説明

薄膜トランジスタ及びその製造方法

【課題】キャリアの移動を円滑にした薄膜トランジスタ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】基板31の上に酸化膜32を介して形成されたゲート33と、ゲート33の上にゲート絶縁層34を介して形成されたチャネル35と、チャネル35表面にソース36a及びドレイン36bと離隔して形成され、キャリアの移動を円滑にするフローティングチャネル37と、を備えることができ、フローティングチャネル37上にソース36aまたはドレイン36bとの間隔を制御するための絶縁層38をさらに備えることができる薄膜トランジスタ。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、薄膜トランジスタ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
現在薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor:TFT)は、多様な応用分野に用いられており、特に、ディスプレイ分野でスイッチング及び駆動素子として用いられており、クロスポイント型メモリ素子の選択スイッチとして使われている。
【0003】
ディスプレイの駆動及びスイッチング素子として使われるものとして、非晶質シリコンTFT(a−Si TFT)がある。これは、低コストで2mを超える大型基板上に均一に形成されうる素子であって、現在最も広く使われている素子である。しかし、ディスプレイの大型化及び高画質化の勢いによって素子性能も高性能化が求められており、移動度0.5cm/Vsレベルの既存のa−Si TFTは限界に至ると判断される。またa−Si TFTは、通例的に300℃ほどの高温環境で工程を行わねばならない制限があって、フレキシブルディスプレイを具現するためのポリマー基板などには適用し難いという問題点があった。
【0004】
したがって、a−Si TFTを代替できる多様なTFTの開発がなされている。
【0005】
多結晶シリコンTFT(poly−Si TFT)は数十〜数百cm/Vsの高い移動度を持つため、既存のa−Si TFTで実現し難かった高画質ディスプレイに適用できる性能を持つ。また、a−Si TFTに比べて素子特性劣化問題が非常に少ない。しかし、製造装備の限界や均一度不良などの技術的な問題で大型化が困難である。
【0006】
酸化物半導体は非晶質状であるため、大面積化が容易でありつつa−Si TFTより高い移動度を持つため、a−Si TFTを代替する次世代TFTとして注目されている。しかし、酸化物半導体は、プラズマによる損傷、及び水分や酸素の吸着などの外部環境による物質の電気的特性変化が発生しうる。
【0007】
有機TFT(Organic Thin Film Transistor:OTFT)は、既存のシリコンTFTと比較する時、プラズマを用いた化学蒸着(Plasma−Enhanced Chemical Vapor Deposition:PECVD)ではない常圧のウェット工程による半導体層の形成が可能であり、必要に応じて、全体がプラスチック基板を用いた連続工程(roll to roll)により達成され、低コストのトランジスタを具現できるという大きい長所がある。しかし、シリコンTFTと比べると電荷移動度が低くて漏れ電流値が大きい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明の一実施形態では、TFT及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0009】
ソース及びドレインと、前記ソースと前記ドレインとの間に形成されたチャネルと、前記チャネル上部または下部に、前記ソース及び前記ドレインと離隔して形成されたフローティングチャネルと、を備えるTFTを提供する。
【0010】
前記チャネルに対応するように基板上に形成されたゲートをさらに備える。
【0011】
前記ゲートと前記チャネルとの間に形成されたゲート絶縁層をさらに備える。
【0012】
前記フローティングチャネル上に形成された絶縁層をさらに備える。
【0013】
前記ソースまたは前記ドレインのうち少なくとも一つは、前記絶縁層の端部及び前記チャネルの端部と接触する。
【0014】
前記フローティングチャネルと前記ソースまたは前記ドレインとの間の離隔間隔は、前記絶縁層の厚さと対応する。
【0015】
前記ゲートと前記チャネルとの間に形成されたゲート絶縁層をさらに備える。
【0016】
前記チャネルは酸化物を含む。
【0017】
前記フローティングチャネル、前記ソースと前記ドレインとは同じ伝導性物質で形成される。
【0018】
前記フローティングチャネルは、金属、金属合金、金属酸化物、金属間化合物、伝導性高分子、不純物がドーピングされた半導体、炭素ナノチューブ及びグラフェンからなるグループから選択されたいずれか一つまたは二つ以上の組み合わせで形成される物質で形成される。
【0019】
前記フローティングチャネルの抵抗が前記チャネルのオン状態の抵抗より小さい。
【0020】
また開示された実施形態では、ソース及びドレインと、前記ソースと前記ドレインとの間に形成されたチャネルと、前記チャネルに対応するように基板上に形成されたゲートと、前記ゲートと前記チャネルとの間に形成されたゲート絶縁層と、前記チャネルの上部または下部に、前記ソース及び前記ドレインと離隔して形成されたフローティングチャネルと、を備え、前記フローティングチャネルは、キャリアの移動を円滑にして効率的なトランジスタの具現を可能にしていることを特徴とするTFTを提供する。
【0021】
前記フローティングチャネル上に形成された絶縁層をさらに備える。
【0022】
前記ソースまたは前記ドレインのうち少なくとも一つは、前記絶縁層の端部及び前記チャネルの端部と接触する。
【0023】
前記フローティングチャネルと前記ソースまたは前記ドレインとの間の離隔間隔は、前記絶縁層の厚さと対応する。
【0024】
前記チャネルは酸化物を含む。
【0025】
前記フローティングチャネル、前記ソースと前記ドレインとは同じ伝導性物質で形成される。
【0026】
前記フローティングチャネルの抵抗が前記チャネルのオン状態の抵抗より小さい。
【0027】
また開示された実施形態では、基板上にゲート及びゲート絶縁層を形成する段階と、前記ゲート絶縁層上にチャネルを形成する段階と、前記ゲート絶縁層と前記チャネルとを覆うように導電層を形成する段階と、前記チャネルの両側部とそれぞれ接触して形成されたソース及びドレインを形成し、前記ソース及び前記ドレインと離隔して形成されたフローティングチャネルを形成する段階と、を含むTFTの製造方法を提供する。
【0028】
前記フローティングチャネル、前記ソースと前記ドレインとは同じ伝導性物質で形成されて、同じパターニングプロセスを通じて形成される。
【0029】
前記ソース及びドレインと前記フローティングチャネルとの間に形成される絶縁層を形成する段階をさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【図1】本発明の実施形態による酸化物TFTを示した断面図である。
【図2A】本発明の実施形態による酸化物TFTの製造方法を示す図面である。
【図2B】本発明の実施形態による酸化物TFTの製造方法を示す図面である。
【図2C】本発明の実施形態による酸化物TFTの製造方法を示す図面である。
【図2D】本発明の実施形態による酸化物TFTの製造方法を示す図面である。
【図2E】本発明の実施形態による酸化物TFTの製造方法を示す図面である。
【図3】本発明の他の実施形態による酸化物TFTを示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0031】
以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図面で同じ参照符号は同じ構成要素を称し、各構成要素のサイズや厚さは、説明の明瞭性のため誇張していることがある。
【0032】
図1は、本発明の実施形態によるTFTの構造を概略的に示した断面図である。図1では、ボトムゲート型TFTを示したが、本発明の実施形態によるTFTは、トップゲート型及びボトムゲート型TFTにいずれも適用されうる。
【0033】
図1を参照すれば、本発明の実施形態によるTFTは、基板11の一領域上に形成されたゲート13、基板11及びゲート13上に形成されたゲート絶縁層14を備えることができる。基板11がSiで形成された場合、Si表面に熱酸化工程による酸化層12をさらに備えることができる。そして、ゲート13に対応するゲート絶縁層14上にはチャネル15が形成されており、チャネル15の両側部及びゲート絶縁層14上にはソース16a及びドレイン16bが形成されうる。そして、前記チャネル15の表面には、前記ソース16a及びドレイン16bと離隔してフローティングチャネル17が形成されうる。
【0034】
前記基板11は、一般的な半導体素子に使われる基板を使用でき、例えば、シリコン、ガラスまたは有機物材料を使用できる。基板11の表面に形成された酸化層12は、例えば、シリコン基板を熱酸化して形成されたSiOでありうる。
【0035】
ゲート13は、伝導性物質を使用して形成されたものであり、例えば、Ti、Pt、Ru、Au、Ag、Mo、Al、WまたはCuなどの金属またはIZO(InZnO)またはAZO(AlZnO)などの伝導性酸化物でありうる。ゲート絶縁層14は、通例的な半導体素子に使われる絶縁物質を使用して形成されたものでありうる。具体的に、SiOまたはSiOより誘電率の高いHigh−K物質であるHfO、Al、Siまたはこれらの混合物を使用できる。
【0036】
チャネル15は、一般的な半導体物質を使用して形成されたものであり、例えば酸化物半導体、有機半導体、C、Si、Ge、SiGe、GaN、GaAs、InSb、InP、CdSなどの3族、4族、5族半導体及びその化合物、炭素ナノチューブ、グラフェンなどを使用して形成できる。
【0037】
ソース16a及びドレイン16bは、伝導性物質を使用して形成されたものであり、例えば、Ti、Pt、Ru、Au、Ag、Mo、Al、WまたはCuなどの金属またはIZO(InZnO)またはAZO(AlZnO)などの伝導性酸化物などを使用できる。
【0038】
フローティングチャネル17は、一般的な伝導性物質を使用して形成されたものであり、ソース16a及びドレイン16bと同一物質で形成されたものでありうる。例えば、金属及び金属の合金、金属酸化物(ITO、IZOなど)、金属間化合物、伝導性高分子、不純物がドーピングされた半導体、炭素ナノチューブまたはグラフェンなどを使用できる。チャネル15の両側部がソース16a及びドレイン16bと隣接しているのに対して、フローティングチャネル17は両側部がソース16a及びドレイン16bと離隔して形成される。したがって、フローティングチャネルはオフ状態を別途に調節する必要がない。
【0039】
本実施形態で、前記フローティングチャネル17の抵抗は、チャネル15のオン状態の抵抗より小さい。この場合、キャリアの移動が抵抗の低いフローティングチャネル17を通じて主に行われるので、チャネル15のみを使用した時より効率的なトランジスタ具現が可能である。例えば、チャネルを酸化物で形成した場合、酸化物半導体の特性のため、チャネル長が短くなるほどソースとドレインとの間の電界が増大し、TFTのしきい電圧が負の方向に移動して、一般的なTFT駆動の範囲を超えるという問題が発生する。これを防止するためには、TFTのチャネル長を増大させねばならないが、そのようになれば、TFTの電流(On Current、Ion)が低減するという問題が発生する。しかし、本発明の実施形態のように、オン状態のチャネルより抵抗の小さなフローティングチャネル17を形成すれば、フローティングチャネル17は抵抗が低いため、TFTの長さが増大しても電流が低減しない。したがって、TFTのチャネル長を増大または維持させて正のしきい電圧を得ることができ、かつ同時に有効チャネル長を減少させて高い電流値及び高移動度を得ることができる。参考までに、ここでチャネル長とは、ソース16aとドレイン16bとの間の距離を意味する。
【0040】
また有機物をチャネルとして使用する場合、一般的にプリンティング工程を通じて有機半導体層を形成できる。この時、プリンティング工程の解像度限界のためチャネル長を縮めることができないので、TFTの電流(Ion)が減少するという問題が発生する。本発明の実施形態のようにフローティングチャネル17を形成すれば、フローティングチャネル17は抵抗が低いため、TFTのチャネル長が増大しても電流が減少せずに高い電流値を得ることができる。
【0041】
以下、図2Aないし図2Eを参照して本発明の一実施形態による酸化物TFTの製造方法について説明する。
【0042】
図2Aを参照すれば、まず基板11を用意する。基板11は、シリコン、ガラスまたはプラスチックなどを主に使用でき、これに限定されるものではない。シリコンを基板11として使用する場合、熱酸化工程により基板11の表面に絶縁層12、例えば、SiOを形成できる。そして、基板11上に金属または伝導性金属酸化物などの伝導性物質13aを塗布する。
【0043】
図2Bを参照すれば、伝導性物質13aをパターニングすることでゲート13を形成する。図2Cを参照すれば、ゲート13の上部に絶縁物質を塗布し、かつパターニングしてゲート絶縁層14を形成する。ゲート絶縁層は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、ハフニウム(Hf)酸化物、アルミニウム酸化物またはハフニウム酸化物及びアルミニウム酸化物の混合物で形成できる。
【0044】
図2Dを参照すれば、ゲート絶縁層14上にチャネル物質をパターニングすることでチャネル15を形成する。チャネルを形成する方法は、チャネル物質をPVD、CVDまたはALDなどの工程で塗布した後、ゲート13に対応するゲート絶縁層14上にチャネル物質が残留するようにパターニングするか、プリンティングなどを通じて該当位置にチャネルを直接形成できる。
【0045】
図2Eを参照すれば、金属または伝導性金属酸化物などの物質をチャネル15及びゲート絶縁層14上に塗布した後、パターニングすることでソース16a及びドレイン16bとフローティングチャネル17とを形成する。ここで、フローティングチャネル17をソース16a及びドレイン16bと同じ物質で形成する場合、フローティングチャネル17とソース16a及びドレイン16bとを共に同じパターニングプロセスを通じて形成できる。
【0046】
最後に、400℃以下、例えば、約300℃の温度で一般的な炉(furnace)、RTA(Rapid Thermal Annealing)、レーザーまたはホットプレートなどを用いて熱処理工程を行って、酸化物TFTを形成できる。
【0047】
図3は、本発明の他の実施形態による酸化物TFTを示した断面図である。ここでは、ボトムゲート構造のTFTを示したが、トップゲート型及びボトムゲート型TFTにいずれも適用されうる。
【0048】
図3を参照すれば、基板31の一領域上にゲート33、基板31及びゲート33上にはゲート絶縁層34が形成されうる。基板31がシリコンで形成された場合、シリコン表面に熱酸化工程により形成されたシリコン酸化層32をさらに備えることができる。ゲート絶縁層34上の一領域、例えば、ゲート33に対応するゲート絶縁層34上にはチャネル35が形成され、チャネル35の両側部にはソース36a及びドレイン36bが形成されうる。チャネル35の表面にはフローティングチャネル37がさらに形成されうるが、ここで、フローティングチャネル37は、チャネル35より狭い幅を持つように形成され、ソース36a及びドレイン36bと一定間隔dほど離隔して形成されうる。
【0049】
フローティングチャネル37とソース36a、またはフローティングチャネル37とドレイン36bとの間隔dは数nmないし数百nm間隔で調節でき、特に、短い間隔を確保するためにフローティングチャネル37上に絶縁層38をさらに形成できる。ソース36aまたはドレイン36bのうち少なくとも一つは、絶縁層38の端部及びチャネル35の端部と接触するように形成できる。図3に示したように、フローティングチャネル37とソース36aまたはドレイン36bとの間隔dは、実質的に絶縁層38の厚さに対応するということが分かる。
【0050】
絶縁層38を数nmないし数百nmの厚さに形成することでフローティングチャネル37とソース36bまたはドレイン36bとの間隔を制御でき、図1に示した実施形態に比べてチャネル長をさらに短く形成できて、オン電流及びチャネル移動度を向上させることができる。
【0051】
図3に示した基板31、酸化層32、ゲート33、ゲート絶縁層34、チャネル35、ソース36a、ドレイン36b及びフローティングチャネル37は、前記図1の説明に示した同じ名称を持つ構成要素の材料を同一に使用できる。そして絶縁層38は、一般的な半導体素子に使われる絶縁物質を使用して形成されたものであり、例えば、シリコン酸化物、シリコン窒化物、high−k物質またはそれらの混合物などを制限なしに使用できる。
【0052】
図3に示した酸化物TFTを製造する工程は、図2Aないし図2Dの製造方法をそのまま適用でき、チャネル35を形成した後、チャネル35上に金属または伝導性金属酸化物などの物質を塗布した後、パターニングしてフローティングチャネル37を先ず形成する。そして、フローティングチャネル37上に数nmないし数百nm厚さの絶縁物質を、前記フローティングチャネル37を取り囲むように塗布して絶縁層38を形成する。そして、ゲート絶縁層34、チャネル35及び絶縁層38上に金属または伝導性金属酸化物などの物質を塗布した後、パターニングしてソース36a及びドレイン36bを形成できる。
【0053】
開示された実施形態によれば、TFTの全体チャネル長を増大または保持して正のしきい電圧を得ることができ、かつ同時に有効チャネル長を減少させて高い電流値を得ることができる高移動度の酸化物TFTを提供できる。
【0054】
前述したような実施形態を通じて、当業者ならば、本発明の技術的思想によりLCD、OLEDなどの平板ディスプレイの駆動トランジスタ、メモリ素子の周辺回路構成のためのトランジスタなどの多様な電子素子を製造できるであろう。本発明の実施形態によるTFTは、ボトムゲート型またはトップゲート型として使われうる。結果的に、本発明の範囲は説明された実施形態によって定められるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想により定められねばならない。
【産業上の利用可能性】
【0055】
本発明は、薄膜トランジスタ関連の技術分野に好適に用いられる。
【符号の説明】
【0056】
11、31 基板
12、32 酸化層
13、33 ゲート
14、34 ゲート絶縁層
15、35 チャネル
16a、36a ソース
16b、36b ドレイン
17、37 フローティングチャネル
38 絶縁層

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ソース及びドレインと、
前記ソースと前記ドレインとの間に形成されたチャネルと、
前記チャネル上部または下部に、前記ソース及び前記ドレインと離隔して形成されたフローティングチャネルと、を備えるTFT。
【請求項2】
前記チャネルに対応するように基板上に形成されたゲートをさらに備える請求項1に記載のTFT。
【請求項3】
前記ゲートと前記チャネルとの間に形成されたゲート絶縁層をさらに備える請求項2に記載のTFT。
【請求項4】
前記フローティングチャネル上に形成された絶縁層をさらに備える請求項1に記載のTFT。
【請求項5】
前記ソースまたは前記ドレインのうち少なくとも一つは、前記絶縁層の端部及び前記チャネルの端部と接触することを特徴とする請求項4に記載のTFT。
【請求項6】
前記フローティングチャネルと前記ソースまたは前記ドレインとの間の離隔間隔は、前記絶縁層の厚さと対応することを特徴とする請求項4に記載のTFT。
【請求項7】
前記ゲートと前記チャネルとの間に形成されたゲート絶縁層をさらに備える請求項4に記載のTFT。
【請求項8】
前記チャネルは酸化物を含むことを特徴とする請求項1に記載のTFT。
【請求項9】
前記フローティングチャネル、前記ソースと前記ドレインとは同じ伝導性物質で形成されたことを特徴とする請求項1に記載のTFT。
【請求項10】
前記フローティングチャネルは、金属、金属合金、金属酸化物、金属間化合物、伝導性高分子、不純物がドーピングされた半導体、炭素ナノチューブ及びグラフェンからなるグループから選択されたいずれか一つまたは二つ以上の組み合わせで形成される物質で形成されたことを特徴とする請求項1に記載のTFT。
【請求項11】
前記フローティングチャネルの抵抗が前記チャネルのオン状態の抵抗より小さいことを特徴とする請求項1に記載のTFT。
【請求項12】
ソース及びドレインと、
前記ソースと前記ドレインとの間に形成されたチャネルと、
前記チャネルに対応するように基板上に形成されたゲートと、
前記ゲートと前記チャネルとの間に形成されたゲート絶縁層と、
前記チャネルの上部または下部に、前記ソース及び前記ドレインと離隔して形成されたフローティングチャネルと、を備え、
前記フローティングチャネルは、キャリアの移動を円滑にして効率的なトランジスタの具現を可能にしていることを特徴とするTFT。
【請求項13】
前記フローティングチャネル上に形成された絶縁層をさらに備える請求項12に記載のTFT。
【請求項14】
前記ソースまたは前記ドレインのうち少なくとも一つは、前記絶縁層の端部及び前記チャネルの端部と接触することを特徴とする請求項13に記載のTFT。
【請求項15】
前記フローティングチャネルと前記ソースまたは前記ドレインとの間の離隔間隔は、前記絶縁層の厚さと対応することを特徴とする請求項13に記載のTFT。
【請求項16】
前記チャネルは酸化物を含むことを特徴とする請求項12に記載のTFT。
【請求項17】
前記フローティングチャネル、前記ソースと前記ドレインとは同じ伝導性物質で形成されたことを特徴とする請求項12に記載のTFT。
【請求項18】
前記フローティングチャネルの抵抗が前記チャネルのオン状態の抵抗より小さいことを特徴とする請求項12に記載のTFT。
【請求項19】
基板上にゲート及びゲート絶縁層を形成する段階と、
前記ゲート絶縁層上にチャネルを形成する段階と、
前記ゲート絶縁層と前記チャネルとを覆うように導電層を形成する段階と、
前記チャネルの両側部とそれぞれ接触して形成されたソース及びドレインを形成し、
前記ソース及び前記ドレインと離隔して形成されたフローティングチャネルを形成する段階と、を含むTFTの製造方法。
【請求項20】
前記フローティングチャネル、前記ソースと前記ドレインとは同じ伝導性物質で形成されて、同じパターニングプロセスを通じて形成されることを特徴とする請求項19に記載のTFTの製造方法。
【請求項21】
前記ソース及びドレインと前記フローティングチャネルとの間に形成される絶縁層を形成する段階をさらに含む請求項19に記載のTFTの製造方法。

【図1】
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【図2A】
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【図2B】
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【図2C】
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【図2D】
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【図2E】
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【図3】
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【公開番号】特開2011−155263(P2011−155263A)
【公開日】平成23年8月11日(2011.8.11)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−13856(P2011−13856)
【出願日】平成23年1月26日(2011.1.26)
【出願人】(390019839)三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Samsung Electronics Co.,Ltd.
【住所又は居所原語表記】416,Maetan−dong,Yeongtong−gu,Suwon−si,Gyeonggi−do,Republic of Korea
【Fターム(参考)】