 항에있어서, - 3 -
상기제1층및제2층의금속원소농도는서로동일한트랜지스터. 청구항 10 제 1 항에있어서, 상기채널층의산화물은 ZnO 계열또는 InO 계열산화물인트랜지스터. 청구항 11 제 1 항에있어서, 상기게이트는상기채널층아래에구비된트랜지스터. 청구항 12 제 11 항에있어서, 상기채널층상에구비된식각정지층을더포함하는트랜지스터. 청구항 13 제 1 항에있어서, 상기게이트는상기채널층위에구비된트랜지스터. 청구항 14 청구항 1에기재된트랜지스터를포함하는평판표시장치. 청구항 15 게이트를형성하는단계 ; 상기게이트에대응하는것으로산화물을포함하는채널층을형성하는단계 ; 상기게이트와상기채널층사이에게이트절연층을형성하는단계 ; 및상기채널층양단에접촉된소오스및드레인을형성하는단계 ; 를포함하는트랜지스터의제조방법에있어서, 상기채널층을형성하는단계는상기게이트절연층의일면상에순차로구비되는제1층및제2층을형성하는단계를포함하되, 상기제1층은게이트전압조건에따라공핍 (depletion) 될수있는도전체 (conductor) 로형성하고, 상기제2층은상기제1층보다낮은전기전도도를갖도록형성하는트랜지스터의제조방법. 청구항 16 제 15 항에있어서, 상기제1층은제1 산소분압에서형성하고, 상기제2층은상기제1 산소분압보다큰제2 산소분압에서형성하는트랜지스터의제조방법. 청구항 17 제 16 항에있어서, 상기채널층형성시 O 2 및 Ar 을포함하는반응가스를사용하고, 상기제1층은 Ar에대한 O 2 의유량비 (O 2 /Ar) 가 0 보다크고 0.1 보다작은조건으로형성하고, 상기제2층은 Ar에대한 O 2 의유량비 (O 2 /Ar) 가 0.1 보다크거나같은조건으로형성하는트랜지스터의제조방법. 청구항 18 제 15 항에있어서, - 4 -
상기제1층및제2층은인-시츄 (in-situ) 로형성하는트랜지스터의제조방법. 청구항 19 제 15 항에있어서, 상기제1층의산소공공 (oxygen vacancy) 농도는상기제2층의산소공공농도보다높은트랜지스터의제조방법. 청구항 20 제 15 항에있어서, 상기제1층의전기전도도는 10 3 S/cm 이상인트랜지스터의제조방법. 청구항 21 제 15 항또는제 20 항에있어서, 상기제2층의전기전도도는 10-8 S/cm 이상 10 3 S/cm 미만인트랜지스터의제조방법. 청구항 22 제 15 항에있어서, 상기제1층은 5?50nm 의두께로형성하는트랜지스터의제조방법. 청구항 23 제 15 항에있어서, 상기채널층은 ZnO 계열또는 InO 계열산화물로형성하는트랜지스터의제조방법. 청구항 24 제 15 항에있어서, 상기트랜지스터는바텀 (bottom) 게이트구조또는탑 (top) 게이트구조로형성하는트랜지스터의제조방법. 명세서 [0001] 기술분야 트랜지스터와그제조방법및트랜지스터를포함하는전자소자에관한것이다. [0002] [0003] [0004] [0005] 배경기술트랜지스터는전자기기분야에서스위칭소자 (switching device) 나구동소자 (driving device) 로널리사용되고있다. 특히, 박막트랜지스터 (thin film transistor) 는유리기판이나플라스틱기판상에제조할수있기때문에, 액정표시장치또는유기발광표시장치등과같은평판표시장치분야에서유용하게사용된다. 현재상용화되어있는대부분의평판표시장치는비정질실리콘으로이루어진채널층을갖는박막트랜지스터 ( 이하, 비정질실리콘박막트랜지스터 ) 또는다결정실리콘층으로이루어진채널층으로갖는박막트랜지스터 ( 이하, 다결정실리콘박막트랜지스터 ) 를사용한다. 비정질실리콘박막트랜지스터의경우, 전하이동도가 0.5 cm2 /Vs 내외로낮기때문에, 평판표시장치의동작속도를높이는데어려움이있다. 또한비정질실리콘은광학적밴드갭 (optical band gap) 이?1.8 ev 정도로서가시광선조사에의한누설전류 (leakage current) 유발및댕글링본드 (dangling bond)( 즉, 결합되어있지않은화학결합손 ) 증가에따른특성열화등의문제가있다. 한편, 다결정실리콘박막트랜지스터의경우, 결정화공정, 불순물주입 ( 임플란트 ) 공정및활성화공정등이요구되기때문에비정질실리콘박막트랜지스터에비해제조공정이복잡하고제조단가가높다. 또한다결정실 - 5 -
리콘층의결정립크기는불균일하기때문에, 다결정실리콘층을대면적표시장치의채널층으로적용할경우, 화 면품위가떨어지는문제가발생한다. [0006] 이에, 비정질실리콘박막트랜지스터및다결정실리콘박막트랜지스터의문제를해결하고, 대형화 / 저가격화및고성능 / 고신뢰성을만족시킬수있는새로운박막트랜지스터에대한요구가증가하고있고, 이에대한연구가진행되고있다. 그일환으로산화물층을채널층으로갖는트랜지스터 ( 산화물박막트랜지스터 ) 에대한연구가이루어지고있다. 발명의내용 [0007] [0008] [0009] 해결하려는과제고성능및고신뢰성을갖는트랜지스터를제공한다. 상기트랜지스터의제조방법을제공한다. 상기트랜지스터를포함하는전자소자를제공한다. [0010] [0011] [0012] [0013] [0014] [0015] [0016] [0017] [0018] [0019] [0020] [0021] [0022] [0023] [0024] [0025] 과제의해결수단본발명의일측면 (aspect) 에따르면, 산화물로형성된채널층 ; 상기채널층의양단에각각접촉된소오스및드레인 ; 상기채널층에대응하는게이트 ; 및상기채널층과상기게이트사이에구비된게이트절연층 ; 을포함하고, 상기채널층은상기게이트절연층측으로부터순차로배열되는제1층및제2층을구비하고, 상기제1층은게이트전압조건에따라공핍 (depletion) 될수있는도전체 (conductor) 이고, 상기제2층은상기제1층보다낮은전기전도도를갖는트랜지스터가제공된다. 상기제1층의산소공공 (oxygen vacancy) 농도는상기제2층의산소공공농도보다높을수있다. 상기제1층의전기전도도는 10 3 S/cm 이상일수있다. 상기제2층의전기전도도는 10-8 S/cm 이상 10 3 S/cm 미만일수있다. 상기제1층의캐리어농도는 10 18 / cm3이상 10 21 / cm3이하일수있다. 상기제2층의캐리어농도는 10 13 / cm3이상 10 18 / cm3미만일수있다. 상기제1층은 5?50nm 의두께를가질수있다. 상기제2층은 10?1000nm 의두께를가질수있다. 상기제1층및제2층의금속원소성분은서로동일할수있다. 상기제1층및제2층의금속원소농도는서로동일하거나유사할수있다. 상기채널층의산화물은 ZnO 계열또는 InO 계열산화물일수있다. 상기게이트는상기채널층아래에구비될수있다. 이경우, 상기채널층상에식각정지층이더구비될수있다. 상기게이트는상기채널층위에구비될수있다. 본발명의다른측면에따르면, 전술한트랜지스터를포함하는평판표시장치가제공된다. 본발명의다른측면에따르면, 게이트를형성하는단계 ; 상기게이트에대응하는것으로산화물을포함하는채널층을형성하는단계 ; 상기게이트와상기채널층사이에게이트절연층을형성하는단계 ; 및상기채널층양단에접촉된소오스및드레인을형성하는단계 ; 를포함하는트랜지스터의제조방법에있어서, 상기채널층을형성하는단계는상기게이트절연층의일면상에순차로구비되는제1층및제2층을형성하는단계를포함하되, 상기제1층은게이트전압조건에따라공핍 (depletion) 될수있는도전체 (conductor) 로형성하고, 상기제2층은상기제1층보다낮은전기전도도를갖도록형성하는트랜지스터의제조방법이제공된다. 상기제1층은제1 산소분압에서형성하고, 상기제2층은상기제1 산소분압보다큰제2 산소분압에서형성할 - 6 -
수있다. [0026] 상기채널층형성시 O 2 및 Ar 을포함하는반응가스를사용할수있다. 이경우, 상기제 1 층은 Ar 에대한 O 2 의 유량비 (O 2 /Ar) 가 0 보다크고 0.1 보다작은조건으로형성할수있고, 상기제 2 층은 Ar 에대한 O 2 의유량비 (O 2 /Ar) 가 0.1 보다크거나같은조건으로형성할수있다. [0027] [0028] [0029] [0030] [0031] [0032] [0033] [0034] 상기제1층및제2층은인-시츄 (in-situ) 로형성할수있다. 상기제1층의산소공공 (oxygen vacancy) 농도는상기제2층의산소공공농도보다높을수있다. 상기제1층의전기전도도는 10 3 S/cm 이상일수있다. 상기제2층의전기전도도는 10-8 S/cm 이상 10 3 S/cm 미만일수있다. 상기제1층은 5?50nm 의두께로형성할수있다. 상기제2층은 10?1000nm 의두께로형성할수있다. 상기채널층은 ZnO 계열또는 InO 계열산화물로형성할수있다. 상기트랜지스터는바텀 (bottom) 게이트구조또는탑 (top) 게이트구조로형성할수있다. [0035] 발명의효과 고성능및고신뢰성을갖는트랜지스터와이를포함하는평판표시장치를구현할수있다. 상기트랜지스터를비 교적간단한방법으로용이하게제조할수있다. [0036] 도면의간단한설명 도 1 내지도 5 는본발명의실시예에따른트랜지스터의단면도이다. 도 6a 내지도 6d는본발명의실시예에따른트랜지스터의제조방법을보여주는단면도이다. 도 7a 내지도 7d는본발명의다른실시예에따른트랜지스터의제조방법을보여주는단면도이다. 도 8은본발명의실시예에따른트랜지스터의제조방법에서 O 2 /Ar 유량비에따른산화물층의전기적특성변화를보여주는그래프이다. 도 9는본발명의실시예에따른트랜지스터의제조방법으로형성한채널층의깊이에따른산소농도의변화를보여주는그래프이다. 도 10 내지도 12는본발명의실시예및비교예에따른트랜지스터의게이트전압 (V GS )-드레인전류(I DS ) 특성을보여주는그래프이다. 도 13 및도 14는본발명의실시예에따른트랜지스터의광조사에의한게이트전압 (V GS )-드레인전류(I DS ) 특성의변화를보여주는그래프이다. * 도면의주요부분에대한부호설명 * 10, 10', 11, 11' : 제1층 20, 20', 22, 22' : 제2층 C1, C1', C2, C2' : 채널층 D1, D1', D2, D2' : 드레인전극 G1, G2 : 게이트 GI1, GI2 : 게이트절연층 P1, P2 : 보호층 S1, S1', S2, S2' : 소오스전극 SUB1, SUB2 : 기판 [0037] 발명을실시하기위한구체적인내용 이하, 본발명의실시예에따른트랜지스터, 트랜지스터의제조방법및트랜지스터를포함하는전자소자를첨부 된도면을참조하여상세하게설명한다. 첨부된도면에도시된층이나영역들의폭및두께는명세서의명확성 - 7 -
을위해다소과장되게도시된것이다. 상세한설명전체에걸쳐동일한참조번호는동일한구성요소를나타낸 다. [0038] [0039] [0040] [0041] [0042] [0043] 도 1은본발명의실시예에따른트랜지스터를보여준다. 본실시예의트랜지스터는게이트 (G1) 가채널층 (C1) 아래에구비되는바텀 (bottom) 게이트구조의박막트랜지스터이다. 도 1을참조하면, 기판 (SUB1) 상에게이트 (G1) 가형성될수있다. 기판 (SUB1) 은플라스틱기판일수있지만, 그밖의다른기판, 예컨대, 유리기판이나실리콘기판등통상의반도체소자공정에서사용되는다양한기판중어느하나일수있다. 게이트 (G1) 는일반적인전극물질 ( 금속, 도전성산화물등 ) 로형성될수있다. 기판 (SUB1) 상에게이트 (G1) 를덮는게이트절연층 (GI1) 이형성될수있다. 게이트절연층 (GI1) 은실리콘산화물층또는실리콘질화물층을포함할수있으나, 그밖의다른물질층, 예컨대, 실리콘질화물층보다유전상수가큰고유전물질층을포함할수도있다. 게이트절연층 (GI1) 은단층또는다층구조를가질수있다. 게이트절연층 (GI1) 상에채널층 (C1) 이구비될수있다. 채널층 (C1) 은게이트 (G1) 위쪽에위치할수있다. 채널층 (C1) 의 X축방향폭은게이트 (G1) 의 X축방향폭보다다소클수있다. 채널층 (C1) 은산화물로형성될수있고, 다층구조를가질수있다. 예컨대, 채널층 (C1) 은순차적층된제1산화물층 ( 이하, 제1층 )(10) 및제2산화물층 ( 이하, 제2층 )(20) 을구비한이중층구조를가질수있다. 제1층 (10) 이제2층 (20) 보다상대적으로게이트 (G 1) 에가까이배치되어있다. 다시말해, 게이트절연층 (GI1) 과제2층 (20) 사이에제1층 (10) 이개재 (interpose) 되어있다. 그러므로제1층 (10) 은게이트절연층 (GI1) 에접촉될수있고, 제2층 (20) 은게이트절연층 (GI1) 에서이격될수있다. 제1층 (10) 의두께는, 예컨대, 5?50nm 정도일수있고, 제2층 (20) 의두께는, 예컨대, 10?1000nm 정도일수있다. 제1층 (10) 및제2층 (20) 에대해서는추후에보다상세히설명한다. 게이트절연층 (GI1) 상에채널층 (C1) 의양단에각각접촉되는소오스전극 (S1) 및드레인전극 (D1) 이구비될수있다. 소오스전극 (S1) 및드레인전극 (D1) 은단일층또는다중층일수있다. 소오스전극 (S1) 및드레인전극 (D1) 은게이트 (G1) 과동일한물질층일수있으나, 다른물질층일수도있다. 게이트절연층 (GI1) 상에채널층 (C1), 소오스전극 (S1) 및드레인전극 (D1) 을덮는보호층 (passivation layer)(p1) 이형성될수있다. 보호층 (P1) 은실리콘산화물층, 실리콘질화물층또는유기층이거나, 이들중적어도두개이상이적층된구조를가질수있다. 게이트 (G1), 게이트절연층 (GI1), 소오스전극 (S1) 및드레인전극 (D1) 의두께는각각 50?300nm, 50?400nm, 10?200nm 및 10?200nm 정도일수있다. 이하에서는채널층 (C1) 에대해보다상세히설명한다. 채널층 (C1) 의제1층 (10) 과제2층 (20) 은전기적특성이서로다른층일수있다. 제1층 (10) 은 10 3 S/cm 이상의전기전도도를갖는도전체일수있다. 제1층 (10) 은게이트 (G1) 에인가되는전압조건 ( 즉, 게이트전압조건 ) 에따라공핍영역 (depletion region) 이될수있다. 제2층 (20) 은제1층 (10) 보다낮은전기전도도를갖는반도체일 수있다. 예컨대, 제2층 (20) 의전기전도도는 10-8 S/cm 이상 10 3 S/cm 미만일수있다. 제1층 (10) 과제2층 (20) 의전기전도도는캐리어농도와관련될수있다. 제1층 (10) 의캐리어농도는 10 18 / cm3이상 10 21 / cm3이하일수있고, 제2층 (20) 의캐리어농도는 10 13 / cm3이상 10 18 / cm3미만일수있다. 제1층 (10) 의전기저항은 10 Ωcm 이하일수있고, 제2층 (20) 의전기저항은 10 Ωcm 보다클수있다. 제1층 (10) 과제2층 (20) 의산소공공 (oxygen vacancy) 농도는서로다를수있다. 제1층 (10) 의산소공공 (oxygen vacancy) 농도는제2층 (20) 의그것보다높을수있다. 산소공공이많다는것은산소이온은적다는것을의미할수있다. 그러므로제1층 (10) 의산소이온농도는제2층 (20) 의산소이온농도보다낮을수있다. [0044] 제1층 (10) 이도전체라는것은제1층 (10) 에어떤외부요인이작용하지않을때, 제1층 (10) 자체로고유하게도전성을띤다는것을의미한다. 그러나제1층 (10) 에소정의외부요인이작용할때, 제1층 (10) 은도전성을잃고절연체와유사한특성을가질수있다. 만약, 게이트 (G1) 에소정의음 (-) 의전압이인가되면, 제1층 (10) 의캐리어 ( 예컨대, 전자 ) 가제2층 (20) 으로넘어가면서제1층 (10) 은공핍영역 (depletion region) 이될수있다. 그러므로게이트 (G1) 에소정의음 (-) 의전압이인가되는오프 (OFF) 상태에서제1층 (10) 은절연특성을가질수있다. 하지만온 (ON) 상태에서제1층 (10) 은도전특성을가지므로, 소오스전극 (S1) 과드레인전극 (D1) 사이의전류는대부분제1층 (10) 을통해흐를수있다. 이와같이, 도전체의특성을갖는제1층 (10) 은외부요인에의해절연체의특성을가질수있으므로, 온 (ON)/ 오프 (OFF) 스위칭을위한트랜지스터의채널로기능을할수있다. 제1 층 (10) 이과도하게두꺼울경우, 게이트 (G1) 에음 (-) 의전압이인가되더라도제1층 (10) 에공핍영역이형성되기어려울수있다. 즉, 제1층 (10) 이과도하게두꺼울경우, 제1층 (10) 에절연특성을부여하기어려울수있다. - 8 -
그러므로제 1 층 (10) 은비교적얇은두께, 예컨대, 5?50nm 정도의두께로형성될수있다. 한편, 제 2 층 (20) 은 10?1000nm 정도의두께로형성될수있다. [0045] [0046] [0047] [0048] [0049] [0050] [0051] [0052] [0053] [0054] 제1층 (10) 과제2층 (20) 은동일계열의산화물 ( 금속산화물 ) 로형성될수있다. 이때, 제1층 (10) 과제2층 (20) 의금속성분 (metal composition) 은동일할수있다. 또한제1층 (10) 과제2층 (20) 의금속원소농도는서로동일하거나유사할수있다. 제1층 (10) 과제2층 (20) 을동일계열의산화물로형성하되, 산소공공농도 ( 또는산소이온농도 ), 캐리어농도등을달리하여이들의전기적특성을제어할수있다. 이와같이, 제1층 (10) 과제2층 (20) 을동일계열의산화물로형성하는경우, 하나의스퍼터타겟 (sputter target) 을사용해서제1층 (10) 과제2 층 (20) 을인-시츄 (in-situ) 로형성할수있으므로, 제조공정이단순화될수있다. 예를들어, 제1층 (10) 및제2층 (20) 은 ZnO 계열또는 InO 계열의산화물을포함할수있다. 제1층 (10) 및제2층 (20) 이 ZnO 계열의산화물을포함하는경우, In, Ga 및 Al과같은 13족원소, Sn 및 Si와같은 14족원소, Zr, Hf 및 Ti와같은 4족원소 ( 전이금속 ), Mg와같은 2족원소, Y 및 La과같은 3족원소 ( 전이금속 ), Cu와같은 11 족원소 ( 전이금속 ), 그리고, Ta, Cr 등그밖의전이금속으로구성된그룹에서선택된적어도하나의원소를더포함할수있다. 구체적인예로, 제1층 (10) 및제2층 (20) 은 GaInZnO, HfInZnO, ZrInZnO, MgInZnO, LaInZnO, AlInZnO, SiInZnO, CuInZnO 등과같은 InZnO( 즉, IZO) 계열산화물또는 GaZnSnO, HfZnSnO, ZrZnSnO, MgZnSnO, LaZnSnO, AlZnSnO, SiZnSnO, CuZnSnO 등과같은 ZnSnO( 즉, ZTO) 계열산화물을포함하거나, ZnO 또는 InO 를포함할수있다. 이와같이, 채널층 (C1) 을전기적특성이서로다른복수의산화물층 (10, 20) 으로구성함으로써, 트랜지스터의동작특성및신뢰성을개선할수있다. 이에대해서는추후에보다상세히설명한다. 도 1에서는채널층 (C1) 의상면양단에소오스전극 (S1) 및드레인전극 (D1) 이접촉되어있지만, 이들의위치관계는달라질수있다. 그예가도 2에도시되어있다. 도 2를참조하면, 게이트절연층 (GI1) 상에서로이격된소오스전극 (S1') 및드레인전극 (D1') 이구비될수있다. 소오스전극 (S1') 과드레인전극 (D1') 사이의게이트절연층 (GI1) 상에두전극 (S1', D1') 에접촉된채널층 (C1') 이구비될수있다. 그러므로소오스전극 (S1') 및드레인전극 (D1') 은채널층 (C1') 의하면양단에접촉될수있다. 채널층 (C1') 은제1층 (10') 및제2층 (20') 이적층된구조를가질수있다. 제1층 (10') 및제2층 (20') 은각각도 1의제1층 (10) 및제2층 (20) 과동일한물질로구성될수있다. 채널층 (C1') 과소오스전극 (S1') 및드레인전극 (D1') 사이의위치관계를제외하면, 도 2의구조는도 1과동일할수있다. 본발명의다른실시예에따르면, 도 1의트랜지스터는채널층 (C1) 상에식각정지층 (etch stop layer) 을더구비할수있다. 그예가도 3에도시되어있다. 도 3을참조하면, 채널층 (C1) 상에식각정지층 (ES1) 이더구비될수있다. 식각정지층 (ES1) 의 X축방향 ( 도 1의좌표참조 ) 폭은채널층 (C1) 보다작을수있다. 채널층 (C1) 의양단은식각정지층 (ES1) 으로커버되지않을수있다. 소오스전극 (S1) 은식각정지층 (ES1) 과채널층 (C1) 의일단을덮을수있고, 드레인전극 (D1) 은식각정지층 (ES1) 과채널층 (C1) 의타단을덮을수있다. 식각정지층 (ES1) 은소오스전극 (S1) 및드레인전극 (D1) 을형성하기위한식각공정에서, 상기식각에의해채널층 (C1) 이손상되는것을방지하는역할을할수있다. 식각정지층 (ES1) 은, 예를들어, 실리콘산화물, 실리콘질화물또는유기절연물등을포함할수있다. 식각정지층 (ES1) 의사용여부는채널층 (C1) 의물질과소오스전극 (S1) 및드레인전극 (D1) 의물질에따라결정될수있다. 식각정지층 (ES1) 을구비하는것을제외하면, 도 3의구조는도 1과동일할수있다. 도 4는본발명의다른실시예에따른트랜지스터를보여준다. 본실시예에따른트랜지스터는게이트 (G2) 가채널층 (C2) 위에구비되는탑 (top) 게이트구조의박막트랜지스터이다. 도 4를참조하면, 기판 (SUB2) 상에채널층 (C2) 이구비되어있다. 채널층 (C2) 은도 1의채널층 (C1) 이위? 아래로뒤집힌구조를가질수있다. 즉, 도 2의채널층 (C2) 은기판 (SUB2) 상에도 1의제2층 (20) 과등가한제2층 (22) 과도 1의제1층 (10) 과등가한제1층 (11) 이순차로구비된구조를가질수있다. 제1층 (11) 은도전체일수있고, 제2층 (22) 은반도체일수있다. 기판 (SUB2) 상에채널층 (C2) 의양단에각각접촉되도록소오스전극 (S2) 및드레인전극 (D2) 이형성되어있다. 기판 (SUB2) 상에채널층 (C2), 소오스전극 (S2) 및드레인전극 (D2) 을덮는게이트절연층 (GI2) 이형성되어있다. 게이트절연층 (GI2) 상에게이트 (G2) 가형성되어있다. 게이트 (G2) 는채널층 (C2) 위에위치한다. 게이트절연층 (GI2) 상에게이트 (G2) 를덮는보호층 (P2) 이형성되어있다. 도 4의기판 (SUB2), 제1층 (11), 제2층 (22), 소오스전극 (S2), 드레인전극 (D2), 게이트절연층 (GI2), 게이트 (G2) 및보호층 (P2) 각각의물질및두께는도 1의기판 (SUB1), 제1층 (10), 제2층 (20), 소오스전극 (S1), 드레인전극 - 9 -
(D1), 게이트절연층 (GI1), 게이트 (G1) 및보호층 (P1) 각각의그것들과동일할수있다. 또한, 도 4 에서제 1 층 (11) 및제 2 층 (22) 의역할은도 1 의제 1 층 (10) 및제 2 층 (20) 의역할과동일할수있다. [0055] [0056] [0057] [0058] [0059] [0060] 도 4에서채널층 (C2) 과소오스전극 (S2) 및드레인전극 (D2) 의위치관계는도 5와같이달라질수있다. 도 5를참조하면, 기판 (SUB2) 상에서로이격된소오스전극 (S2') 및드레인전극 (D2') 이구비될수있다. 소오스전극 (S2') 과드레인전극 (D2') 사이의기판 (SUB2) 상에두전극 (S2', D2') 에접촉된채널층 (C2') 이구비될수있다. 그러므로소오스전극 (S2') 및드레인전극 (D2') 은채널층 (C2') 의하면양단에접촉될수있다. 채널층 (C2') 은제2층 (22') 및제1층 (11') 이적층된구조를가질수있다. 제1층 (11') 및제2층 (22') 은각각도 4의제1층 (11) 및제2층 (22) 과동일한물질로구성될수있다. 그러므로제1층 (11') 은도전체일수있고, 제2층 (22') 은반도체일수있다. 채널층 (C2') 과소오스전극 (S2') 및드레인전극 (D2') 사이의위치관계를제외하면, 도 5의구조는도 4와동일할수있다. 도 6a 내지도 6d는본발명의실시예에따른트랜지스터의제조방법을보여준다. 본실시예는바텀 (bottom) 게이트구조의박막트랜지스터의제조방법이다. 도 1과도 6a 내지도 6d에서동일한참조번호는동일한구성요소를나타낸다. 도 6a를참조하면, 기판 (SUB1) 상에게이트 (G1) 를형성하고, 게이트 (G1) 를덮는게이트절연층 (GI1) 을형성할수있다. 게이트절연층 (GI1) 은실리콘산화물또는실리콘질화물로형성하거나, 그밖의다른물질, 예컨대, 실리콘질화물보다유전상수가큰고유전물질로형성할수도있다. 게이트절연층 (GI1) 은단층또는다층구조로형성할수있다. 도 6b를참조하면, 게이트절연층 (GI1) 상에다층구조를갖는채널용산화물박막을형성할수있다. 예컨대, 제1산화물층 ( 이하, 제1층 )(10) 과제2산화물층 ( 이하, 제2층 )(20) 을순차로형성할수있다. 제1층 (10) 및제2층 (20) 은스퍼터링 (sputtering) 법또는증발 (evaporation) 법과같은물리기상증착 (physical vapor deposition)( 이하, PVD) 방법으로증착할수있다. 제1층 (10) 및제2층 (20) 은동일계열의산화물 ( 금속산화물 ) 로형성할수있다. 이때, 제1층 (10) 과제2층 (20) 의금속성분 (metal composition) 은동일할수있다. 또한제1층 (10) 과제2층 (20) 의금속원소농도는서로동일하거나유사할수있다. 예를들어, 제1층 (10) 및제2층 (20) 은 ZnO 계열또는 InO 계열의산화물로형성할수있다. 제1층 (10) 및제2층 (20) 을 ZnO 계열의산화물로형성하는경우, 상기 ZnO 계열의산화물은 In, Ga 및 Al과같은 13족원소, Sn 및 Si와같은 14족원소, Zr, Hf 및 Ti와같은 4족원소 ( 전이금속 ), Mg와같은 2족원소, Y 및 La과같은 3족원소 ( 전이금속 ), Cu와같은 11족원소 ( 전이금속 ), 그리고, Ta, Cr 등그밖의전이금속으로구성된그룹에서선택된적어도하나의원소를더포함할수있다. 구체적인예로, 제1층 (10) 및제2층 (20) 은 GaInZnO, HfInZnO, ZrInZnO, MgInZnO, LaInZnO, AlInZnO, SiInZnO, CuInZnO 등과같은 InZnO( 즉, IZO) 계열산화물또는 GaZnSnO, HfZnSnO, ZrZnSnO, MgZnSnO, LaZnSnO, AlZnSnO, SiZnSnO, CuZnSnO 등과같은 ZnSnO( 즉, ZTO) 계열산화물로형성하거나, ZnO 또는 InO 로형성할수있다. 제1층 (10) 및제2층 (20) 을동일계열의산화물로형성하는경우, 이들은서로다른산소분압에서형성할수있다. 제1층 (10) 은제1 산소분압에서형성하고, 제2층 (20) 은상기제1 산소분압보다큰제2 산소분압에서형성할수있다. 제1층 (10) 및제2층 (20) 형성시 O 2 및 Ar 을포함하는반응가스를사용할수있는데, 이때, O 2 가 스와 Ar 가스의유량비를변화시켜산소분압을조절할수있다. 제1층 (10) 은 Ar에대한 O 2 의유량비 (O 2 /Ar) 가 0 보다크고 0.1 보다작은조건으로형성할수있고, 제2층 (20) 은 Ar에대한 O 2 의유량비 (O 2 /Ar) 가 0.1 보다크거나같은조건으로형성할수있다. 이와같이, 제1층 (10) 및제2층 (20) 을서로다른산소분압에서형성함으로써제1층 (10) 및제2층 (20) 의전기적특성을다르게만들수있다. 위방법에따르면, 제1층 (10) 은 10 3 S/cm 이상의전기전도도를갖는도전체로형성할수있다. 제2층 (20) 은제1층 (10) 보다낮은전기전도도를갖는반도체로형성할수있다. 예컨대, 제2층 (20) 의전기전도도는 10-8 S/cm 이상 10 3 S/cm 미만일수있다. 제1층 (10) 의캐리어농도는 10 18 / cm3이상 10 21 / cm3이하일수있고, 제2층 (20) 의캐리어농도는 10 13 / cm3이상 10 18 / cm3미만일수있다. 제1층 (10) 의전기저항은 10 Ωcm 이하일수있고, 제2층 (20) 의전기저항은 10 Ωcm 보다클수있다. 제1층 (10) 과제2층 (20) 의산소공공 (oxygen vacancy) 농도는서로다를수있다. 제1층 (10) 의산소공공 (oxygen vacancy) 농도는제2층 (20) 의그것보다높을수있다. 제1층 (10) 의산소이온농도는제2층 (20) 의산소이온농도보다낮을수있다. 제1층 (10) 은 5?50nm 정도의두께로형성할수있고, 제2층 (20) 은 10?1000nm 정도의두께로형성할수있다. - 10 -
[0061] [0062] [0063] [0064] [0065] [0066] [0067] [0068] [0069] [0070] [0071] 제1층 (10) 과제2층 (20) 을동일계열의산화물로형성하는경우, 제1층 (10) 과제2층 (20) 을하나의스퍼터타겟 (sputter target) 을사용해서공정조건만달리하여인-시츄 (in-situ) 로형성할수있으므로, 제조공정이단순화될수있다. 따라서본실시예에따른제조방법은트랜지스터의양산및대면적화에유리할수있다. 여기서는, 공정조건중산소분압을달리하면서제1층 (10) 및제2층 (20) 을형성하는방법에대해설명하였지만, 산소분압이외에도챔버의압력이나소오스파워 (power) 등을변화시키면서물성이다른제1층 (10) 및제2층 (20) 을형성할수도있다. 산소분압의변화와더불어혹은산소분압을고정한상태에서, 챔버의압력및 / 또는소오스파워 (power) 등을변화시키면서제1층 (10) 및제2층 (20) 을형성할수있다. 또한이상에서는제1층 (10) 및제2 층 (20) 을동일계열산화물로형성하는경우에대해설명하였지만, 경우에따라서는, 제1층 (10) 및제2층 (20) 을서로다른계열의산화물로형성할수도있다. 제1층 (10) 및제2층 (20) 을패터닝하여, 도 6c에도시된바와같이, 채널층 (C1) 을형성할수있다. 패터닝된제1 층 (10) 은도 1의제1층 (10) 과동일할수있고, 패터닝된제2층 (20) 은도 1의제2층 (20) 과동일할수있다. 도 6d를참조하면, 게이트절연층 (GI1) 상에채널층 (C1) 의양단에각각접촉하고채널층 (C1) 의상부면일부를노출시키는소오스전극 (S1) 및드레인전극 (D1) 을형성할수있다. 소오스전극 (S1) 및드레인전극 (D1) 은단일층또는다중층으로형성할수있다. 필요에따라, 소오스전극 (S1) 및드레인전극 (D1) 으로커버되지않은채널층 (C 1) 의노출부를산소를포함하는플라즈마로처리할수있다. 다음, 기판 (SUB1) 상에채널층 (C1) 의상기노출된부분과, 소오스전극 (S1) 및드레인전극 (D1) 을덮는보호층 (P1) 을형성할수있다. 보호층 (P1) 은실리콘산화물층, 실리콘질화물층또는유기층이거나, 이들중적어도두개이상이적층된구조를가질수있다. 이와같은방법으로형성된트랜지스터는소정온도에서어닐링 (annealing) 할수있다. 전술한도 6a 내지도 6d의제조방법을변형하면, 도 2 및도 3의구조를얻을수있다. 도 6a 내지도 6d를참조하여설명한방법에기초하여도 2 및도 3의구조를제조하는방법은당업자가잘알수있는바, 이에대한상세할설명은생략한다. 도 7a 내지도 7d는본발명의다른실시예에따른트랜지스터의제조방법을보여준다. 본실시예는탑 (top) 게이트구조의박막트랜지스터의제조방법이다. 도 4와도 7a 내지도 7d에서동일한참조번호는동일한구성요소를나타낸다. 도 7a를참조하면, 기판 (SUB2) 상에다층구조를갖는채널용산화물박막을형성할수있다. 예컨대, 제2산화물층 ( 제2층 )(22) 과제1산화물층 ( 제1층 )(11) 을순차로형성할수있다. 제1층 (11) 및제2층 (22) 은각각도 6b의제1층 (10) 및제2층 (20) 과동일한층일수있다. 따라서, 제1층 (11) 및제2층 (22) 의물질, 형성방법및두께등은도 6b의제1층 (10) 및제2층 (20) 의그것과동일할수있다. 제1층 (11) 및제2층 (22) 을패터닝하여, 도 7b에도시된바와같은채널층 (C2) 을형성할수있다. 채널층 (C2) 은도 6c의채널층 (C1) 의역구조 (inversed structure) 를갖는다고할수있다. 도 7c를참조하면, 기판 (SUB2) 상에채널층 (C2) 의양단에각각접촉된소오스전극 (S2) 및드레인전극 (D2) 을형성할수있다. 필요에따라, 소오스전극 (S2) 및드레인전극 (D2) 으로커버되지않은채널층 (C2) 의노출부를산소를포함하는플라즈마로처리할수있다. 기판 (SUB2) 상에채널층 (C2) 의상기노출된부분과소오스전극 (S2) 및드레인전극 (D2) 을덮는게이트절연층 (GI2) 을형성할수있다. 게이트절연층 (GI2) 은도 6a의게이트절연층 (GI1) 과동일한물질로, 그와동일한구조또는역구조 (inversed structure) 로형성할수있다. 도 7d를참조하면, 게이트절연층 (GI2) 상에게이트 (G2) 를형성할수있다. 게이트 (G2) 는채널층 (C2) 위에위치하도록형성할수있다. 게이트절연층 (GI2) 상에게이트 (G2) 을덮도록보호층 (P2) 을형성할수있다. 보호층 (P2) 은도 6d의보호층 (P1) 과동일한물질및동일한적층구조로형성할수있다. 이와같은방법으로형성된트랜지스터는소정온도에서어닐링할수있다. 전술한도 7a 내지도 7d의제조방법을변형하면, 도 5의구조를얻을수있다. 도 7a 내지도 7d를참조하여설명한방법에기초하여도 5의구조를제조하는방법은당업자가잘알수있는바, 이에대한상세할설명은생략한다. 도 8은본발명의실시예에따른트랜지스터의제조방법에서채널용산화물층증착시 O 2 /Ar 유량비에따른산화 물층의전기적특성변화를보여주는그래프이다. 여기서산화물층은 HfInZnO 이었다. [0072] 도 8 을참조하면, O 2 /Ar 유량비가증가함에따라산화물층의캐리어농도는감소하고, 전기저항은증가하는것 - 11 -
을알수있다. O 2 /Ar 유량비가약 0.1 보다작을때도전체특성을갖는산화물층이형성되고, O 2 /Ar 유량비가약 0.1 이상일때반도체특성을갖는산화물층이형성된다. 그러므로도 6b 및도 7a에서제1층 (10, 11) 은 O 2 /Ar 유량비가 0 보다크고 0.1 보다작은조건으로형성할수있고, 제2층 (20, 22) 은 O 2 /Ar 유량비가 0.1 보다크거나같은조건으로형성할수있다. [0073] [0074] [0075] 도 9는본발명의실시예에따른트랜지스터의제조방법으로형성한채널층의깊이에따른산소농도의변화를보여주는그래프이다. 여기서채널층의물질은 HfInZnO 이었다. 도 9에서 A영역은반도체영역, 즉, 도 1의제2 층 (20) 에대응될수있고, B영역은도전체영역, 즉, 도 1의제1층 (10) 에대응될수있다. 도 9에서 X축은취득시간 (acquisition time)(s) 을나타낸다. 취득시간 (acquisition time) 이길수록측정깊이가깊어진다. 도 9를참조하면, 반도체영역인 A영역보다도전체영역인 B영역의산소농도가다소낮은것을알수있다. 이러한산소농도의차이는 A영역 ( 도 1의제2층 (20)) 과 B영역 ( 도 1의제1층 (10)) 의전기적특성차이를유발하는여러요인중하나일수있다. 도 10 내지도 12는본발명의실시예및비교예에따른트랜지스터의게이트전압 (V GS )-드레인전류(I DS ) 특성을 보여주는그래프이다. 여기서, 본발명의실시예에따른트랜지스터는이중층채널을포함하는도 3의구조를갖는다. 상기비교예에따른트랜지스터는단일층채널을포함하고, 그외의구성은도 3과동일하였다. 상기실시예및비교예에서채널층의물질은모두 HfInZnO 이었다. 상기실시예및비교예에서사용된채널층의특성 ( 캐리어농도 ), 두께및형성조건 (O 2 /Ar 유량비 ) 을정리하면아래의표 1과같다. [0076] 구분캐리어농도 (/ cm3 ) 두께 (nm) O 2 /Ar 유량비 비교예 ( 단일층채널 ) 실시예 ( 이중층채널 ) A B C A / B A / C 표 1 10 19 40 0.01 10 14 40 1 10 15 40 5 10 19 / 10 14 10 / 30 0.01 / 1 10 19 / 10 15 10 / 30 0.01 / 5 [0077] [0078] [0079] [0080] 도 10를참조하면, A 채널을포함하는비교예의경우, 채널층전체가도전체이므로스위칭특성이나타나지않는것을알수있다. 도 11을참조하면, A/B 채널을포함하는실시예의경우, B 채널을포함하는비교예보다높은온-커런트 (ON current) 및낮은오프-커런트 (OFF current) 를갖는것을알수있다. 이는 A/B 채널을포함하는실시예에따른트랜지스터가 B 채널을포함하는비교예에따른트랜지스터보다높은이동도 (mobility) 및높은온 / 오프전류비를갖는것을의미한다. 도 12를참조하면, A/C 채널을포함하는실시예의경우, C 채널을포함하는비교예보다높은온-커런트 (ON current) 및낮은오프-커런트 (OFF current) 를갖는것을알수있다. 이는도 11의결과와유사하다. 도 10 내지도 12의결과는아래의표 2와같이정리할수있다. [0081] 구분 이동도 ( cm2 /Vs) 문턱전압 (V) 비교예 A (conductor) ( 단일층채널 ) B 6.57-0.27 C 4.47-1.79 실시예 A / B 21.18-2.90 ( 이중층채널 ) 표 2 A / C 18.48-3.11 [0082] 위와같이, 본발명의실시예에따르면, 우수한동작특성 ( 높은이동도및높은온 / 오프전류비 ) 을갖는산화물 - 12 -
박막트랜지스터를구현할수있다. 이러한동작특성의개선중이동도의증가는도전특성을갖는제 1 층 (10) 에의한것이라여겨진다. [0083] 도 13 및도 14 는본발명의실시예에따른트랜지스터의광조사에의한게이트전압 (V GS )- 드레인전류 (I DS ) 특성 의변화를보여주는그래프이다. 상기실시예에따른트랜지스터의채널층은표 1의두가지실시예와동일하였다. 이러한실시예에따른트랜지스터에 120 lux 정도의광을조사하고, 동시에게이트, 드레인전극및소오스전극에각각 -20V, 10V 및 OV 의전압을인가하면서, 시간경과에따른각트랜지스터의특성변화를측정하였다. [0084] [0085] [0086] [0087] 도 13 및도 14를참조하면, 광조사에의한트랜지스터의특성변화가적은것을알수있다. 도 13에서 Δ V_1nA 는 1.11V 정도이고, 도 14에서 ΔV_1nA 는 0.18V 정도였다. "ΔV_1nA" 는광조사전과후의 'V_1nA' 의차이, 즉, [V_1nA( 후 )-V_1nA( 전 )] 이다. 여기서, 'V_1nA' 는소오스 / 드레인전극간 1nA 의전류가흐르게하는게이트전압을나타낸다. "ΔV_1nA" 의절대값이클수록광조사에의한트랜지스터의특성변화가크다는것이다. 도 13 및도 14의결과는본발명의실시예에따른트랜지스터의광신뢰성이우수하다는것을보여준다. 특히, 도 14의경우, ΔV_1nA 가거의 0 에가까웠다. 일반적으로산화물층을채널층으로포함하는트랜지스터의경우, 산화물이광에민감하기때문에광조사에의해특성변화가큰문제가있다. 하지만본발명의실시예에서는전기적특성이서로다른복수의산화물층을채널층으로사용함으로써, 일반적인산화물트랜지스터의신뢰성저하문제를개선할수있다. 이와같이, 본발명의실시예에따르면, 높은이동도및온 / 오프전류비를가지면서광에의한특성변화가억제된고성능 / 고신뢰성의산화물박막트랜지스터를구현할수있다. 본발명의실시예에따른트랜지스터는액정표시장치및유기발광표시장치등과같은평판표시장치에스위칭소자또는구동소자로적용될수있다. 앞서설명한바와같이, 본발명의실시예에따른트랜지스터는광에의한특성변화가적고우수한동작특성을갖기때문에, 이를평판표시장치에적용하면, 평판표시장치의신뢰성및성능을향상시킬수있다. 액정표시장치및유기발광표시장치등의구조는잘알려진바, 이들에대한자세한설명은생략한다. 본발명의실시예에따른트랜지스터는평판표시장치뿐아니라, 메모리소자및논리소자등다른전자소자분야에다양한용도로적용될수있다. 상기한설명에서많은사항이구체적으로기재되어있으나, 그들은발명의범위를한정하는것이라기보다, 구체적인실시예의예시로서해석되어야한다. 예들들어, 본발명이속하는기술분야에서통상의지식을가진자라면, 도 1 내지도 5의트랜지스터의구성요소및구조는각각다양화및변형될수있음을알수있을것이다. 구체적인예로, 채널층 (C1, C1', C2, C2') 은 3층이상의다층구조를갖거나, 그증착방향 ( 즉, 두께방향 ) 으로산소공공농도 ( 또는산소이온농도 ) 가점진적으로 (gradually) 변화되는층일수도있다. 또한, 본발명의실시예에따른트랜지스터는더블게이트구조를가질수있다. 그리고도 6a 내지도 6d 및도 7a 내지도 7d의제조방법도다양하게변화될수있다. 부가해서, 당업자라면본발명의사상 (idea) 은산화물박막트랜지스터가아닌그밖의다른트랜지스터에적용될수있음을알수있을것이다. 때문에본발명의범위는설명된실시예에의하여정하여질것이아니고특허청구범위에기재된기술적사상에의해정하여져야한다. 도면 도면 1-13 -
도면 2 도면 3 도면 4-14 -
도면 5 도면 6a 도면 6b 도면 6c - 15 -
도면 6d 도면 7a 도면 7b 도면 7c - 16 -
도면 7d 도면 8 도면 9-17 -
도면 10 도면 11-18 -
도면 12 도면 13-19 -
도면 14-20 -