説明

薄膜トランジスタ及びこれを備えた有機電界発光表示装置

【課題】亜鉛錫酸化物(ZnSnO)で実現される酸化物半導体に酸素との電気陰性度の差が大きく、原子半径がZn又はSnと類似する物質を添加して活性層を形成することで、キャリアの濃度を調節し、酸化物半導体の信頼性を向上させることで、安定した信頼性及び電気的特性を実現する薄膜トランジスタを提供する。
【解決手段】ソース/ドレイン領域及びチャネル領域で構成される活性層としての酸化物半導体層と、チャネル領域と重なる領域に形成されるゲート電極と、酸化物半導体層とゲート電極との間に形成されるゲート絶縁膜と、酸化物半導体層のソース/ドレイン領域にそれぞれ電気的に連結されるソース/ドレイン電極とが含まれ、酸化物半導体層は亜鉛錫酸化物(ZnSnO)で実現される酸化物半導体に酸素との電気陰性度の差が2以上であり、原子半径がZn又はSnと類似する物質Xが添加されて実現される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は薄膜トランジスタに関し、特に、酸化物半導体層を含む酸化物薄膜トランジスタ及びこれを備えた有機電界発光表示装置に関する。
【背景技術】
【0002】
液晶表示装置又は有機電界発光表示装置のようなアクティブマトリクス方式の平板表示装置には各画素別に少なくとも1つ以上の薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor)が備えられる。
【0003】
このとき、前記薄膜トランジスタはチャネル領域、ソース領域及びドレイン領域を提供する活性層と、チャネル領域の上部に形成され、ゲート絶縁膜により活性層と電気的に絶縁されるゲート電極とを含む。
【0004】
このようになされた薄膜トランジスタの活性層は大体非晶質シリコン(Amorphous Silicon)やポリシリコン(Poly−Silicon)のような半導体層で形成する。
【0005】
このとき、前記活性層を非晶質シリコンで形成すれば、移動度が低くて高速で動作される駆動回路の実現が難しいという短所がある。
【0006】
反面、活性層をポリシリコンで形成すれば、移動度は高いが、多結晶性に起因して閾値電圧が不均一となるという短所がある。
【0007】
一方、低温ポリシリコン(LTPS:Low Temperature Poly−Silicon)を活性層として用いる場合、高い移動度と安定したDC stabilityの長所を有しているが、大型化技術が現在として難しく、製造工程時に高価の追加の結晶化装備などが必要であり、製造コストが高いという大きな短所がある。
【0008】
このような問題を解決するために、最近はZnOとInGaZnOなどのような酸化物半導体を活性層として用いる研究が進められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】特開2007−250984号公報
【特許文献2】特開2006−005294号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
しかしながら、上述した酸化物半導体の場合、非晶質シリコンより高い移動度と低温ポリシリコンより優れた均一度などにもかかわらず、現実的な量産品の製作には問題点がある。
【0011】
即ち、TFT素子の信頼性と関連するDC stabilityが不安定であり、動作中に閾値電圧などが移動し続けて所望する素子の特性を再現し難いという短所がある。
【0012】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、ZnSnOで実現される酸化物半導体にHfなどのように酸素との電気陰性度の差が大きく、原子半径が前記Zn又はSnと類似する物質を添加して活性層を形成することで、キャリアの濃度を調節し、酸化物半導体の信頼性を向上させることにより、安定した信頼性及び電気的特性を実現する薄膜トランジスタ及びこれを備えた有機電界発光表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0013】
前記目的を達成するために、本発明の第1側面による薄膜トランジスタは、ソース/ドレイン領域及びチャネル領域で構成される活性層としての酸化物半導体層と、前記チャネル領域と重なる領域に形成されるゲート電極と、前記酸化物半導体層とゲート電極との間に形成されるゲート絶縁膜と、前記酸化物半導体層のソース/ドレイン領域にそれぞれ電気的に連結されるソース/ドレイン電極とが含まれ、前記酸化物半導体層は亜鉛錫酸化物(ZnSnO)で実現される酸化物半導体に酸素との電気陰性度の差が2以上であり、原子半径が前記Zn又はSnと類似する物質Xが添加されて実現される。
【0014】
また、前記酸化物半導体層を形成するカチオンX、Zn、Snの量を百分率に換算すると、前記Xが2〜20%で含有されるように実現される。
【0015】
更に、前記物質Xの電気陰性度は1.6未満であり、前記物質Xのイオン半径は0.007〜0.008nmであり、前記物質XはHf、Zr、Al、Mgのうち1つであることを特徴とする。
【0016】
また、前記酸化物半導体層とソース/ドレイン電極との間に保護層が形成され、前記薄膜トランジスタは下部ゲートの構造で実現されるか、上部ゲートの構造で実現される。
【0017】
更に、本発明の他の側面による有機電界発光表示装置は、データ線、走査線の交差部毎に位置し、複数の薄膜トランジスタ及び有機発光素子をそれぞれ含む画素と、複数の薄膜トランジスタを含み、前記走査線に走査信号を供給する走査駆動部と、複数の薄膜トランジスタを含み、前記データ線にデータ信号を供給するデータ駆動部とが含まれ、前記画素、走査駆動部、データ駆動部のうち少なくとも1つ以上に備えられる薄膜トランジスタが、ソース/ドレイン領域及びチャネル領域で構成される活性層としての酸化物半導体層と、前記チャネル領域と重なる領域に形成されるゲート電極と、前記酸化物半導体層とゲート電極との間に形成されるゲート絶縁膜と、前記酸化物半導体層のソース/ドレイン領域にそれぞれ電気的に連結されるソース/ドレイン電極とが含まれ、前記酸化物半導体層は亜鉛錫酸化物(ZnSnO)で実現される酸化物半導体に酸素との電気陰性度の差が2以上であり、原子半径が前記Zn又はSnと類似する物質Xが添加されて実現される。
【発明の効果】
【0018】
このような本発明によれば、ZnSnOで実現される酸化物半導体にHfなどのように酸素との電気陰性度の差が大きく、原子半径が前記Zn又はSnと類似する物質を添加して活性層を形成することで、キャリアの濃度を調節し、酸化物半導体の信頼性を向上させることにより、TFT素子の安定した信頼性及び電気的特性を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1A】本発明の実施形態による薄膜トランジスタの断面図である。
【図1B】本発明の実施形態による薄膜トランジスタの断面図である。
【図2A】ゲートDC stress下の時間によるTFT閾値電圧の変化を示すグラフである。
【図2B】本発明の実施形態による[X]ZnSnO半導体で前記Xの含有量によるTFTの閾値電圧の変化−Vthを示すグラフである。
【図2C】本発明の実施形態による[X]ZnSnO半導体で前記Xの含有量によるTFTの移動度及びS値の変化を示すグラフである。
【図3A】本発明の実施形態による有機電界発光表示装置の平面図である。
【図3B】本発明の実施形態による有機電界発光表示装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【0021】
図1A及び図1Bは、本発明の実施形態による薄膜トランジスタの断面図である。
【0022】
ここで、図1Aに示す薄膜トランジスタは、下部ゲートの構造を有し、図1Bに示す薄膜トランジスタは上部ゲートの構造を有する。
【0023】
まず、図1Aを参照すれば、基板10上にバッファ層12が形成され、前記バッファ層12上にゲート電極14が形成される。
【0024】
その後、前記ゲート電極14を含む上部には絶縁膜16が形成され、前記ゲート電極14と重なる位置の絶縁膜16上にチャネル領域18a、ソース領域18b及びドレイン領域18cを提供する活性層としての酸化物半導体層18が形成される。
【0025】
また、図示のように、前記酸化物半導体層18の上部には保護層22が形成され、前記保護層22の所定領域(ソース、ドレイン領域に対応する領域)にビアホールが形成され、前記ビアホールを介して保護層上に形成されたソース及びドレイン電極20a、20bが前記酸化物半導体層18の各ソース、ドレイン領域と接触することで、下部ゲート構造の薄膜トランジスタが完成する。
【0026】
また、図1Bを参照すれば、基板10上にバッファ層12が形成され、前記バッファ層12上にチャネル領域、ソース領域及びドレイン領域を提供する活性層としての酸化物半導体層18が形成される。
【0027】
その後、前記酸化物半導体層18上に絶縁膜16が形成され、前記酸化物半導体層のチャネル領域と重なる位置の絶縁膜上にゲート電極が形成される。
【0028】
また、図示のように、前記ゲート電極の上部には保護層22が形成され、前記保護層22と、絶縁膜16の所定領域(ソース、ドレイン領域に対応する領域)にビアホールが形成され、前記ビアホールを介して保護層上に形成されたソース及びドレイン電極20a、20bが前記酸化物半導体層18の各ソース、ドレイン領域と接触することで、上部ゲート構造の薄膜トランジスタが完成する。
【0029】
従来の場合、前記薄膜トランジスタの活性層として用いられる酸化物半導体は一般にZnO又はInGaZnOで実現されるが、このような既存の酸化物半導体の場合、TFT素子の信頼性と関連するDC stabilityが不安定であり、動作中に閾値電圧などが継続して移動して所望する素子の特性を再現し難いという短所がある。
【0030】
そのため、本発明の実施形態による酸化物半導体はこのような短所を克服するために亜鉛錫酸化物(ZnSnO)で実現される酸化物半導体に酸素との電気陰性度の差が大きく、原子半径が前記Zn又はSnと類似する物質を添加して活性層を形成することで、キャリアの濃度を調節し、酸化物半導体の信頼性を向上させることができることを特徴とする。
【0031】
即ち、図1A及び図1Bに示す本発明の実施形態による酸化物半導体は、従来のZnSnO酸化物半導体に原子半径が前記Zn又はSnと類似し、酸素との電気陰性度の差が大きい遷移金属物質Xをドーピングして前記ZnSnO酸化物半導体のキャリア濃度を調節し、前記酸化物半導体の信頼性を向上させるようにする酸化物半導体、即ち、[X]ZnSnO酸化物半導体である。
【0032】
このとき、カチオンであるX、Zn、Snの量を百分率に換算する場合、即ち、(X+Zn+Sn)を100%と仮定する場合、前記Xが2〜20%で含有されなければならず、これは前記Xが20%以上含まれる場合、薄膜トランジスタの性能低下、即ち、移動度及び閾値電圧以前の勾配を示すS値の劣化を起こす原因となるためである。
【0033】
より具体的に、前記Xの量が増加すれば、本発明の実施形態による[X]ZnSnO半導体のキャリア濃度が減少する現象が発生するが、これはXが酸素との電気陰性度の差が大きいことにより、前記酸化物半導体のマトリクス内部にある酸素と結合力を強化させて酸素vacancyなどによって生成されるキャリア濃度を下げるためである。但し、このような現象は逆に半導体自らの信頼性の向上をもたらすが、特に、DC stabilityと工程温度(400度まで可能)の2種類の信頼性向上をもたらす。
【0034】
これにより、本発明の実施形態では酸化物半導体層を形成するカチオンX、Zn、Snの量を百分率に換算すると、前記Xが2〜20%で含有されるように実現されることを特徴とし、これを介して前記本発明の実施形態による酸化物半導体層のキャリア濃度を1018/cm以下に維持し、活性層としての特性発現が可能にする。
【0035】
ここで、前記Xは前述したように、酸素との電気陰性度の差が大きく、イオン半径がZn又はSnと類似する物質で実現されなければならず、このような物質としては、代表的にHfが挙げられ、Zr、Al、Mgなどが候補群として可能である。
【0036】
より具体的に、前記Xはイオン結合性を考慮して酸素との電気陰性度の差が2以上の元素で実現されることが好ましく、このような特性は酸素が脱落し難くする役割を果たすため、酸化物半導体の信頼性を向上させることができるようになる。
【0037】
即ち、前記Xの電気陰性度は「酸素の電気陰性度(ENo)-Xの電気陰性度(Enx)≧2」の式を満足させなければならず、このとき、酸素の電気陰性度が3.5であるので、前記Xは電気陰性度が1.6未満の物質の中で選択されることが好ましい。
【0038】
また、前記物質Xのイオン半径の大きさが大きい場合、相互結合時に結晶半径の差によるlattice distortionが発生して内部strain energyが増加するようになるので、これによる結晶の不安定により酸素vacancyの発生率が増加して信頼性が低下してしまうので、前記物質Xのイオン半径大きさはZn又はSnと類似するか、小さな半径で実現されることが好ましい。
【0039】
即ち、Zn及びSnのイオン半径は約0.007〜0.008nmであるので、前記Xのイオン半径もこれと類似する物質の中で選択されることが好ましい。
【0040】
前記のような条件、即ち、電気陰性度が1.6未満であり、イオン半径が約0.007〜0.008nmの物質として代表的にHf、Zr、Al、Mgが挙げられる。
【0041】
前記のような酸化物半導体層を備えた本発明の実施形態によるTFTの特性は下記の図2A〜図2Cを介して確認できる。
【0042】
まず、図2Aは15VのゲートDC stress下の時間によるTFT閾値電圧の変化を示すグラフであって、本発明の実施形態である[X]ZnSnO半導体ZnSnO酸化物半導体を活性層として活用した薄膜トランジスタが既存の酸化物(ZnSnO、InGaZnO)薄膜トランジスタと対比してTFT素子の信頼性と関連するDC stabilityが非常に優れていることが確認できる。
【0043】
次に、図2Bは、本発明の実施形態による[X]ZnSnO半導体における前記Xの含有量によるTFTの閾値電圧の変化−Vthを示すグラフであり、図2Cは、本発明の実施形態による[X]ZnSnO半導体における前記Xの含有量によるTFTの移動度及びS値の変化を示すグラフである。ここで、前記XはHfであることをその例とする。
【0044】
図2B及び図2Cを参照すれば、前記Xの含有量が増加するほど閾値電圧の変化は減少して信頼性は改善されるが、その反面、移動度及びS値は劣化することが確認できる。
【0045】
これにより、本発明の実施形態では前記Xの含有量を2〜20%で実現することを特徴とし、前記範囲に該当する場合、TFTの信頼性を改善すると同時に、TFTとして動作可能な特性(移動度、S値)を確保できる。
【0046】
即ち、Xの含有量が2%である場合、図2Bに示すように、-Vthは12.21[V]であって、Xが含有されない場合である16.16[V]と比較すると、かなりの信頼性改善の効果を達成でき、前記Xの含有量が20%である場合は-Vthが1.60[V]であって、信頼性の改善を最大化できることが確認できる。
【0047】
反面、図2Cを参照すれば、Xの含有量が20%である場合、移動度及びS値がそれぞれ0.28[cm/Vs]、2.11[dec/V]であって、Xがそれ以上含有される場合、TFTとしての特性が確保し難くなることが確認できる。
【0048】
図3Aは、本発明の実施形態による有機電界発光表示装置の平面図である。図3Bは、本発明の実施形態による有機電界発光表示装置の断面図である。
【0049】
即ち、前述した図1を介して説明した本発明の実施形態による薄膜トランジスタを備えた平板表示装置の一実施形態として有機電界発光表示装置を説明する。
【0050】
図3Aを参照すれば、基板210は、画素領域220と、画素領域220を取り囲む非画素領域230で定義される。画素領域220の基板210には走査線224及びデータ線226の間にマトリクス方式で連結された多数の画素300が形成され、非画素領域230の基板210には画素領域220の走査線224及びデータ線226から延びた走査線224及びデータ線226、各画素300の動作のための電源供給ライン(図示せず)、そしてパッド228を介して外部から提供された信号を処理して走査線224及びデータ線226に供給する走査駆動部234及びデータ駆動部236が形成される。
【0051】
このとき、前記それぞれの画素300は多数の薄膜トランジスタを含む画素回路と、画素回路に連結された有機発光素子OLEDで構成され、前記走査駆動部234及びデータ駆動部236も多数の薄膜トランジスタを含む回路で構成される。
【0052】
また、図3Bを参照すれば、前記のように、画素300が形成された基板210の上部には画素領域220を封止させるための封止基板400が配置され、封止材410により封止基板400が基板210に貼り合わされて表示パネル200が完成する。
【0053】
このとき、基板210上に形成された多数の画素300及び走査駆動部234、データ駆動部236は多数の薄膜トランジスタを含んで構成されるが、本発明の実施形態は、前記画素300、走査駆動部234、データ駆動部236のうち少なくとも1つ以上に備えられる薄膜トランジスタが前述した図1及び図2を介して説明した本発明の実施形態による酸化物薄膜トランジスタで実現されることを特徴とする。
【0054】
即ち、本発明の実施形態による有機電界発光表示装置は、画素300、走査駆動部234及び/又はデータ駆動部236に備えられる薄膜トランジスタを、XZnSnOで実現される酸化物半導体を有する薄膜トランジスタとして採用することにより、更に安定した動作を行う有機電界発光表示装置を実現できるようになる。
【0055】
また、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【0056】
10 基板
12 バッファ層
14 ゲート電極
16 絶縁膜
18a チャネル領域
18b ソース領域
18c ドレイン領域
18 酸化物半導体層
22 保護層
20a、20b ソース及びドレイン電極



【特許請求の範囲】
【請求項1】
ソース/ドレイン領域及びチャネル領域で構成される活性層としての酸化物半導体層と、
前記チャネル領域と重なる領域に形成されるゲート電極と、
前記酸化物半導体層とゲート電極との間に形成されるゲート絶縁膜と、
前記酸化物半導体層のソース/ドレイン領域にそれぞれ電気的に連結されるソース/ドレイン電極とが含まれ、
前記酸化物半導体層は亜鉛錫酸化物(ZnSnO)で実現される酸化物半導体に酸素との電気陰性度の差が2以上であり、原子半径が前記Zn又はSnと類似する物質Xが添加されて実現されることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項2】
前記酸化物半導体層を形成するカチオンX、Zn、Snの量を百分率に換算すると、前記Xが2〜20%で含有されるように実現されることを特徴とする請求項1に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項3】
前記物質Xの電気陰性度は1.6未満であることを特徴とする請求項1または2に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項4】
前記物質Xのイオン半径は0.007〜0.008nmであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項5】
前記物質XはHf、Zr、Al、Mgのうちの1つであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項6】
前記酸化物半導体層とソース/ドレイン電極との間に保護層が形成されることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項7】
前記薄膜トランジスタは下部ゲートの構造で実現されることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項8】
前記薄膜トランジスタは上部ゲート構造で実現されることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ。
【請求項9】
データ線、走査線の交差部毎に位置し、複数の薄膜トランジスタ及び有機発光素子をそれぞれ含む画素と、
複数の薄膜トランジスタを含み、前記走査線に走査信号を供給する走査駆動部と、
複数の薄膜トランジスタを含み、前記データ線にデータ信号を供給するデータ駆動部とが含まれ、
前記画素、走査駆動部、データ駆動部のうち少なくとも1つ以上に備えられる薄膜トランジスタが、
ソース/ドレイン領域及びチャネル領域で構成される活性層としての酸化物半導体層と、
前記チャネル領域と重なる領域に形成されるゲート電極と、
前記酸化物半導体層とゲート電極との間に形成されるゲート絶縁膜と、
前記酸化物半導体層のソース/ドレイン領域にそれぞれ電気的に連結されるソース/ドレイン電極とが含まれ、
前記酸化物半導体層は亜鉛錫酸化物(ZnSnO)で実現される酸化物半導体に酸素との電気陰性度の差が2以上であり、原子半径が前記Zn又はSnと類似する物質Xが添加されて実現されることを特徴とする有機電界発光表示装置。
【請求項10】
前記酸化物半導体層を形成するカチオンX、Zn、Snの量を百分率に換算すると、前記Xが2〜20%で含有されるように実現されることを特徴とする請求項9に記載の有機電界発光表示装置。
【請求項11】
前記物質Xの電気陰性度は1.6未満であることを特徴とする請求項9または10に記載の有機電界発光表示装置。
【請求項12】
前記物質Xのイオン半径は0.007〜0.008nmであることを特徴とする請求項9〜11のいずれか1項に記載の有機電界発光表示装置。
【請求項13】
前記物質XはHf、Zr、Al、Mgのうちの1つであることを特徴とする請求項9〜12のいずれか1項に記載の有機電界発光表示装置。



【図1A】
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【図1B】
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【図2A】
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【図2B】
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【図2C】
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【図3A】
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【図3B】
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【公開番号】特開2011−103433(P2011−103433A)
【公開日】平成23年5月26日(2011.5.26)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−116312(P2010−116312)
【出願日】平成22年5月20日(2010.5.20)
【出願人】(308040351)三星モバイルディスプレイ株式會社 (764)
【Fターム(参考)】