N型およびP型カルコゲニド素材の製造方法、カルコゲニド薄膜型トランジスタおよびその製作方法
【課題】n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を製造する方法、n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を用いてカルコゲニド薄膜トランジスタを製造する方法を提供する。
【解決手段】基板上にチャネル層を構成するn型カルコゲニド層を形成するステップと;n型カルコゲニド層の上部に拡散防止層を形成し、拡散防止層をパターニングするステップ;およびn型カルコゲニド層にTe合金を蒸着し拡散させ、ソースおよびドレイン領域を構成するp型カルコゲニド層を形成するステップを含む。
【解決手段】基板上にチャネル層を構成するn型カルコゲニド層を形成するステップと;n型カルコゲニド層の上部に拡散防止層を形成し、拡散防止層をパターニングするステップ;およびn型カルコゲニド層にTe合金を蒸着し拡散させ、ソースおよびドレイン領域を構成するp型カルコゲニド層を形成するステップを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、n型およびp型カルコゲニド素材を製造する方法、カルコゲニド薄膜トランジスタおよびその製造方法に関するものである。より詳しくは、n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を製造する方法、n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を用いてカルコゲニド薄膜トランジスタを製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
一般的に、情報通信技術が発達するに伴い、高速処理および大容量格納などの技術発展も共になされる。情報格納に用いられる素子としては、CD、DVDと知られている光情報格納素子、およびDRAMなどの電気メモリ素子が挙げられる。情報格納および処理分野に用いられる素子としてはフォト薄膜トランジスタやCMOSイメージセンサが挙げられる。フォト薄膜トランジスタは通常CMOS工程を用いて製造することができる。
【0003】
周期律表上のカルコゲニド(CHALCOGENIDE)系の元素を含むGeTe−Sb2Te3(Ge2Sb2Te5:GST)の固有な元素の性質を利用すれば、相対的に高効率の光伝導性を有する低価の低温工程の光伝導性薄膜型トランジスタ(PHOTO−TFT)を製作することができる。また、カルコゲニド系の元素を含む非晶質相のゲルマニウム・アンチモン・テルライド(Ge2Sb2Te5)物質の孤立電子対状態(state)による電荷濃度と同一物質Ge2Sb2Te5の空っぽ状態(vacancy state)による電荷濃度との差によって発生する電位障壁(potential barrier)形成原理から予測されるダイオード機能を用いて無ドーピング薄膜型カルコゲニドトランジスタを製作することができる。
【0004】
しかし、本発明のように、周期律表に基づいたカルコゲニド系の元素を含むGe2Sb2Te5に酸素(O2)を添加してn型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を製造する方法、製造されたn型カルコゲニド素材とp型カルコゲニドを用いて薄膜型トランジスタを製作する方法については公示されていない。
【0005】
Ge2Sb2Te5を用いて研究してきた光情報格納の光記録素材、次世代不揮発性メモリに対する従来技術を見ると次の通りである。
【0006】
非特許文獻1は、Ge2Sb2Te5を非晶質相から結晶質相に、結晶質相から非晶質相に、どれくらいの光を照射すると相が変化し、このような相変化の結果を利用すれば光学的に構成された光ピックアップを用いて光情報格納に応用できるかに関するものである。
【0007】
さらに、Ge2Sb2Te5系の相変化素材を初めて提案した提案者であるOvsinskyによって提案されたものであり、相変化を用いた不揮発性メモリ(PRAM)に関する内容であって、相変化現象を電気メモリに用いた方法に関するものもある。この技術は結晶質相が相互移動して表すスイッチ現象を電気メモリに適用した方法であって、メモリに関するものである。
【0008】
非特許文獻2は、Ge2Sb2Te5を用いて電気メモリトランジスタを製作して特性を測定した結果を発表した論文に関するものである。基本的に、前述した非特許文獻1から取った相変化メカニズムを用いた方法に該当し、結晶質相または非晶質相へ状態を相互移動して表すスイッチ現象をメモリとTFTに適用したものである。
【0009】
カルコゲニド素材は原子構造の固有な特性によって典型的なp型伝導度を有する素材と知られている。p型伝導度を示すようにする主な要因はバンドギャップ内の空っぽ状態(vacancy state)によって発生すると知られており、このような原子構造の固有な特性によって現在までn型カルコゲニド素材が開発されたことはなかった。
【0010】
図1は、一般的なCMOS工程を用いて製造されるフォト薄膜トランジスタの構造を概略的に説明するための概念図である。実際のCMOS工程を通して製造されるフォト薄膜トランジスタの構造はより複雑である。
【0011】
図1を参考にすれば、不純物がドーピングされたシリコン基板100の上に非晶質相のシリコン膜110が形成されている。非晶質相のシリコン膜110の両側にはオーミックコンタクト(omic contact)を良くするためのソース(source)およびドレイン(drain)オーミックコンタクト部120が形成されている。オーミックコンタクト部120は非晶質相のシリコン膜110の一部に不純物をイオン注入して形成する。ソースおよびドレインオーミックコンタクト部120には各々ソース電極140およびドレイン電極150が形成されている。非晶質相のシリコン膜110、オーミックコンタクト部120、ソース電極140およびドレイン電極150の上にゲート絶縁膜130が形成されている。ゲート絶縁膜130は酸化膜を用いて形成する。ゲート絶縁膜130の上にはゲート電極が金属膜160を用いて形成される。
【0012】
このような構造を有する従来のフォト薄膜トランジスタを製作するためには高温(例えば、500℃〜1000℃)工程が要求される。特に、図1のCMOS工程を用いて製造される薄膜トランジスタは高価のシリコン基板を用いなければならず、オーミックコンタクト部を形成するためのイオン注入工程を必ず必要とする。または水素化されドーピングされたオーミックコンタクト部分を必ず必要とする。
【0013】
現在、TFT−LCDディスプレイおよび/あるいは携帯電話などに用いられているTFTは大体図1のような構造からなっている。
【0014】
カルコゲニド素材の場合、図1の参照符号110の層をチャネル層として活用するためには、先ずTFTのチャネル層はn型素材であるかp型素材であるべきであり、参照符号120のオーミックコンタクト部はその逆にp型であるかn型でなければならない。このような構造が最も良いトランジスタの典型的な構造と知られている。
【0015】
【非特許文献1】Noboru Yamada, Eiji Ohno, Kenishi Nishiuchi, Nobuo Aka hira, and Masatoshi Takao, Rapid-phase transition of GeTe-Sb2Te3 pseudobinary amorphous thin films for an optical disk memory, Journal of Applied Physics Vol 69, No. 5 2849-2856 1991.3.1
【非特許文献2】Sumio Hosaka, Kunihiro Miyauchi, Takuro Tamura, Hayato Sone, Hajime Koyanagi, Proposal for a memory transistor using phase change and nanosize effects, Microelectronic Engineering, Vol 73-74 , 736-740, 2004.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0016】
本発明は、上記のような問題点を解決するために考案されたものであり、情報格納分野に活発に用いられたり次世代素子として用いたりすることができるカルコゲニド素材を用いて、n型伝導度を有するカルコゲニド素材とp型伝導度を有するカルコゲニド素材を開発することをその目的とする。
【0017】
また、本発明は、開発されたn型伝導度素材とp型伝導度素材を用いて高いオン/オフ比率を有する高効率のカルコゲニド薄膜型トランジスタを製作することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0018】
本発明に係るn型カルコゲニド素材の製造方法は、カルコゲニド素材をターゲットとして配置するステップ;および前記カルコゲニド素材を基板上に蒸着するために蒸着チャンバー(chamber)にアルゴン(Ar)ガスと酸素(O2)ガスを注入するステップを含む。特に、前記カルコゲニド素材はGe2Sb2Te5であることを特徴とする。
【0019】
一方、本発明に係るp型カルコゲニド素材の製造方法は、n型カルコゲニド素材にTe合金を蒸着するステップ;および前記Te合金が蒸着されたn型カルコゲニド素材を拡散させるステップを含む。特に、前記Te合金はGeTe、SbTe、Teからなる群から選択される1つであることを特徴とする。
【0020】
また、前記Te合金が蒸着されたn型カルコゲニド素材を拡散させるステップは、前記Te合金が蒸着されたn型カルコゲニド素材に熱エネルギーを加えて行うことを特徴とする。
【0021】
一方、カルコゲニド薄膜型トランジスタの製作方法は、基板上にチャネル層を構成するn型カルコゲニド層を形成するステップと;前記n型カルコゲニド層の上部に拡散防止層を形成し、前記拡散防止層をパターニングするステップ;および前記n型カルコゲニド層にTe合金を蒸着し拡散させ、ソースおよびドレイン領域を構成するp型カルコゲニド層を形成するステップを含む。特に、前記基板はガラス基板、プラスチック基板、ポリイミド基板、ビニル基板のうちの1つであることを特徴とする。
【0022】
また、前記カルコゲニド層はGe2Sb2Te5層で形成することを特徴とする。
また、前記チャネル層を構成するn型カルコゲニド層の下部にゲート絶縁層を介在してゲート電極を形成するステップをさらに含む。
【0023】
また、前記ゲート絶縁層は有機物である高分子PMMA膜であることを特徴とする。
また、前記ゲート絶縁層はPECVD方法によって形成されたシリコン酸化膜であることを特徴とする。
【0024】
また、本発明に係る薄膜型トランジスタは、チャネル層を構成し、第1型伝導度を有するカルコゲニド層と;前記第1型伝導度を有するカルコゲニド層の両側部に各々形成され、ソースおよびドレイン領域を構成し、第2型伝導度を有するカルコゲニド層;および前記ソースおよびドレイン領域を構成し、第2型伝導度を有するカルコゲニド層に連結されたソース電極およびドレイン電極を備える。特に、前記チャネル層とソースおよびドレイン領域を構成するカルコゲニド層はGe2Sb2Te5層であることを特徴とする。
【0025】
また、前記第1型伝導度を有するカルコゲニド層の下部にゲート絶縁層を介在して形成されたゲート電極をさらに備えることを特徴とする。
【0026】
また、前記ゲート絶縁層は有機物である高分子PMMA膜であることを特徴とする。
また、前記ゲート絶縁層はPECVD方法によって形成されたシリコン酸化膜であることを特徴とする。
【0027】
また、前記第1型伝導度を有するカルコゲニド層の上部には拡散防止層が形成されていることを特徴とする。
また、前記チャネル層はn型であり、前記ソースおよびドレイン領域はp型であることを特徴とする。
また、前記チャネル層はp型であり、前記ソースおよびドレイン領域はn型であることを特徴とする。
【発明の効果】
【0028】
本発明によれば、次のような効果がある。
カルコゲニド素材を用いてn型伝導度を有するカルコゲニド素材とp型伝導度を有するカルコゲニド素材を製造する方法と、製造されたn型伝導度を有するカルコゲニド素材とp型伝導度を有するカルコゲニド素材を用いて薄膜型トランジスタを製作することができる。
【0029】
また、本発明に係る薄膜型トランジスタは、低温工程で製作できるだけでなく、プラスチック基板上においても工程が可能であり、イオンを注入する必要がなく、低価で実現できる利点がある。
【0030】
また、大きい移動度(mobilty)を有しており、今後、センサあるいはプラスチック基板上のロジック素子の製作も可能であると予想される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0031】
以下、本発明について添付図面を参照してより詳細に説明すれば次の通りである。ここで、繰り返される説明、本発明の要旨を濁す恐れがある公知機能、および構成に対する詳細な説明は省略する。本発明の実施形態は当業界で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面における要素の形状および大きさなどはより明確な説明のために誇張され得る。図面において、膜(層)または領域の大きさおよび厚さは明細書の明確性のために誇張されたものである。
【0032】
本発明では、情報格納分野において活発にあるいは次世代不揮発性メモリ素子の素材として用いることができるカルコゲニド(CHALCOGENIDE)層を利用する。カルコゲニド層の例としては、GeTe−Sb2Te3層(Ge2Sb2Te5、以下「GST層」という)を利用する。GST層をカルコゲニド層の例として挙げたが、本発明がこれに限定されるものではない。
【0033】
本発明に用いられるカルコゲニド層は高効率の光伝導性を有しており、フォト薄膜トランジスタ(Photo TFT)の光伝導層として用いることができる。さらには、本発明のカルコゲニド層はレーザーあるいは熱エネルギーによって非晶質相(Amorphous)から結晶質相(Crystalline)または結晶質相から非晶質相への相変化が可能である。
【0034】
本発明の薄膜トランジスタはガラス基板上に低価および低温工程で形成できることは勿論である。
【0035】
カルコゲニド層は原子構造が有する固有な特性によってp型半導体だけが可能である。p型の多数電荷は、非晶質相では孤立電子対状態(Lone pair electron state)によって左右される。非晶質相のカルコゲニド層は孤立電子対状態によってp型半導体特性を示す。非晶質相のカルコゲニド層のフェルミレベル(Fermi Level、Ef)は真性レベル(intrinsic level、Ei)に近いp型半導体形態であり、真性レベル(Ei)とフェルミレベル(Ef)との間の電荷濃度差(キャリア濃度差)はΦp2として小さい値を有する。非晶質相のカルコゲニド層の価電子帯(Ev)および伝導帯(Ec)との間のバンドギャップ(Egp2)は0.7eVである。また、結晶質相のカルコゲニド層の場合、非晶質相における孤立電子対状態はなくなり、周期的な結晶相原子構造から発生する空っぽ状態(vacancy state)によって発生する多数電荷によってp型半導体特性を示す。
【0036】
したがって、カルコゲニド素材は前述した基本的な原子構造の欠陥により、ドーピング(dopping)方法によってはn型カルコゲニド素材が開発されたことがなかった。
【0037】
本発明では、このような欠陥を有する、すなわちp型半導体特性を示すカルコゲニド素材(以下、「p型カルコゲニド素材」)に酸素を注入することによって、n型半導体特性を示すカルコゲニド素材(以下、「n型カルコゲニド素材」)を開発できる方法を提示する。
【0038】
先ず、基板上にカルコゲニド素材(例えば、GST)を蒸着する。蒸着に使われた装置はスパッタ(例えば、RF Magnetron Sputter)装置であって、典型的にカルコゲニド素材を蒸着する時に使う装置である。スパッタ(sputter)の他に熱蒸着装置を使うこともできる。
【0039】
スパッタを用いてカルコゲニド素材であるGSTをCo−Sputterあるいは単一ターゲットとして蒸着する条件を探す。この時、用いるプラズマガスとしてはアルゴン(Ar)ガスを用いる。前述した過程は一般的にカルコゲニド素材を蒸着する時に用いる方法である。
【0040】
図2は、前述した方法によって一般的に蒸着したカルコゲニド素材の透過特性を示すグラフである。
非晶質相のカルコゲニドの場合、バンドギャップ(band gap)は0.7eV(波長約1700nm帯域)であり、図2に示す通りである。このように蒸着された非晶質相のカルコゲニドを結晶化すると、バンドギャップが約0.5eVになって光透過曲線が長波長に移る曲線となる。
【0041】
以下では、n型カルコゲニド素材を製造する過程について説明する。
先ず、n型カルコゲニド素材を製作するためには、図3に示すように非晶質相のカルコゲニドを製造する時に蒸着チャンバー(chamber)に酸素を添加すれば良い。
【0042】
より詳しくは、カルコゲニド素材をターゲット(target)として配置する。また、蒸着チャンバーにアルゴンガスの他に酸素ガスを同時に注入する。そうすると、注入された酸素ガスの一部が蒸着されるカルコゲニド薄膜に注入され、注入された酸素によってn型カルコゲニド素材が形成される。すなわち、アルゴンガスと酸素ガスの注入が完了すれば、アルゴンガスと酸素ガスの混合物がイオン化するように高周波エネルギーがスパッタガン(図示せず)に供給され、それによってプラズマ(plasma)が発生する。
【0043】
発生したプラズマ内のイオン化したアルゴンと酸素イオンはターゲットに衝突してターゲット物質をスパッタリングし、その結果カルコゲニド素材が基板上に蒸着される。
【0044】
スパッタを用いてカルコゲニド素材を蒸着する時、プラズマを形成するためにアルゴンガスを注入する時に、n型カルコゲニド素材蒸着のために酸素ガスをアルゴンガスの注入と同時に注入して蒸着する。この時、注入される酸素ガスの量とアルゴンガスの注入量の比率を変化させながら蒸着することができる。
【0045】
本発明に用いられた酸素ガス量/アルゴンガス量の比率を各々0.1、0.25、0.35、0.5の比にして、酸素ガスとアルゴンガスをスパッタに注入した(例えば、酸素注入量2sccm/アルゴン注入量20sccm=0.1)。この時、蒸着されるn型カルコゲニド素材の厚さは蒸着する時間で調節する。
【0046】
酸素ドーピングして蒸着されたカルコゲニド素材はXRD(X−Ray Diffraction)測定で非晶質相であることが分かる。
【0047】
図4は、酸素ガス量/アルゴンガス量の比率を各々0.1、0.25、0.35、0.5の比にして酸素ガスとアルゴンガスをスパッタに注入した時に変わるカルコゲニド素材の光透過曲線を測定した結果である。酸素の投入量が多くなるにつれてバンドギャップが短波長に移ることが分かる。酸素ガス量/アルゴンガス量の注入比率が0.1である場合にはバンドギャップエネルギーは波長で約1300nm帯域、0.2である場合には約1200nm、0.35である場合には約1100nm、0.5である場合には約1000nm程度に移動することが分かる。
【0048】
図4において、光透過曲線が長波長において(1400nm以後)屈曲が発生する理由は、光の干渉によって表れる典型的な現象であって、バンドギャップの予測には大きな意味がない。
【0049】
酸素ガス量/アルゴンガス量の注入比率を異にして製作したカルコゲニド素材の伝導度がn型であるかp型であるかを調べるためにそれぞれの素材に対してホール効果(Hall Effect)を測定した。
【0050】
表1は酸素ガス量/アルゴンガス量の注入比率を異にして製作したカルコゲニド素材のホール効果を測定した結果を整理したものである。ホール効果を通じて多数キャリアの種類、キャリアの濃度、移動度などが分かる。
【0051】
【表1】
【0052】
表1によれば、酸素ガス量/アルゴンガス量の注入比率が0.1から0.35までは酸素注入量に関係なくn型カルコゲニド素材が形成されることが分かる。
【0053】
酸素ガス量/アルゴンガス量の注入比率が0.35以後においてもn型素材になると予測されるが、酸素の量が過度に多い場合には酸化物によって非晶質相になり、ホール測定ではどのような(例えば、n型またはp型)伝導度を有する素材になるかが分からない。
【0054】
図5は、図4のように酸素ガス量/アルゴンガス量の注入比率を各々異にして製作したカルコゲニド素材を熱処理し、変わるバンドギャップを光透過曲線で測定したグラフである。図5は、酸素ガス量/アルゴンガス量の注入比率を各々0.25、0.35、0.5である場合を示す。
【0055】
熱処理すれば試料は非晶質相から結晶質相に変化する。酸素ガス量/アルゴンガス量の注入比率が0.1である場合には、バンドギャップが波長で約1700nm帯域であり、0.25、0.35、0.5である場合には、全てバンドギャップ帯域が波長で1700nm帯域に移動した。
【0056】
結局、酸素をドーピングしたカルコゲニド薄膜は、熱処理すれば、非晶質相から結晶質相に相変化してバンドギャップが減少する現象を示す。このような結果は、一般的に酸素をドーピング(dopping)しないカルコゲニド素材が示す非晶質相から結晶質相に相変化するに伴ってバンドギャップが0.7eVから0.5eVに変化する様子と同様である。
【0057】
しかし、酸素ドーピングされたカルコゲニド薄膜の場合、酸素ガス量/アルゴンガス量の注入比率が0.1〜0.5である時、バンドギャップは初期非晶質相1.0eV〜1.2eVから結晶質相に相変化すれば、バンドギャップが約0.7eVまで移動する点は差がある。
【0058】
以下では、p型カルコゲニド素材を製造する過程について説明する。
図3に示すように、p型カルコゲニド素材を製造するためには、酸素が注入されたカルコゲニド薄膜(素材)にGeTe、SbTe、Teのうちの1つ以上のTe合金を蒸着し熱処理して、拡散(diffusion)させれば良い。
【0059】
カルコゲニド素材がp型伝導度を示す理由として空っぽ状態であることを言及した。したがって、空っぽ状態を発生させる主要因子であるTeカルコゲン元素を注入すればp型伝導度素材に変わる確率が高い。
【0060】
したがって、本発明の実施例では、GeTeを注入する方式で酸素が注入されたカルコゲニド素材をn型伝導度素材からp型伝導度素材に変える。注入する方式としては、蒸着された酸素ドーピングされたカルコゲニド素材にGeTeを蒸着、熱処理して、拡散(diffusion)させる方法を選択した。拡散する熱処理温度は、一般的に、カルコゲニドが非晶質相から結晶相に相が変化する温度で約1時間熱処理すれば良い。
【0061】
表2は、酸素ドーピングされたn型カルコゲニド素材にどれくらいの厚さでGeTeを蒸着すればn型カルコゲニド素材からp型カルコゲニド素材に変化するかを示す。ここで、GSTOは酸素ガス量/アルゴンガス量の注入比率0.1であるn型カルコゲニド素材を示す。
【0062】
【表2】
【0063】
図6は、表2によって製作されたp型カルコゲニド素材を拡散させ熱処理する前のまた他の光透過曲線である。これは、左側1000〜1500nm間の光透過曲線が拡散させる前の光透過曲線である。図6のNorm AS21、Norm AS20、Norm AS19は熱処理前に酸素が添加されたN型半導体の光透過率であり、図6のNorm Ann21、Norm Ann20、Norm Ann19は熱処理後の光透過率を示す曲線である。
【0064】
図7は、表2の方法によって製作されたp型カルコゲニド素材を熱処理して拡散させた後の光透過曲線である。(1700nに移動した右側曲線)。
【0065】
GeTeを拡散させたp型カルコゲニド素材の光透過曲線は、初期酸素ドーピングされたn型カルコゲニド素材の光透過曲線において大きく変化しないほどドーピングされたことを確認することができる。
【0066】
以上、n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を製作する方法について言及した。以下では、前述した過程を通じて製作されたn型伝導度を有するカルコゲニド素材とp型伝導度を有するカルコゲニド素材を用いて、カルコゲニドトランジスタを製作する過程についてより詳しく説明する。
【0067】
図8乃至図18は、n型カルコゲニドとp型カルコゲニドを用いてオン/オフ(on/off)比率が改善されたトランジスタ素子を製作する工程順を説明するための図面である。
【0068】
具体的に、基板200、例えばガラス基板上にゲート電極用金属層202を形成する(図8)。ゲート電極用金属層202はスパッタリング法を用いて基板200の上に形成する。ゲート電極用金属層202は、例えば、金層、アルミニウム層またはクロム層で構成される。ゲート電極用金属層202をフォトリソグラフィ工程でパターニングしてゲート電極204を形成する。それにより、下部ゲート形態のゲート電極204が完成される(図9)。ゲート電極204は後述するカルコゲニド層208に流れる光電流をオン/オフにする役割をする。
【0069】
一方、図9においては、ゲート絶縁層206およびゲート電極204をカルコゲニド層208の下部に形成される下部ゲート形態で構成したが、ゲート絶縁層206およびゲート電極204をカルコゲニド層205の上部に形成される上部ゲート形態で構成することもできる。
【0070】
ゲート電極204および基板200の上にゲート絶縁層206を形成する(図10)。ゲート絶縁層(gate oxide、206)はカルコゲニド系絶縁層、例えばAs2S3層や、有機物である高分子PMMA膜、シリコン酸化膜、シリコン絶縁膜などで構成することができる。ゲート絶縁層206を構成する有機物である高分子PMMA(poly methyl methacrylate)層は透明な膜質である。ゲート絶縁層206はカルコゲニド層208との良い接触を維持し、製造工程中にカルコゲニド層208の性質を変化させない役割をする。
【0071】
ゲート絶縁層206としてシリコン酸化膜を用いる場合、PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)方法で形成する。
【0072】
次に、ゲート絶縁層206の上に非晶質相のカルコゲニド層208を蒸着(deposition)する。この時、図3に基づいて前述したように、非晶質相のn型カルコゲニド層208を形成するために蒸着装置にアルゴンガスと酸素ガスを同時に注入する。そうすると、注入された酸素ガスの一部が蒸着されるカルコゲニド素材に注入され、この時、注入された酸素によってn型カルコゲニド層208が形成される。本発明の実施例においては、カルコゲニド層208をGST層で形成し、スパッタリング法で形成する(図11)。
【0073】
また、非晶質相のカルコゲニド層208の上面にレーザーを照射して結晶質相のカルコゲニド層209を形成する(図12)。
【0074】
また、カルコゲニド層209の上に拡散(diffusion)が起こらないように拡散防止層210を蒸着する。この時、拡散防止層210はシリコン酸化膜(SiO2)などで構成する。また、拡散防止層210の上に金属層212を形成する。例えば、アルミニウム(Al)を用いて金属層212を形成する(図13)。
【0075】
次に、結晶質相のカルコゲニド層209の上に形成された拡散防止層210と金属層212をフォトリソグラフィおよび湿式エッチング工程を用いてパターニングして、所定の幅を有する拡散防止層214と金属層216を形成する(図14)。
【0076】
また、ゲート絶縁層206の上に形成されたカルコゲニド層209および金属層216にGeTeを蒸着、熱処理して拡散させる方法によって酸素が注入されたカルコゲニド層209をn型伝導度素材からp型伝導度素材に変える。拡散させる熱処理温度は、一般的に、カルコゲニドが非晶質相から結晶相に相が変化する温度で約1時間熱処理すれば良い。
【0077】
前述したことによれば、GeTe薄膜は熱処理過程を通して拡散防止層214が形成されていないカルコゲニド層209の両側部において拡散される。すなわち、露出したカルコゲニド層209に蒸着されたGeTe薄膜は熱処理過程を通してn型伝導度を有するカルコゲニド層209の両側部において拡散される。したがって、n型伝導度を有するカルコゲニド層209の両側部はp型伝導度を有するカルコゲニド層220に変わる。
【0078】
この時、拡散防止層214が形成されたカルコゲニド層209、すなわち露出していないカルコゲニド層209はn型伝導度を有するカルコゲニド層218として状態がそのまま維持される。本発明においては、このようにトランジスタのチャネルが自然に形成される工程を「Self−Aligned Channel工程」と称することにする(図15)。
【0079】
したがって、チャネル幅と長さはn型カルコゲニド層209の上にパターニングされた拡散防止層214の模様に応じて自然に形成される。拡散防止層214の上に蒸着されるGeTeは今後の工程で取り除かれる。
【0080】
次に、p型伝導度を有するカルコゲニド層220をパターニングして所定の幅を有するように形成する(図16)。また、カルコゲニド層220、金属層216、およびゲート絶縁層206の上にレイヤー222を形成して、コンタクトホール(contact hole、224)が形成されるようにする(図17)。
【0081】
次に、コンタクトホール224にソース(Source)側の金属電極226とドレイン(Drain)側の金属電極228を形成することで、薄膜型トランジスタを完成する(図18)。
【0082】
図19は、図8乃至図17の工程順によって製作された素子を示す。すなわち、ソースとドレイン側の金属電極を形成する直前のものを示す。図19において、中央部に黒く表示された部分がトランジスタのチャネルに該当する部分である。本発明に係る薄膜型トランジスタは、図15に基づいて言及したように、Self−Aligned Channel工程を通してチャネル幅が自然に整列される長所がある。
【0083】
図20は、前述した過程を通じて製作された、n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材とからなる薄膜型カルコゲニドトランジスタの特性を示すグラフである。
【0084】
X軸はソースドレイン電圧を示し、Y軸はナノアンペアの単位ドレイン電流を示す。比較的に小さいゲート電圧においても非常にきれいに動作するトランジスタの特性曲線を確認することができる。また、電流整流度が非常に良い特性を示すことを確認することができる。
【0085】
以上のように、図面と明細書において最適な実施例が開示された。ここでは特定用語が用いられたが、これは、単に本発明を説明するための目的で用いられるものであって、意味の限定や特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を制限するために用いられたものではない。よって、本技術分野の通常の知識を有する者であれば、様々な変形および均等な他の実施例が可能であるということを理解しなければならない。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は添付された特許請求の範囲の技術的思想によって決められなければならない。
【図面の簡単な説明】
【0086】
【図1】一般的なCMOS工程を用いて製造されるフォト薄膜型トランジスタの構造を概略的に説明するための概念図である。
【図2】一般的な工程によって蒸着された非晶質カルコゲニドの光透過曲線を示す図であって、一般的なスパッタリング法で蒸着された時の非晶質カルコゲニド薄膜の光透過曲線である。
【図3】n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を製造する方法を示す図であって、酸素注入とGeTe拡散によって形成されるn型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を製作する方法を示す図である。
【図4】酸素注入量によって変わるカルコゲニド素材の光透過曲線を示す図である。
【図5】酸素ドーピングされたカルコゲニド素材を熱処理した後の光透過曲線の移動を示す図であって、酸素注入量によって変わるカルコゲニド素材の光透過曲線を示す図である。
【図6】p型カルコゲニド素材を拡散させ熱処理する前の光透過曲線を示す図である。
【図7】p型カルコゲニド素材を拡散させ熱処理した後の光透過曲線を示す図である。
【図8】n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を用いてオン/オフ比率が改善されたトランジスタを製作する工程を説明するための図である。
【図9】n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を用いてオン/オフ比率が改善されたトランジスタを製作する工程を説明するための図である。
【図10】n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を用いてオン/オフ比率が改善されたトランジスタを製作する工程を説明するための図である。
【図11】n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を用いてオン/オフ比率が改善されたトランジスタを製作する工程を説明するための図である。
【図12】n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を用いてオン/オフ比率が改善されたトランジスタを製作する工程を説明するための図である。
【図13】n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を用いてオン/オフ比率が改善されたトランジスタを製作する工程を説明するための図である。
【図14】n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を用いてオン/オフ比率が改善されたトランジスタを製作する工程を説明するための図である。
【図15】n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を用いてオン/オフ比率が改善されたトランジスタを製作する工程を説明するための図である。
【図16】n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を用いてオン/オフ比率が改善されたトランジスタを製作する工程を説明するための図である。
【図17】n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を用いてオン/オフ比率が改善されたトランジスタを製作する工程を説明するための図である。
【図18】n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を用いてオン/オフ比率が改善されたトランジスタを製作する工程を説明するための図である。
【図19】本発明に係るカルコゲニド薄膜型トランジスタの製作方法によって自然に形成されるトランジスタのチャネルを示す図である。
【図20】本発明に係る製造方法によって製造されたn型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材で製作された薄膜型カルコゲニドトランジスタの特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【0087】
200 基板
204 ゲート電極
206 ゲート絶縁層
214 拡散防止層
216 金属層
218 n型伝導度を有するカルコゲニド層
220 p型伝導度を有するカルコゲニド層
【技術分野】
【0001】
本発明は、n型およびp型カルコゲニド素材を製造する方法、カルコゲニド薄膜トランジスタおよびその製造方法に関するものである。より詳しくは、n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を製造する方法、n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を用いてカルコゲニド薄膜トランジスタを製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
一般的に、情報通信技術が発達するに伴い、高速処理および大容量格納などの技術発展も共になされる。情報格納に用いられる素子としては、CD、DVDと知られている光情報格納素子、およびDRAMなどの電気メモリ素子が挙げられる。情報格納および処理分野に用いられる素子としてはフォト薄膜トランジスタやCMOSイメージセンサが挙げられる。フォト薄膜トランジスタは通常CMOS工程を用いて製造することができる。
【0003】
周期律表上のカルコゲニド(CHALCOGENIDE)系の元素を含むGeTe−Sb2Te3(Ge2Sb2Te5:GST)の固有な元素の性質を利用すれば、相対的に高効率の光伝導性を有する低価の低温工程の光伝導性薄膜型トランジスタ(PHOTO−TFT)を製作することができる。また、カルコゲニド系の元素を含む非晶質相のゲルマニウム・アンチモン・テルライド(Ge2Sb2Te5)物質の孤立電子対状態(state)による電荷濃度と同一物質Ge2Sb2Te5の空っぽ状態(vacancy state)による電荷濃度との差によって発生する電位障壁(potential barrier)形成原理から予測されるダイオード機能を用いて無ドーピング薄膜型カルコゲニドトランジスタを製作することができる。
【0004】
しかし、本発明のように、周期律表に基づいたカルコゲニド系の元素を含むGe2Sb2Te5に酸素(O2)を添加してn型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を製造する方法、製造されたn型カルコゲニド素材とp型カルコゲニドを用いて薄膜型トランジスタを製作する方法については公示されていない。
【0005】
Ge2Sb2Te5を用いて研究してきた光情報格納の光記録素材、次世代不揮発性メモリに対する従来技術を見ると次の通りである。
【0006】
非特許文獻1は、Ge2Sb2Te5を非晶質相から結晶質相に、結晶質相から非晶質相に、どれくらいの光を照射すると相が変化し、このような相変化の結果を利用すれば光学的に構成された光ピックアップを用いて光情報格納に応用できるかに関するものである。
【0007】
さらに、Ge2Sb2Te5系の相変化素材を初めて提案した提案者であるOvsinskyによって提案されたものであり、相変化を用いた不揮発性メモリ(PRAM)に関する内容であって、相変化現象を電気メモリに用いた方法に関するものもある。この技術は結晶質相が相互移動して表すスイッチ現象を電気メモリに適用した方法であって、メモリに関するものである。
【0008】
非特許文獻2は、Ge2Sb2Te5を用いて電気メモリトランジスタを製作して特性を測定した結果を発表した論文に関するものである。基本的に、前述した非特許文獻1から取った相変化メカニズムを用いた方法に該当し、結晶質相または非晶質相へ状態を相互移動して表すスイッチ現象をメモリとTFTに適用したものである。
【0009】
カルコゲニド素材は原子構造の固有な特性によって典型的なp型伝導度を有する素材と知られている。p型伝導度を示すようにする主な要因はバンドギャップ内の空っぽ状態(vacancy state)によって発生すると知られており、このような原子構造の固有な特性によって現在までn型カルコゲニド素材が開発されたことはなかった。
【0010】
図1は、一般的なCMOS工程を用いて製造されるフォト薄膜トランジスタの構造を概略的に説明するための概念図である。実際のCMOS工程を通して製造されるフォト薄膜トランジスタの構造はより複雑である。
【0011】
図1を参考にすれば、不純物がドーピングされたシリコン基板100の上に非晶質相のシリコン膜110が形成されている。非晶質相のシリコン膜110の両側にはオーミックコンタクト(omic contact)を良くするためのソース(source)およびドレイン(drain)オーミックコンタクト部120が形成されている。オーミックコンタクト部120は非晶質相のシリコン膜110の一部に不純物をイオン注入して形成する。ソースおよびドレインオーミックコンタクト部120には各々ソース電極140およびドレイン電極150が形成されている。非晶質相のシリコン膜110、オーミックコンタクト部120、ソース電極140およびドレイン電極150の上にゲート絶縁膜130が形成されている。ゲート絶縁膜130は酸化膜を用いて形成する。ゲート絶縁膜130の上にはゲート電極が金属膜160を用いて形成される。
【0012】
このような構造を有する従来のフォト薄膜トランジスタを製作するためには高温(例えば、500℃〜1000℃)工程が要求される。特に、図1のCMOS工程を用いて製造される薄膜トランジスタは高価のシリコン基板を用いなければならず、オーミックコンタクト部を形成するためのイオン注入工程を必ず必要とする。または水素化されドーピングされたオーミックコンタクト部分を必ず必要とする。
【0013】
現在、TFT−LCDディスプレイおよび/あるいは携帯電話などに用いられているTFTは大体図1のような構造からなっている。
【0014】
カルコゲニド素材の場合、図1の参照符号110の層をチャネル層として活用するためには、先ずTFTのチャネル層はn型素材であるかp型素材であるべきであり、参照符号120のオーミックコンタクト部はその逆にp型であるかn型でなければならない。このような構造が最も良いトランジスタの典型的な構造と知られている。
【0015】
【非特許文献1】Noboru Yamada, Eiji Ohno, Kenishi Nishiuchi, Nobuo Aka hira, and Masatoshi Takao, Rapid-phase transition of GeTe-Sb2Te3 pseudobinary amorphous thin films for an optical disk memory, Journal of Applied Physics Vol 69, No. 5 2849-2856 1991.3.1
【非特許文献2】Sumio Hosaka, Kunihiro Miyauchi, Takuro Tamura, Hayato Sone, Hajime Koyanagi, Proposal for a memory transistor using phase change and nanosize effects, Microelectronic Engineering, Vol 73-74 , 736-740, 2004.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0016】
本発明は、上記のような問題点を解決するために考案されたものであり、情報格納分野に活発に用いられたり次世代素子として用いたりすることができるカルコゲニド素材を用いて、n型伝導度を有するカルコゲニド素材とp型伝導度を有するカルコゲニド素材を開発することをその目的とする。
【0017】
また、本発明は、開発されたn型伝導度素材とp型伝導度素材を用いて高いオン/オフ比率を有する高効率のカルコゲニド薄膜型トランジスタを製作することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0018】
本発明に係るn型カルコゲニド素材の製造方法は、カルコゲニド素材をターゲットとして配置するステップ;および前記カルコゲニド素材を基板上に蒸着するために蒸着チャンバー(chamber)にアルゴン(Ar)ガスと酸素(O2)ガスを注入するステップを含む。特に、前記カルコゲニド素材はGe2Sb2Te5であることを特徴とする。
【0019】
一方、本発明に係るp型カルコゲニド素材の製造方法は、n型カルコゲニド素材にTe合金を蒸着するステップ;および前記Te合金が蒸着されたn型カルコゲニド素材を拡散させるステップを含む。特に、前記Te合金はGeTe、SbTe、Teからなる群から選択される1つであることを特徴とする。
【0020】
また、前記Te合金が蒸着されたn型カルコゲニド素材を拡散させるステップは、前記Te合金が蒸着されたn型カルコゲニド素材に熱エネルギーを加えて行うことを特徴とする。
【0021】
一方、カルコゲニド薄膜型トランジスタの製作方法は、基板上にチャネル層を構成するn型カルコゲニド層を形成するステップと;前記n型カルコゲニド層の上部に拡散防止層を形成し、前記拡散防止層をパターニングするステップ;および前記n型カルコゲニド層にTe合金を蒸着し拡散させ、ソースおよびドレイン領域を構成するp型カルコゲニド層を形成するステップを含む。特に、前記基板はガラス基板、プラスチック基板、ポリイミド基板、ビニル基板のうちの1つであることを特徴とする。
【0022】
また、前記カルコゲニド層はGe2Sb2Te5層で形成することを特徴とする。
また、前記チャネル層を構成するn型カルコゲニド層の下部にゲート絶縁層を介在してゲート電極を形成するステップをさらに含む。
【0023】
また、前記ゲート絶縁層は有機物である高分子PMMA膜であることを特徴とする。
また、前記ゲート絶縁層はPECVD方法によって形成されたシリコン酸化膜であることを特徴とする。
【0024】
また、本発明に係る薄膜型トランジスタは、チャネル層を構成し、第1型伝導度を有するカルコゲニド層と;前記第1型伝導度を有するカルコゲニド層の両側部に各々形成され、ソースおよびドレイン領域を構成し、第2型伝導度を有するカルコゲニド層;および前記ソースおよびドレイン領域を構成し、第2型伝導度を有するカルコゲニド層に連結されたソース電極およびドレイン電極を備える。特に、前記チャネル層とソースおよびドレイン領域を構成するカルコゲニド層はGe2Sb2Te5層であることを特徴とする。
【0025】
また、前記第1型伝導度を有するカルコゲニド層の下部にゲート絶縁層を介在して形成されたゲート電極をさらに備えることを特徴とする。
【0026】
また、前記ゲート絶縁層は有機物である高分子PMMA膜であることを特徴とする。
また、前記ゲート絶縁層はPECVD方法によって形成されたシリコン酸化膜であることを特徴とする。
【0027】
また、前記第1型伝導度を有するカルコゲニド層の上部には拡散防止層が形成されていることを特徴とする。
また、前記チャネル層はn型であり、前記ソースおよびドレイン領域はp型であることを特徴とする。
また、前記チャネル層はp型であり、前記ソースおよびドレイン領域はn型であることを特徴とする。
【発明の効果】
【0028】
本発明によれば、次のような効果がある。
カルコゲニド素材を用いてn型伝導度を有するカルコゲニド素材とp型伝導度を有するカルコゲニド素材を製造する方法と、製造されたn型伝導度を有するカルコゲニド素材とp型伝導度を有するカルコゲニド素材を用いて薄膜型トランジスタを製作することができる。
【0029】
また、本発明に係る薄膜型トランジスタは、低温工程で製作できるだけでなく、プラスチック基板上においても工程が可能であり、イオンを注入する必要がなく、低価で実現できる利点がある。
【0030】
また、大きい移動度(mobilty)を有しており、今後、センサあるいはプラスチック基板上のロジック素子の製作も可能であると予想される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0031】
以下、本発明について添付図面を参照してより詳細に説明すれば次の通りである。ここで、繰り返される説明、本発明の要旨を濁す恐れがある公知機能、および構成に対する詳細な説明は省略する。本発明の実施形態は当業界で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面における要素の形状および大きさなどはより明確な説明のために誇張され得る。図面において、膜(層)または領域の大きさおよび厚さは明細書の明確性のために誇張されたものである。
【0032】
本発明では、情報格納分野において活発にあるいは次世代不揮発性メモリ素子の素材として用いることができるカルコゲニド(CHALCOGENIDE)層を利用する。カルコゲニド層の例としては、GeTe−Sb2Te3層(Ge2Sb2Te5、以下「GST層」という)を利用する。GST層をカルコゲニド層の例として挙げたが、本発明がこれに限定されるものではない。
【0033】
本発明に用いられるカルコゲニド層は高効率の光伝導性を有しており、フォト薄膜トランジスタ(Photo TFT)の光伝導層として用いることができる。さらには、本発明のカルコゲニド層はレーザーあるいは熱エネルギーによって非晶質相(Amorphous)から結晶質相(Crystalline)または結晶質相から非晶質相への相変化が可能である。
【0034】
本発明の薄膜トランジスタはガラス基板上に低価および低温工程で形成できることは勿論である。
【0035】
カルコゲニド層は原子構造が有する固有な特性によってp型半導体だけが可能である。p型の多数電荷は、非晶質相では孤立電子対状態(Lone pair electron state)によって左右される。非晶質相のカルコゲニド層は孤立電子対状態によってp型半導体特性を示す。非晶質相のカルコゲニド層のフェルミレベル(Fermi Level、Ef)は真性レベル(intrinsic level、Ei)に近いp型半導体形態であり、真性レベル(Ei)とフェルミレベル(Ef)との間の電荷濃度差(キャリア濃度差)はΦp2として小さい値を有する。非晶質相のカルコゲニド層の価電子帯(Ev)および伝導帯(Ec)との間のバンドギャップ(Egp2)は0.7eVである。また、結晶質相のカルコゲニド層の場合、非晶質相における孤立電子対状態はなくなり、周期的な結晶相原子構造から発生する空っぽ状態(vacancy state)によって発生する多数電荷によってp型半導体特性を示す。
【0036】
したがって、カルコゲニド素材は前述した基本的な原子構造の欠陥により、ドーピング(dopping)方法によってはn型カルコゲニド素材が開発されたことがなかった。
【0037】
本発明では、このような欠陥を有する、すなわちp型半導体特性を示すカルコゲニド素材(以下、「p型カルコゲニド素材」)に酸素を注入することによって、n型半導体特性を示すカルコゲニド素材(以下、「n型カルコゲニド素材」)を開発できる方法を提示する。
【0038】
先ず、基板上にカルコゲニド素材(例えば、GST)を蒸着する。蒸着に使われた装置はスパッタ(例えば、RF Magnetron Sputter)装置であって、典型的にカルコゲニド素材を蒸着する時に使う装置である。スパッタ(sputter)の他に熱蒸着装置を使うこともできる。
【0039】
スパッタを用いてカルコゲニド素材であるGSTをCo−Sputterあるいは単一ターゲットとして蒸着する条件を探す。この時、用いるプラズマガスとしてはアルゴン(Ar)ガスを用いる。前述した過程は一般的にカルコゲニド素材を蒸着する時に用いる方法である。
【0040】
図2は、前述した方法によって一般的に蒸着したカルコゲニド素材の透過特性を示すグラフである。
非晶質相のカルコゲニドの場合、バンドギャップ(band gap)は0.7eV(波長約1700nm帯域)であり、図2に示す通りである。このように蒸着された非晶質相のカルコゲニドを結晶化すると、バンドギャップが約0.5eVになって光透過曲線が長波長に移る曲線となる。
【0041】
以下では、n型カルコゲニド素材を製造する過程について説明する。
先ず、n型カルコゲニド素材を製作するためには、図3に示すように非晶質相のカルコゲニドを製造する時に蒸着チャンバー(chamber)に酸素を添加すれば良い。
【0042】
より詳しくは、カルコゲニド素材をターゲット(target)として配置する。また、蒸着チャンバーにアルゴンガスの他に酸素ガスを同時に注入する。そうすると、注入された酸素ガスの一部が蒸着されるカルコゲニド薄膜に注入され、注入された酸素によってn型カルコゲニド素材が形成される。すなわち、アルゴンガスと酸素ガスの注入が完了すれば、アルゴンガスと酸素ガスの混合物がイオン化するように高周波エネルギーがスパッタガン(図示せず)に供給され、それによってプラズマ(plasma)が発生する。
【0043】
発生したプラズマ内のイオン化したアルゴンと酸素イオンはターゲットに衝突してターゲット物質をスパッタリングし、その結果カルコゲニド素材が基板上に蒸着される。
【0044】
スパッタを用いてカルコゲニド素材を蒸着する時、プラズマを形成するためにアルゴンガスを注入する時に、n型カルコゲニド素材蒸着のために酸素ガスをアルゴンガスの注入と同時に注入して蒸着する。この時、注入される酸素ガスの量とアルゴンガスの注入量の比率を変化させながら蒸着することができる。
【0045】
本発明に用いられた酸素ガス量/アルゴンガス量の比率を各々0.1、0.25、0.35、0.5の比にして、酸素ガスとアルゴンガスをスパッタに注入した(例えば、酸素注入量2sccm/アルゴン注入量20sccm=0.1)。この時、蒸着されるn型カルコゲニド素材の厚さは蒸着する時間で調節する。
【0046】
酸素ドーピングして蒸着されたカルコゲニド素材はXRD(X−Ray Diffraction)測定で非晶質相であることが分かる。
【0047】
図4は、酸素ガス量/アルゴンガス量の比率を各々0.1、0.25、0.35、0.5の比にして酸素ガスとアルゴンガスをスパッタに注入した時に変わるカルコゲニド素材の光透過曲線を測定した結果である。酸素の投入量が多くなるにつれてバンドギャップが短波長に移ることが分かる。酸素ガス量/アルゴンガス量の注入比率が0.1である場合にはバンドギャップエネルギーは波長で約1300nm帯域、0.2である場合には約1200nm、0.35である場合には約1100nm、0.5である場合には約1000nm程度に移動することが分かる。
【0048】
図4において、光透過曲線が長波長において(1400nm以後)屈曲が発生する理由は、光の干渉によって表れる典型的な現象であって、バンドギャップの予測には大きな意味がない。
【0049】
酸素ガス量/アルゴンガス量の注入比率を異にして製作したカルコゲニド素材の伝導度がn型であるかp型であるかを調べるためにそれぞれの素材に対してホール効果(Hall Effect)を測定した。
【0050】
表1は酸素ガス量/アルゴンガス量の注入比率を異にして製作したカルコゲニド素材のホール効果を測定した結果を整理したものである。ホール効果を通じて多数キャリアの種類、キャリアの濃度、移動度などが分かる。
【0051】
【表1】
【0052】
表1によれば、酸素ガス量/アルゴンガス量の注入比率が0.1から0.35までは酸素注入量に関係なくn型カルコゲニド素材が形成されることが分かる。
【0053】
酸素ガス量/アルゴンガス量の注入比率が0.35以後においてもn型素材になると予測されるが、酸素の量が過度に多い場合には酸化物によって非晶質相になり、ホール測定ではどのような(例えば、n型またはp型)伝導度を有する素材になるかが分からない。
【0054】
図5は、図4のように酸素ガス量/アルゴンガス量の注入比率を各々異にして製作したカルコゲニド素材を熱処理し、変わるバンドギャップを光透過曲線で測定したグラフである。図5は、酸素ガス量/アルゴンガス量の注入比率を各々0.25、0.35、0.5である場合を示す。
【0055】
熱処理すれば試料は非晶質相から結晶質相に変化する。酸素ガス量/アルゴンガス量の注入比率が0.1である場合には、バンドギャップが波長で約1700nm帯域であり、0.25、0.35、0.5である場合には、全てバンドギャップ帯域が波長で1700nm帯域に移動した。
【0056】
結局、酸素をドーピングしたカルコゲニド薄膜は、熱処理すれば、非晶質相から結晶質相に相変化してバンドギャップが減少する現象を示す。このような結果は、一般的に酸素をドーピング(dopping)しないカルコゲニド素材が示す非晶質相から結晶質相に相変化するに伴ってバンドギャップが0.7eVから0.5eVに変化する様子と同様である。
【0057】
しかし、酸素ドーピングされたカルコゲニド薄膜の場合、酸素ガス量/アルゴンガス量の注入比率が0.1〜0.5である時、バンドギャップは初期非晶質相1.0eV〜1.2eVから結晶質相に相変化すれば、バンドギャップが約0.7eVまで移動する点は差がある。
【0058】
以下では、p型カルコゲニド素材を製造する過程について説明する。
図3に示すように、p型カルコゲニド素材を製造するためには、酸素が注入されたカルコゲニド薄膜(素材)にGeTe、SbTe、Teのうちの1つ以上のTe合金を蒸着し熱処理して、拡散(diffusion)させれば良い。
【0059】
カルコゲニド素材がp型伝導度を示す理由として空っぽ状態であることを言及した。したがって、空っぽ状態を発生させる主要因子であるTeカルコゲン元素を注入すればp型伝導度素材に変わる確率が高い。
【0060】
したがって、本発明の実施例では、GeTeを注入する方式で酸素が注入されたカルコゲニド素材をn型伝導度素材からp型伝導度素材に変える。注入する方式としては、蒸着された酸素ドーピングされたカルコゲニド素材にGeTeを蒸着、熱処理して、拡散(diffusion)させる方法を選択した。拡散する熱処理温度は、一般的に、カルコゲニドが非晶質相から結晶相に相が変化する温度で約1時間熱処理すれば良い。
【0061】
表2は、酸素ドーピングされたn型カルコゲニド素材にどれくらいの厚さでGeTeを蒸着すればn型カルコゲニド素材からp型カルコゲニド素材に変化するかを示す。ここで、GSTOは酸素ガス量/アルゴンガス量の注入比率0.1であるn型カルコゲニド素材を示す。
【0062】
【表2】
【0063】
図6は、表2によって製作されたp型カルコゲニド素材を拡散させ熱処理する前のまた他の光透過曲線である。これは、左側1000〜1500nm間の光透過曲線が拡散させる前の光透過曲線である。図6のNorm AS21、Norm AS20、Norm AS19は熱処理前に酸素が添加されたN型半導体の光透過率であり、図6のNorm Ann21、Norm Ann20、Norm Ann19は熱処理後の光透過率を示す曲線である。
【0064】
図7は、表2の方法によって製作されたp型カルコゲニド素材を熱処理して拡散させた後の光透過曲線である。(1700nに移動した右側曲線)。
【0065】
GeTeを拡散させたp型カルコゲニド素材の光透過曲線は、初期酸素ドーピングされたn型カルコゲニド素材の光透過曲線において大きく変化しないほどドーピングされたことを確認することができる。
【0066】
以上、n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を製作する方法について言及した。以下では、前述した過程を通じて製作されたn型伝導度を有するカルコゲニド素材とp型伝導度を有するカルコゲニド素材を用いて、カルコゲニドトランジスタを製作する過程についてより詳しく説明する。
【0067】
図8乃至図18は、n型カルコゲニドとp型カルコゲニドを用いてオン/オフ(on/off)比率が改善されたトランジスタ素子を製作する工程順を説明するための図面である。
【0068】
具体的に、基板200、例えばガラス基板上にゲート電極用金属層202を形成する(図8)。ゲート電極用金属層202はスパッタリング法を用いて基板200の上に形成する。ゲート電極用金属層202は、例えば、金層、アルミニウム層またはクロム層で構成される。ゲート電極用金属層202をフォトリソグラフィ工程でパターニングしてゲート電極204を形成する。それにより、下部ゲート形態のゲート電極204が完成される(図9)。ゲート電極204は後述するカルコゲニド層208に流れる光電流をオン/オフにする役割をする。
【0069】
一方、図9においては、ゲート絶縁層206およびゲート電極204をカルコゲニド層208の下部に形成される下部ゲート形態で構成したが、ゲート絶縁層206およびゲート電極204をカルコゲニド層205の上部に形成される上部ゲート形態で構成することもできる。
【0070】
ゲート電極204および基板200の上にゲート絶縁層206を形成する(図10)。ゲート絶縁層(gate oxide、206)はカルコゲニド系絶縁層、例えばAs2S3層や、有機物である高分子PMMA膜、シリコン酸化膜、シリコン絶縁膜などで構成することができる。ゲート絶縁層206を構成する有機物である高分子PMMA(poly methyl methacrylate)層は透明な膜質である。ゲート絶縁層206はカルコゲニド層208との良い接触を維持し、製造工程中にカルコゲニド層208の性質を変化させない役割をする。
【0071】
ゲート絶縁層206としてシリコン酸化膜を用いる場合、PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)方法で形成する。
【0072】
次に、ゲート絶縁層206の上に非晶質相のカルコゲニド層208を蒸着(deposition)する。この時、図3に基づいて前述したように、非晶質相のn型カルコゲニド層208を形成するために蒸着装置にアルゴンガスと酸素ガスを同時に注入する。そうすると、注入された酸素ガスの一部が蒸着されるカルコゲニド素材に注入され、この時、注入された酸素によってn型カルコゲニド層208が形成される。本発明の実施例においては、カルコゲニド層208をGST層で形成し、スパッタリング法で形成する(図11)。
【0073】
また、非晶質相のカルコゲニド層208の上面にレーザーを照射して結晶質相のカルコゲニド層209を形成する(図12)。
【0074】
また、カルコゲニド層209の上に拡散(diffusion)が起こらないように拡散防止層210を蒸着する。この時、拡散防止層210はシリコン酸化膜(SiO2)などで構成する。また、拡散防止層210の上に金属層212を形成する。例えば、アルミニウム(Al)を用いて金属層212を形成する(図13)。
【0075】
次に、結晶質相のカルコゲニド層209の上に形成された拡散防止層210と金属層212をフォトリソグラフィおよび湿式エッチング工程を用いてパターニングして、所定の幅を有する拡散防止層214と金属層216を形成する(図14)。
【0076】
また、ゲート絶縁層206の上に形成されたカルコゲニド層209および金属層216にGeTeを蒸着、熱処理して拡散させる方法によって酸素が注入されたカルコゲニド層209をn型伝導度素材からp型伝導度素材に変える。拡散させる熱処理温度は、一般的に、カルコゲニドが非晶質相から結晶相に相が変化する温度で約1時間熱処理すれば良い。
【0077】
前述したことによれば、GeTe薄膜は熱処理過程を通して拡散防止層214が形成されていないカルコゲニド層209の両側部において拡散される。すなわち、露出したカルコゲニド層209に蒸着されたGeTe薄膜は熱処理過程を通してn型伝導度を有するカルコゲニド層209の両側部において拡散される。したがって、n型伝導度を有するカルコゲニド層209の両側部はp型伝導度を有するカルコゲニド層220に変わる。
【0078】
この時、拡散防止層214が形成されたカルコゲニド層209、すなわち露出していないカルコゲニド層209はn型伝導度を有するカルコゲニド層218として状態がそのまま維持される。本発明においては、このようにトランジスタのチャネルが自然に形成される工程を「Self−Aligned Channel工程」と称することにする(図15)。
【0079】
したがって、チャネル幅と長さはn型カルコゲニド層209の上にパターニングされた拡散防止層214の模様に応じて自然に形成される。拡散防止層214の上に蒸着されるGeTeは今後の工程で取り除かれる。
【0080】
次に、p型伝導度を有するカルコゲニド層220をパターニングして所定の幅を有するように形成する(図16)。また、カルコゲニド層220、金属層216、およびゲート絶縁層206の上にレイヤー222を形成して、コンタクトホール(contact hole、224)が形成されるようにする(図17)。
【0081】
次に、コンタクトホール224にソース(Source)側の金属電極226とドレイン(Drain)側の金属電極228を形成することで、薄膜型トランジスタを完成する(図18)。
【0082】
図19は、図8乃至図17の工程順によって製作された素子を示す。すなわち、ソースとドレイン側の金属電極を形成する直前のものを示す。図19において、中央部に黒く表示された部分がトランジスタのチャネルに該当する部分である。本発明に係る薄膜型トランジスタは、図15に基づいて言及したように、Self−Aligned Channel工程を通してチャネル幅が自然に整列される長所がある。
【0083】
図20は、前述した過程を通じて製作された、n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材とからなる薄膜型カルコゲニドトランジスタの特性を示すグラフである。
【0084】
X軸はソースドレイン電圧を示し、Y軸はナノアンペアの単位ドレイン電流を示す。比較的に小さいゲート電圧においても非常にきれいに動作するトランジスタの特性曲線を確認することができる。また、電流整流度が非常に良い特性を示すことを確認することができる。
【0085】
以上のように、図面と明細書において最適な実施例が開示された。ここでは特定用語が用いられたが、これは、単に本発明を説明するための目的で用いられるものであって、意味の限定や特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を制限するために用いられたものではない。よって、本技術分野の通常の知識を有する者であれば、様々な変形および均等な他の実施例が可能であるということを理解しなければならない。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は添付された特許請求の範囲の技術的思想によって決められなければならない。
【図面の簡単な説明】
【0086】
【図1】一般的なCMOS工程を用いて製造されるフォト薄膜型トランジスタの構造を概略的に説明するための概念図である。
【図2】一般的な工程によって蒸着された非晶質カルコゲニドの光透過曲線を示す図であって、一般的なスパッタリング法で蒸着された時の非晶質カルコゲニド薄膜の光透過曲線である。
【図3】n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を製造する方法を示す図であって、酸素注入とGeTe拡散によって形成されるn型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を製作する方法を示す図である。
【図4】酸素注入量によって変わるカルコゲニド素材の光透過曲線を示す図である。
【図5】酸素ドーピングされたカルコゲニド素材を熱処理した後の光透過曲線の移動を示す図であって、酸素注入量によって変わるカルコゲニド素材の光透過曲線を示す図である。
【図6】p型カルコゲニド素材を拡散させ熱処理する前の光透過曲線を示す図である。
【図7】p型カルコゲニド素材を拡散させ熱処理した後の光透過曲線を示す図である。
【図8】n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を用いてオン/オフ比率が改善されたトランジスタを製作する工程を説明するための図である。
【図9】n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を用いてオン/オフ比率が改善されたトランジスタを製作する工程を説明するための図である。
【図10】n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を用いてオン/オフ比率が改善されたトランジスタを製作する工程を説明するための図である。
【図11】n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を用いてオン/オフ比率が改善されたトランジスタを製作する工程を説明するための図である。
【図12】n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を用いてオン/オフ比率が改善されたトランジスタを製作する工程を説明するための図である。
【図13】n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を用いてオン/オフ比率が改善されたトランジスタを製作する工程を説明するための図である。
【図14】n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を用いてオン/オフ比率が改善されたトランジスタを製作する工程を説明するための図である。
【図15】n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を用いてオン/オフ比率が改善されたトランジスタを製作する工程を説明するための図である。
【図16】n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を用いてオン/オフ比率が改善されたトランジスタを製作する工程を説明するための図である。
【図17】n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を用いてオン/オフ比率が改善されたトランジスタを製作する工程を説明するための図である。
【図18】n型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材を用いてオン/オフ比率が改善されたトランジスタを製作する工程を説明するための図である。
【図19】本発明に係るカルコゲニド薄膜型トランジスタの製作方法によって自然に形成されるトランジスタのチャネルを示す図である。
【図20】本発明に係る製造方法によって製造されたn型カルコゲニド素材とp型カルコゲニド素材で製作された薄膜型カルコゲニドトランジスタの特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【0087】
200 基板
204 ゲート電極
206 ゲート絶縁層
214 拡散防止層
216 金属層
218 n型伝導度を有するカルコゲニド層
220 p型伝導度を有するカルコゲニド層
【特許請求の範囲】
【請求項1】
n型カルコゲニド素材を製造する方法であって、
カルコゲニド素材をターゲットとして配置するステップ;および
前記カルコゲニド素材を基板上に蒸着するために蒸着チャンバー(chamber)にアルゴン(Ar)ガスと酸素(O2)ガスを注入するステップを含むn型カルコゲニド素材の製造方法。
【請求項2】
前記カルコゲニド素材はGe2Sb2Te5であることを特徴とする請求項1に記載のn型カルコゲニド素材の製造方法。
【請求項3】
n型カルコゲニド素材にTe合金を蒸着するステップ;および
前記Te合金が蒸着されたn型カルコゲニド素材を拡散させるステップを含むp型カルコゲニド素材の製造方法。
【請求項4】
前記Te合金はGeTe、SbTe、Teからなる群から選択される1つであることを特徴とする請求項3に記載のp型カルコゲニド素材の製造方法。
【請求項5】
前記Te合金が蒸着されたn型カルコゲニド素材を拡散させるステップは、
前記Te合金が蒸着されたn型カルコゲニド素材に熱エネルギーを加えて行うことを特徴とする請求項3に記載のp型カルコゲニド素材の製造方法。
【請求項6】
基板上にチャネル層を構成するn型カルコゲニド層を形成するステップと;
前記n型カルコゲニド層の上部に拡散防止層を形成し、前記拡散防止層をパターニングするステップ;および
前記n型カルコゲニド層にTe合金を蒸着し拡散させ、ソースおよびドレイン領域を構成するp型カルコゲニド層を形成するステップを含むカルコゲニド薄膜型トランジスタの製作方法。
【請求項7】
前記基板は、ガラス基板、プラスチック基板、ポリイミド基板、ビニル基板のうちの1つであることを特徴とする請求項6に記載のカルコゲニド薄膜型トランジスタの製作方法。
【請求項8】
前記カルコゲニド層は、Ge2Sb2Te5層で形成することを特徴とする請求項6に記載のカルコゲニド薄膜型トランジスタの製作方法。
【請求項9】
前記チャネル層を構成するn型カルコゲニド層の下部にゲート絶縁層を介在してゲート電極を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項6に記載のカルコゲニド薄膜型トランジスタの製作方法。
【請求項10】
前記ゲート絶縁層は、有機物である高分子PMMA膜であることを特徴とする請求項9に記載のカルコゲニド薄膜型トランジスタの製作方法。
【請求項11】
前記ゲート絶縁層は、PECVD方法によって形成されたシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項9に記載の薄膜型トランジスタの製作方法。
【請求項12】
チャネル層を構成し、第1型伝導度を有するカルコゲニド層と;
前記第1型伝導度を有するカルコゲニド層の両側部に各々形成され、ソースおよびドレイン領域を構成し、第2型伝導度を有するカルコゲニド層;および
前記ソースおよびドレイン領域を構成し、第2型伝導度を有するカルコゲニド層に連結されたソース電極およびドレイン電極を備える薄膜型トランジスタ。
【請求項13】
前記チャネル層とソースおよびドレイン領域を構成するカルコゲニド層はGe2Sb2Te5層であることを特徴とする請求項12に記載の薄膜型トランジスタ。
【請求項14】
前記第1型伝導度を有するカルコゲニド層の下部にゲート絶縁層を介在して形成されたゲート電極をさらに備えることを特徴とする請求項12に記載の薄膜型トランジスタ。
【請求項15】
前記ゲート絶縁層は有機物である高分子PMMA膜であることを特徴とする請求項14に記載の薄膜型トランジスタ。
【請求項16】
前記ゲート絶縁層は、PECVD方法によって形成されたシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項14に記載の薄膜型トランジスタ。
【請求項17】
前記第1型伝導度を有するカルコゲニド層の上部には拡散防止層が形成されていることを特徴とする請求項12に記載の薄膜型トランジスタ。
【請求項18】
前記チャネル層はn型であり、前記ソースおよびドレイン領域はp型であることを特徴とする請求項12に記載の薄膜型トランジスタ。
【請求項19】
前記チャネル層はp型であり、前記ソースおよびドレイン領域はn型であることを特徴とする請求項12に記載の薄膜型トランジスタ。
【請求項1】
n型カルコゲニド素材を製造する方法であって、
カルコゲニド素材をターゲットとして配置するステップ;および
前記カルコゲニド素材を基板上に蒸着するために蒸着チャンバー(chamber)にアルゴン(Ar)ガスと酸素(O2)ガスを注入するステップを含むn型カルコゲニド素材の製造方法。
【請求項2】
前記カルコゲニド素材はGe2Sb2Te5であることを特徴とする請求項1に記載のn型カルコゲニド素材の製造方法。
【請求項3】
n型カルコゲニド素材にTe合金を蒸着するステップ;および
前記Te合金が蒸着されたn型カルコゲニド素材を拡散させるステップを含むp型カルコゲニド素材の製造方法。
【請求項4】
前記Te合金はGeTe、SbTe、Teからなる群から選択される1つであることを特徴とする請求項3に記載のp型カルコゲニド素材の製造方法。
【請求項5】
前記Te合金が蒸着されたn型カルコゲニド素材を拡散させるステップは、
前記Te合金が蒸着されたn型カルコゲニド素材に熱エネルギーを加えて行うことを特徴とする請求項3に記載のp型カルコゲニド素材の製造方法。
【請求項6】
基板上にチャネル層を構成するn型カルコゲニド層を形成するステップと;
前記n型カルコゲニド層の上部に拡散防止層を形成し、前記拡散防止層をパターニングするステップ;および
前記n型カルコゲニド層にTe合金を蒸着し拡散させ、ソースおよびドレイン領域を構成するp型カルコゲニド層を形成するステップを含むカルコゲニド薄膜型トランジスタの製作方法。
【請求項7】
前記基板は、ガラス基板、プラスチック基板、ポリイミド基板、ビニル基板のうちの1つであることを特徴とする請求項6に記載のカルコゲニド薄膜型トランジスタの製作方法。
【請求項8】
前記カルコゲニド層は、Ge2Sb2Te5層で形成することを特徴とする請求項6に記載のカルコゲニド薄膜型トランジスタの製作方法。
【請求項9】
前記チャネル層を構成するn型カルコゲニド層の下部にゲート絶縁層を介在してゲート電極を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項6に記載のカルコゲニド薄膜型トランジスタの製作方法。
【請求項10】
前記ゲート絶縁層は、有機物である高分子PMMA膜であることを特徴とする請求項9に記載のカルコゲニド薄膜型トランジスタの製作方法。
【請求項11】
前記ゲート絶縁層は、PECVD方法によって形成されたシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項9に記載の薄膜型トランジスタの製作方法。
【請求項12】
チャネル層を構成し、第1型伝導度を有するカルコゲニド層と;
前記第1型伝導度を有するカルコゲニド層の両側部に各々形成され、ソースおよびドレイン領域を構成し、第2型伝導度を有するカルコゲニド層;および
前記ソースおよびドレイン領域を構成し、第2型伝導度を有するカルコゲニド層に連結されたソース電極およびドレイン電極を備える薄膜型トランジスタ。
【請求項13】
前記チャネル層とソースおよびドレイン領域を構成するカルコゲニド層はGe2Sb2Te5層であることを特徴とする請求項12に記載の薄膜型トランジスタ。
【請求項14】
前記第1型伝導度を有するカルコゲニド層の下部にゲート絶縁層を介在して形成されたゲート電極をさらに備えることを特徴とする請求項12に記載の薄膜型トランジスタ。
【請求項15】
前記ゲート絶縁層は有機物である高分子PMMA膜であることを特徴とする請求項14に記載の薄膜型トランジスタ。
【請求項16】
前記ゲート絶縁層は、PECVD方法によって形成されたシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項14に記載の薄膜型トランジスタ。
【請求項17】
前記第1型伝導度を有するカルコゲニド層の上部には拡散防止層が形成されていることを特徴とする請求項12に記載の薄膜型トランジスタ。
【請求項18】
前記チャネル層はn型であり、前記ソースおよびドレイン領域はp型であることを特徴とする請求項12に記載の薄膜型トランジスタ。
【請求項19】
前記チャネル層はp型であり、前記ソースおよびドレイン領域はn型であることを特徴とする請求項12に記載の薄膜型トランジスタ。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図20】
【図19】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図20】
【図19】
【公開番号】特開2009−138273(P2009−138273A)
【公開日】平成21年6月25日(2009.6.25)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−312341(P2008−312341)
【出願日】平成20年12月8日(2008.12.8)
【出願人】(596180076)韓國電子通信研究院 (733)
【氏名又は名称原語表記】Electronics and Telecommunications Research Institute
【住所又は居所原語表記】161 Kajong−dong, Yusong−gu, Taejon korea
【Fターム(参考)】
【公開日】平成21年6月25日(2009.6.25)
【国際特許分類】
【出願日】平成20年12月8日(2008.12.8)
【出願人】(596180076)韓國電子通信研究院 (733)
【氏名又は名称原語表記】Electronics and Telecommunications Research Institute
【住所又は居所原語表記】161 Kajong−dong, Yusong−gu, Taejon korea
【Fターム(参考)】
[ Back to top ]