(57)【要約】【課題】特定エッチングガスを使用してヘリコンプラズマ乾式エッチング工程を通じてエッチング工程条件を最適化し、エッチング選択性を向上させた酸化物薄膜トランジスタ素子の製造方法を提供すること。【解決手段】基板とゲート電極とゲート絶縁膜とソース及びドレイン電極と半導体薄膜とを含む酸化物薄膜トランジスタの製造方法において、ゲート絶縁膜又は半導体薄膜は、特定エッチングガスを使用するヘリコンプラズマ乾式工程を通じてパターン化されるステップを含んでいる。【選択図】図１
2008294402.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板とゲート電極とゲート絶縁膜とソース及びドレイン電極と半導体薄膜とを含む酸化物薄膜トランジスタの製造方法であって、
前記ゲート絶縁膜又は半導体薄膜は、アルゴンと塩素を含む混合ガスを、エッチングガスで使用するヘリコンプラズマ乾式工程を通じてパターン化されるステップを含むことを特徴とする酸化物薄膜トランジスタ素子の製造方法。
【請求項２】
前記エッチングガスは、フッ化メタンガスをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の酸化物薄膜トランジスタ素子の製造方法。
【請求項３】
前記エッチングガスは、酸素をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の酸化物薄膜トランジスタ素子の製造方法。
【請求項４】
前記ヘリコンプラズマ乾式工程は、ＲＦ電力が６００ワット（Ｗ）〜１２００ワット（Ｗ）であり、ＲＦバイアス電力が４００ワット（Ｗ）〜１０００ワット（Ｗ）であり、工程圧力が３ｍＴｏｒｒ〜５ｍＴｏｒｒである条件下で実行されることを特徴とする請求項１に記載の酸化物薄膜トランジスタ素子の製造方法。
【請求項５】
前記エッチングガスにおいて、塩素ガスは、全体混合ガス（Ａｒ＋Ｃｌ２）に対して２０％〜８０％の範囲内で含まれることを特徴とする請求項１に記載の酸化物薄膜トランジスタ素子の製造方法。
【請求項６】
前記エッチングガスにおいて、アルゴンガスは、全体混合ガス（Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３）に対して３０％で固定され、塩素ガスは、全体混合ガスに対して１０％以上７０％未満で含まれることを特徴とする請求項２に記載の酸化物薄膜トランジスタ素子の製造方法。
【請求項７】
前記エッチングガスにおいて、アルゴンガスは、アルゴン／塩素／フッ化メタンの混合ガス全体に対して３０％で固定され、塩素ガスは、前記混合ガス（Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３）全体に対して１０％以上７０％未満で含まれ、酸素ガスは、アルゴン／塩素／フッ化メタンの混合ガス１００ｓｃｃｍに対して８〜１０ｓｃｃｍの範囲で含まれることを特徴とする請求項３に記載の酸化物薄膜トランジスタ素子の製造方法。
【請求項８】
前記ゲート絶縁膜はＡｌ２Ｏ３で形成され、前記半導体薄膜はＺｎＯで形成されることを特徴とする請求項１に記載の酸化物薄膜トランジスタ素子の製造方法。
【請求項９】
前記酸化物薄膜トランジスタは、基板／ゲート電極／ゲート絶縁膜／ソース及びドレイン電極／半導体薄膜構造と、
基板／ゲート電極／ゲート絶縁膜／半導体薄膜／ソース及びドレイン電極構造と、
基板／ソース及びドレイン電極／半導体薄膜／ゲート絶縁膜／ゲート電極構造からなった群より選択される構造と
を有することを特徴とする請求項１に記載の酸化物薄膜トランジスタ素子の製造方法。
【請求項１０】
前記酸化物薄膜トランジスタの構造が、基板／ゲート電極／ゲート絶縁膜  ／ソース及びドレイン電極／半導体薄膜の構造からなった場合、
前記半導体薄膜をエッチングする時、エッチングガスとして混合ガス全体に対して塩素ガスの混合比は、２０％〜８０％の範囲内で選択されるアルゴン／塩素の混合ガスを使用することを特徴とする請求項９に記載の酸化物薄膜トランジスタ素子の製造方法。
【請求項１１】
前記酸化物薄膜トランジスタが、基板／ゲート電極／ゲート絶縁膜  ／半導体薄膜／ソース及びドレイン電極の構造からなった場合、
前記半導体薄膜とその下部に位置したゲート絶縁膜との間のエッチング選択性を高めるため、半導体薄膜のエッチング時、エッチングガスとしてアルゴン／塩素／フッ化メタン／酸素の混合ガスが使用され、アルゴン／塩素／フッ化メタンの混合ガスに対するアルゴンガスの混合比を３０％で固定し、前記混合ガスに対する塩素の混合比は４５％〜６０％の範囲内で選択され、前記酸素ガスはアルゴン／塩素／フッ化メタンの混合ガスの１００ｓｃｃｍに対して８〜１０ｓｃｃｍの範囲内で選択されることを特徴とする請求項９に記載の酸化物薄膜トランジスタ素子の製造方法。
【請求項１２】
前記酸化物薄膜トランジスタが、基板／ソース及びドレイン電極／半導体薄膜／ゲート絶縁膜／ゲート電極の構造からなる場合、
前記半導体薄膜とゲート絶縁膜は、一括的にエッチングされて半導体薄膜とゲート絶縁膜のスタック構造を形成することを特徴とする請求項９に記載の酸化物薄膜トランジスタ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、乾式エッチング工程を利用した酸化物薄膜トランジスタ素子の製造方法に関し、より詳細には、亜鉛酸化物（ＺｎＯ）を使用して形成された半導体薄膜又はアルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）を使用して形成されたゲート絶縁膜を、特定エッチングガスを使用するヘリコンプラズマ工程を通じてパターン化する酸化物薄膜トランジスタ素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、平板ディスプレイ産業は、最先端デジタル家電器機及び高機能性個人情報端末器機の発展とともに情報産業の核心技術として位置づけている。この分野は、現在ＬＣＤとＰＤＰで代表される二つの技術が市場を先点している状況であり、有機ＥＬも最近の飛躍的な技術発展とともに商用化及び核心市場創出に拍車をかけている状況である。有機ＥＬは、ＬＣＤとは相異にバックライトユニットを必要とせず、応答速度が速くて画質が優秀なだけではなく、曲げることが可能なフレキシブル基板上にも容易に形成することができるという特徴を有しているので、次世代平板ディスプレイ技術として注目されている。
【０００３】
一方、有機ＥＬの駆動のための薄膜トランジスタは、移動度、電流駆動能力、ドレイン電流のＯＮ／ＯＦＦマージンなどのような駆動用トランジスタの基本的な特性とともに長時間の信頼性及び耐久性などの特性が要求されるだけではなく、低温工程を通じても優秀な性能を確保するべきである。今まで開発されて来た平板ディスプレイ駆動用バックプレーン薄膜トランジスタ技術は大きく４種類に分けられる。
【０００４】
１．ポリシリコンを半導体層として利用する薄膜トランジスタ技術である。現在まで報告されているポリシリコン薄膜トランジスタの特性は、移動度と動作安全性の側面で非常に良好であり、実際にＬＣＤのバックプレーン用薄膜トランジスタでも使用されている。ＬＣＤとは相違に電流駆動型である有機ＥＬの場合には各素子の動作均一性が非常に重要である。しかし、ポリシリコン薄膜トランジスタはシリコンの結晶化方式や工程温度の側面で多くの変数を有しており、特に、低温結晶化ポリシリコンを利用する場合、素子特性の均一性を保障できない状況である。
【０００５】
２．非晶質シリコンを半導体層として利用する薄膜トランジスタ技術である。非晶質シリコンは結晶化過程が不必要なので、成膜工程が単純で大面積工程に容易であり、生産費用が低い長所があるが、ポリシリコン薄膜トランジスタに比べて移動度が非常に低いので電流駆動能力が大きく低下される短所がある。さらに、有機ＥＬバックプレーン用薄膜トランジスタとして使用するためには動作の安全性が非常に重要であるが、非晶質シリコン薄膜トランジスタの場合、経時的に特性が徐々に変化するなど、動作安全性と電気的信頼性が大きく低下されるので現在の技術水準では有機ＥＬ駆動用薄膜トランジスタとして使用が不可能である。勿論、このような電気的信頼性を補償するための付加回路を追加して問題を解決することも可能であるが、回路構成が煩雑になり、開口率減少などの付加的な問題が発生するようになる。
【０００６】
３．有機薄膜層を半導体層として利用する薄膜トランジスタ技術である。この薄膜トランジスタにはペンタセン（ｐｅｎｔａｃｅｎｅ）などの代表的な有機半導体を使用しているが、最近の技術進歩にもかかわらず電気的な動作信頼性及び素子特性の均一性側面でバックプレーン用薄膜トランジスタとして利用するには素子の特性が非常に不足な実情である。
【０００７】
４．酸化物半導体を半導体層として利用する薄膜トランジスタ技術である。酸化物半導体薄膜トランジスタは、比較的良好な移動度特性及び電流駆動能力の確保ができるだけではなく、低温工程が可能で大面積製作にも有利である長所を有している。また、使用する酸化物半導体材料の選択によって透明度の維持ができる長所がある。最近報告されている酸化物トランジスタの性能は、有機ＥＬ駆動のためのバックプレーン用薄膜トランジスタとして充分に活用可能な水準である。酸化物薄膜トランジスタは最近数年間飛躍的な技術進歩が行われた分野であり、今後の素子特性の長期信頼性及び安全性の確保が酸化物トランジスタ技術の解決課題であると言える。
【０００８】
酸化物薄膜トランジスタの大きい長所は、透明バックプレーンの形成が可能な点である。現在まで一番多く研究されて来たＺｎＯ系酸化物薄膜トランジスタは、比較的低温で成膜工程を実行しても高い移動度を得ることができるだけではなく、可視光に対して透明な性質を有するので、有機ＥＬなどのようなディスプレーパネルとともに使用してスマート窓などの多様な応用分野を新たに創出できることで期待される。特に、有機ＥＬのバックプレーン薄膜トランジスタで使用する場合、透明な長所をいかしてチャンネルの幅を最大限広げて開口率を確保しながらも大電流で有機ＥＬを駆動することができるので、有機ＥＬ本然の色再現性を具現することができる。
【０００９】
しかし、酸化物薄膜トランジスタの製造のためには、ＺｎＯのような酸化物半導体薄膜層を形成する時、やっぱり透明な酸化物ゲート絶縁膜及び透明電極薄膜層と共に適切に配置して、トランジスタの製作のために最適化された所定の製造工程を適用しなければならない。
【００１０】
特に、酸化物薄膜トランジスタの製造のためには、酸化物半導体薄膜層、酸化物ゲート絶縁膜薄膜層及び透明電極薄膜層のエッチング特性の確立が非常に重要である。その理由は、薄膜トランジスタの良好な動作特性を確保するためには各材料の薄膜層を所定の位置に正確にパターニングしなければならないからである。現在まで酸化物薄膜トランジスタの製作において各薄膜層のエッチング工程には３種類の技術が主に使用されて来た。１番目は、メタルシャドーマスクを使用して各薄膜層の蒸着を所定の位置にだけ実行してパターニングする技術であり、２番目は、一般的なフォトリソグラフィ工程とリフトオフ工程とを竝行して、薄膜層が存在する所定の位置をフォトレジストのパターンで用意しておいた後、酸化物薄膜層を蒸着して、パターン以外の部分をレジストとともに除去するパターニング技術であり、３番目は、湿式エッチング液を準備して各薄膜層を湿式エッチング工程によりパターニングする技術である。これらパターニング工程は、酸化物薄膜トランジスタを構成する各薄膜層を比較的手軽い方法でパターニングできる長所があるが、次のような技術的な問題を有している。
【００１１】
まず、メタルシャドーマスクを使用して各薄膜層のパターニングを実行する場合、素子の微細化が進行されるほどメタルマスクを使用して各工程間のレイヤー整合を実行することは非常に難しくなる。一般的に、数十マイクロメーター程度の素子設計規則を適用する場合にも、メタルマスクを使用して正確なレイヤー整合を実行することは非常に難しく、今後、数マイクロメーター以下に素子が微細化される場合、メタルシャドーマスクを使用するパターニング工程は適用が不可能になる。
【００１２】
一方、通常のフォトリソグラフィ工程とリフトオフ工程とを並行して酸化物薄膜トランジスタを構成する各薄膜層のパターニングを実行する場合、酸化物薄膜層を形成するスパッタリング方法や原子層蒸着法又は化学的気相蒸着法によりフォトレジストでパターンされた下地部分にだけ正確に酸化物薄膜層を形成することはとても難しくて、蒸着後に実行されるリフトオフ工程で正確なパターンを形成することは困難である。一般的に、数十マイクロメーター以上のパターンを形成する場合、スパッタリング方法で酸化物薄膜層を蒸着してリフトオフ工程で薄膜層のパターニングを実行することはできるが、この場合にもフォトレジストパターンのプラズマ劣化などの問題のため、工程の安全性を確保することはできない。さらに、蒸着薄膜のステップカバレッジ特性が非常に良好な原子層蒸着法や化学的気相蒸着法で酸化物薄膜層を形成する場合には、原理的にリフトオフ工程によるパターニング作業は不可能になる。
【００１３】
また、所定の湿式エッチング液を利用して酸化物薄膜トランジスタを構成する各薄膜層のパターニング工程を実行する場合、各酸化物薄膜層のエッチング率及び各薄膜層間のエッチング選択性を調節して酸化物薄膜トランジスタの製作工程安全性をはかることはとても難しい。その理由は、一般的に使用される前記湿式エッチング液は窒酸水溶液、塩酸水溶液、フッ酸水溶液などの強酸で構成され、このような湿式エッチング液を利用して同一な酸化物の一種である酸化物半導体層、酸化物ゲート絶縁膜、酸化物透明電極層を選択的にパターニングすることは非常に難しいからである。さらに、湿式エッチング液の内部で酸化物薄膜トランジスタを構成する各酸化物薄膜層がエッチングされる速度は非常に速くて、薄膜層の厚さによる正確な工程条件を導出しにくい。また、湿式エッチング工程はその自体の等方性エッチング特性のため、素子の設計規則が微細化されるほど過渡エッチングによるアンダーカット発生などの影響を排除できない。
【００１４】
上述したように、既存のパターニング工程は次世代酸化物薄膜トランジスタを利用する各種応用素子分野において汎用工程で使いにくいし、今後素子のサイズが小さくなるほど一層その使用が困難になることが分かる。したがって、良好な特性を有する酸化物薄膜トランジスタの安定的で再現性のある工程条件導出のためには、制御性がすぐれた乾式エッチング工程を利用することがより望ましい。
【００１５】
さらに、酸化物薄膜トランジスタの製造工程においては、酸化物半導体の上層又は下層に酸化物ゲート絶縁膜又は電極材料が隣接するようになる。これによって、酸化物薄膜トランジスタ素子の製造工程の信頼性を確保するためには、酸化物半導体薄膜層のエッチング工程時に隣接材料との高いエッチング選択比を確保しなければならない。
【００１６】
一方、現在まで報告された代表的な酸化物半導体であるＺｎＯの乾式エッチング工程方法では、ＺｎＯの高いエッチング率の確保のために水素が添加されたエッチングガス雰囲気を使用する場合が多い。しかし、このような先行研究結果はＺｎＯを酸化物半導体で利用する酸化物薄膜トランジスタの製作のために最適化された乾式エッチング工程とは言えなくて、一般的に酸化物薄膜トランジスタに使用されるＺｎＯの膜厚さが充分に薄いという点と水素がＺｎＯの電気的な特性に深刻な影響を及ぼすという点を考慮すれば、むしろ使用が不可能な工程条件であることが分かる。
【００１７】
したがって、酸化物薄膜トランジスタの製造のために酸化物半導体薄膜層をエッチングする場合、全体素子構造の健全性や素子の良好な電気的特性は酸化物薄膜トランジスタの素子構造を考慮して一番適切に設計された特定条件のエッチング工程を通じて達成される。
【００１８】
これによって、本発明者は、酸化物薄膜トランジスタの製造において、酸化物半導体薄膜層をエッチングする時、エッチングガスの種類を特定化してヘリコンプラズマ工程を適用する場合、エッチング選択性を向上させて酸化物薄膜トランジスタを容易に発明できることを見つけて発明を完成した。
【００１９】
【特許文献１】大韓民国特許登録第１０−０６９３０８０号
【特許文献２】大韓民国特許登録第１０−０４８４５０２号
【特許文献３】特開２００３−６８１５５号公報
【非特許文献１】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｓｉｅｎｃｅ，  Ｆｅｂｒｕａｒｙ  ２８，  ２００６，  Ｗａｎｔａｅ  Ｌｉｍ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｄｒｙ  ｅｔｃｈｉｎｇ  ｏｆ  ｂｕｌｋ  ｓｉｎｇｌｅ−ｃｒｙｓｔａｌ  ＺｎＯ  ｉｎ  ＣＨ４／Ｈ２−ｂａｓｅｄ  ｐｌａｓｍａ  ｃｈｅｍｉｓｔｒｉｅｓ”
【非特許文献２】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ，  Ｆｅｂｒｕａｒｙ  ２４，  ２０００，  Ｊｉ−Ｍｙｏｎ  Ｌｅｅ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｄｒｙ  Ｅｔｃｈｉｎｇ  ｏｆ  ＺｎＯ  Ｕｓｉｎｇ  ａｎ  Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ”
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、特定エッチングガスを使用してヘリコンプラズマ乾式エッチング工程を通じてエッチング工程条件を最適化し、エッチング選択性を向上させた酸化物薄膜トランジスタ素子の製造方法を提供ことにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
前記課題を解決するために、本発明は、基板とゲート電極とゲート絶縁膜とソース及びドレイン電極と半導体薄膜とを含む酸化物薄膜トランジスタ素子の製造方法において、前記ゲート絶縁膜又は半導体薄膜はアルゴンと塩素を含む混合ガスをエッチングガスとして使用するヘリコンプラズマ乾式工程を通じてパターン化されるステップを含む酸化物薄膜トランジスタ素子の製造方法を提供する。
【００２２】
好ましくは、本発明による酸化物薄膜トランジスタ素子の製造方法において、エッチングガスはアルゴンと塩素の以外にフッ化メタン又はフッ化メタン及び酸素ガスをさらに含んでいる。
【００２３】
好ましくは、前記エッチングガスにおいて、アルゴン／塩素の混合ガスの場合、塩素ガスは全体混合ガス（Ａｒ＋Ｃｌ２）に対して２０％〜８０％の範囲内で含まれ、アルゴン／塩素／フッ化メタンの混合ガスの場合、アルゴンガスは全体混合ガス（Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３）に対して３０％で固定され、塩素ガスは全体混合ガスに対して１０％以上７０％未満で含まれ、アルゴン／塩素／フッ化メタン／酸素の混合ガスの場合、アルゴンガスは混合ガス（Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３）に対して３０％で固定され、塩素ガスは前記混合ガスに対して１０％以上７０％未満で含まれ、酸素ガスはアルゴン／塩素／フッ化メタンの混合ガス１００ｓｃｃｍに対して８〜１０ｓｃｃｍの範囲で含まれる。
【００２４】
好ましくは、前記へリコンプラズマ乾式工程は、ＲＦ電力が６００ワット（Ｗ）〜１２００ワット（Ｗ）であり、ＲＦバイアス電力が４００ワット（Ｗ）〜１０００ワット（Ｗ）であり、工程圧力が３ｍＴｏｒｒ〜５ｍＴｏｒｒである条件下で実行される。
【００２５】
好ましくは、本発明による酸化物薄膜トランジスタの製造方法において、前記ゲート絶縁膜はＡｌ２Ｏ３で形成され、半導体薄膜はＺｎＯで形成される。
【００２６】
好ましくは、本発明による酸化物薄膜トランジスタ素子は、基板／ゲート電極／ゲート絶縁膜／ソース及びドレイン電極／半導体薄膜構造と、基板／ゲート電極／ゲート絶縁膜／半導体薄膜／ソース及びドレイン電極の構造と、基板／ソース及びドレイン電極／半導体薄膜／ゲート絶縁膜／ゲート電極構造からなった群より選択される。
【００２７】
したがって、本発明の一実施形態による基板／ゲート電極／ゲート絶縁膜／ソース及びドレイン電極／半導体薄膜の構造を有する酸化物薄膜トランジスタ素子は、次のようなステップを通じて製造できる。
【００２８】
（１）基板の上部にゲート電極層用第１の伝導性薄膜層を形成してパターニングするステップ、
（２）前記ゲート電極層の上部にゲート絶縁膜層用酸化物絶縁体薄膜層を形成するステップ、
（３）前記ゲート絶縁膜層の上部にソース及びドレイン電極層用第２の伝導性薄膜層を形成してパターニングするステップ、
（４）前記パターニングされたソース及びドレイン電極層を覆う形態で前記ゲート絶縁膜層の上部に半導体層用酸化物半導体薄膜層を形成してパターニングするステップ。
【００２９】
本発明の一実施形態による酸化物薄膜トランジスタ素子において、好ましくは、半導体層用酸化物半導体薄膜層は亜鉛酸化物（ＺｎＯ）で形成し、へリコンプラズマ乾式エッチング工程を通じてパターン化され、エッチングガスとしてアルゴン／塩素の混合ガス、アルゴン／塩素／フッ化メタンの混合ガス又はアルゴン／塩素／フッ化メタン／酸素の混合ガスを利用することができるが、好ましくは、アルゴン／塩素の混合ガスを利用する。
【００３０】
好ましくは、前記ＺｎＯ酸化物半導体薄膜層の乾式エッチング時、アルゴンと塩素の混合ガスの場合、全体混合ガスに対する塩素ガスの混合比は２０％〜８０％の条件で実行し、アルゴンと塩素の以外にフッ化メタンが含まれる混合ガスの場合、全体混合ガスに対するアルゴンガスの混合比を３０％で固定し、塩素ガスの混合比は１０％以上７０％未満の条件で実行し、ここに酸素ガスがさらに含まれる場合、酸素ガスはアルゴン／塩素／フッ化メタンの混合ガス１００ｓｃｃｍに対して８〜１０ｓｃｃｍの範囲内で添加される。
【００３１】
また、本発明の他の実施形態による基板／ゲート電極／ゲート絶縁膜／半導体薄膜／ソース及びドレイン電極の構造を有する酸化物薄膜トランジスタ素子の場合、次のようなステップを通じて製造できる。
【００３２】
（１）基板の上部にゲート電極層用第１の伝導性薄膜層を形成してパターニングするステップ、
（２）前記ゲート電極層の上部にゲート絶縁膜層用酸化物絶縁体薄膜層を形成するステップ、
（３）前記ゲート絶縁膜層の上部に半導体層用酸化物半導体薄膜層を形成してパターニングするステップ、
（４）前記半導体層の上部にソース及びドレイン電極用第２の伝導性薄膜層を形成してパターニングするステップ。
【００３３】
本発明の他の実施形態による酸化物薄膜トランジスタ素子において、好ましくは、半導体層用酸化物半導体薄膜層は亜鉛酸化物（ＺｎＯ）で形成し、へリコンプラズマ乾式エッチング工程を通じてパターン化され、エッチングガスではアルゴン／塩素の混合ガス、アルゴン／塩素／フッ化メタンの混合ガス又はアルゴン／塩素／フッ化メタン／酸素の混合ガスを利用することができるが、好ましくは、アルゴン／塩素／フッ化メタン／酸素の混合ガスを利用する。
【００３４】
好ましくは、前記ＺｎＯ酸化物半導体薄膜層を乾式エッチングする時、アルゴンと塩素の混合ガスの場合、全体混合ガスに対する塩素ガスの混合比は２０％〜８０％の条件で実行し、アルゴンと塩素以外にフッ化メタンが含まれる混合ガスの場合、全体混合ガスに対するアルゴンガスの混合比を３０％で固定し、塩素ガスの混合比は１０％以上７０％未満の条件で、好ましくは、４５％〜６０％の範囲内で実行し、ここに酸素ガスがさらに含まれる場合、酸素ガスはアルゴン／塩素／フッ化メタンの混合ガス１００ｓｃｃｍに対して８〜１０ｓｃｃｍの範囲内で添加される。
【００３５】
本発明の他の実施形態よる酸化物薄膜トランジスタ素子において、アルゴンと塩素ガスの以外にフッ化メタンを添加する場合、ＺｎＯ酸化物半導体薄膜層とその下部に位置したゲート絶縁膜層との間のエッチング選択比を高めることができ、酸素をさらに添加する場合、エッチング選択比を一層高めることができる。
【００３６】
また、本発明のまた他の実施形態による基板／ソース及びドレイン電極／半導体薄膜／ゲート絶縁膜／ゲート電極構造を有する酸化物薄膜トランジスタは、次のようなステップを通じて製造できる。
【００３７】
（１）基板の上部にソース及びドレイン電極層用第２の伝導性薄膜層を形成してパターニングするステップ、
（２）前記ソース及びドレイン電極層の上部に半導体層として利用される酸化物半導体薄膜層を形成するステップ、
（３）前記半導体層の上部にゲート絶縁膜用酸化物絶縁体薄膜層を形成するステップ、
（４）前記酸化物半導体薄膜層と酸化物絶縁体薄膜層を一括的にパターニングするステップ、
（５）前記ゲート絶縁膜層の上部にゲート電極層用第１の伝導性薄膜層を形成するステップ。
【００３８】
本発明のまた他の実施形態による酸化物薄膜トランジスタ素子では、酸化物半導体薄膜層と酸化物絶縁体薄膜層を一括的にエッチングしてパターン化することができる。好ましくは、パターン化される半導体層用酸化物半導体薄膜層は亜鉛酸化物（ＺｎＯ）で形成され、ゲート絶縁膜用酸化物絶縁体薄膜層はアルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）で形成される。したがって、Ａｌ２Ｏ３／ＺｎＯ構造のゲート絶縁膜薄膜層と酸化物半導体薄膜層のスタック構造のパターンを形成する。
【００３９】
また、酸化物半導体薄膜層と酸化物絶縁体薄膜層が一括的にエッチングされる場合、エッチングガスではアルゴン／塩素の混合ガス、アルゴン／塩素／フッ化メタンの混合ガス又はアルゴン／塩素／フッ化メタン／酸素の混合ガスを利用するヘリコンプラズマ乾式エッチング工程を通じてパターンを形成する。
【００４０】
ＺｎＯ酸化物半導体薄膜層／Ａｌ２Ｏ３酸化物絶縁体薄膜層を乾式エッチングする時、好ましくは、アルゴンと塩素の混合ガスの場合、全体混合ガスに対する塩素ガスの混合比は２０％〜８０％の条件で実行し、アルゴンと塩素の以外にフッ化メタンが含まれる混合ガスの場合、全体混合ガスに対するアルゴンガスの混合比を３０％で固定し、塩素ガスの混合比は１０％以上７０％未満の条件で、好ましくは、１０％〜６０％の範囲内で実行し、このましくは、ここに酸素ガスがさらに含まれる場合、アルゴン／塩素／フッ化メタンの混合ガス１００ｓｃｃｍに対して８〜１０ｓｃｃｍの範囲内で添加する。
【００４１】
一方、Ａｌ２Ｏ３ゲート絶縁膜薄膜層とＺｎＯ酸化物半導体薄膜層の膜厚さを考慮して、エッチングガスの種類及び混合比を適切に選択することが望ましい。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、エッチングガスとしてアルゴンと塩素の混合ガス又はアルゴンと塩素とフッ化メタンの混合ガス又はアルゴンと塩素とフッ化メタンと酸素の混合ガスを利用するヘリコンプラズマ乾式エッチング工程を通じて、ＺｎＯ酸化物半導体薄膜層及びＡｌ２Ｏ３酸化物絶縁体薄膜層を容易に乾式エッチングすることができる。
【００４３】
また、本発明は、既存の湿式エッチング工程ではない乾式エッチング工程を利用してＺｎＯ酸化物半導体薄膜層とＡｌ２Ｏ３酸化物絶縁体薄膜層を容易に乾式エッチングする条件を提供することにより、多様な構造を有する酸化物薄膜トランジスタの製造において工程の便宜性及び再現性のある工程条件を提供することができる。
【００４４】
また、本発明は、全酸化物で構成される酸化物薄膜トランジスタの製造において、半導体の役目をするＺｎＯ酸化物半導体薄膜層とゲート絶縁膜の役目をするＡｌ２Ｏ３酸化物絶縁体薄膜層のエッチング選択性を改善して、酸化物薄膜トランジスタの製造に対する信頼性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
以下、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。図面において、膜又は領域のサイズ又は厚さは、明細書の明確性のために誇張されたことである。一方、本明細書で全般的に使用されている％は、相異に表示されない以上、体積を基準とした百分率である。
【００４６】
図１は、本発明の一実施形態によって製造された酸化物薄膜トランジスタ素子の断面図で、図２は、本発明の他の実施形態によって製造された酸化物薄膜トランジスタ素子の断面図で、図３は、本発明のさらに他の実施形態によって製造された酸化物薄膜トランジスタ素子の断面図である。
【００４７】
図１乃至図３を参照すれば、本発明による酸化物薄膜トランジスタ素子は、基板２００／ゲート電極２０２／ゲート絶縁膜２０４／ソース及びドレイン電極２０６／半導体薄膜２０８からなった構造、基板２００／ゲート電極２０２／ゲート絶縁膜２０４／半導体薄膜２０８／ソース及びドレイン電極２０６からなった構造、又は基板２００／ソース及びドレイン電極２０６／半導体薄膜２０８／ゲート絶縁膜２０４／ゲート電極２０２からなった構造を有する。
【００４８】
一方、図１乃至図３による酸化物薄膜トランジスタの素子構造は、トランジスタの特性を向上させるために一定部分を変更することができ、本発明によるエッチング工程を利用して製造可能な酸化物薄膜トランジスタが提示した３種類の素子構造だけに限定されることではない。図１乃至図３で参照した酸化物薄膜トランジスタの構造は、本発明によるエッチング工程の詳細な内容を効果的に説明するために提示する素子構造の代表図面として理解されなければならない。
【００４９】
以下、図１による酸化物薄膜トランジスタの構造を、例をあげて各層について説明する。各層に付加する説明は、図２及び図３による酸化物薄膜トランジスタにも適用される。
【００５０】
本発明による酸化物薄膜トランジスタにおいて、基板２００は、この分野で一般的に使用される基板を採用することができ、好ましくは、シリコンウェハ、ガラス基板又はプラスチック基板である。
【００５１】
基板２００の上部のゲート電極の役目をする第１の伝導性薄膜層２０２は、金属薄膜層又は高い伝導性を有する酸化物伝導性薄膜層を利用して５００Å〜１５００Åの厚さで形成される。特に、ガラス基板の上に製作されて透明な性質を有する酸化物薄膜トランジスタを製作するためには、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）のような透明性酸化物伝導性薄膜層を利用することが望ましい。
【００５２】
形成された第１の伝導性薄膜層２０２は、この分野で一般的に使用される適切なパターニング方法、例えば、エッチング工程のような方法を適用して、本発明による酸化物薄膜トランジスタのゲート電極の位置に該当する所定の位置にパターニングする。
【００５３】
第１の伝導性薄膜層２０２の上部にゲート絶縁膜の役目をする酸化物絶縁体薄膜層２０４を１０００Å〜２０００Åの厚さで形成する。酸化物絶縁体薄膜層２０４は電気的な絶縁膜として、ゲート電極の役目をする前記伝導性薄膜層パターン２０２と後続工程で形成される酸化物半導体薄膜層パターン２０８との間に位置して、ゲート絶縁膜の役目をする。酸化物絶縁体薄膜層２０４を構成する代表的な材料には、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）などのシリコン系列絶縁膜と、アルミニウム酸化膜（Ａｌ２Ｏ３）、ハフニウム酸化膜（ＨｆＯ２）、ジルコニウム酸化膜（ＺｒＯ２）などの金属酸化物絶縁膜と、良好な絶縁膜特性を有する各種有機系絶縁膜材料などがある。好ましくは、アルミニウム酸化膜（Ａｌ２Ｏ３）を使用する。
【００５４】
一方、酸化物絶縁体薄膜層２０４の形成方法は、通常の半導体素子製作工程で使用される多様な薄膜形成工程方法が使用できる。その代表的な例では、原子層蒸着法（ＡＬＤ）、化学的気相蒸着法（ＣＶＤ）、反応性スパッタリング法（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）などをあげることができ、これら方法を併用又は変形した多様な方法を使用することができる。
【００５５】
酸化物絶縁体薄膜層２０４の上部にはソースとドレイン電極の役目をする第２の伝導性薄膜層２０６が１５００Å〜２５００Åの厚さで形成される。第２の伝導性薄膜層２０６は、第１の伝導性薄膜層２０２と同様に金属薄膜層又は高い伝導性を有する酸化物伝導性薄膜層を利用することができる。特に、ガラス基板の上に製作されて透明な性質を有する酸化物薄膜トランジスタを製作するために、好ましくは、第２の伝導性薄膜層２０６も透明性酸化物伝導性薄膜層を利用する。
【００５６】
また、第２の伝導性薄膜層２０６は、前記第１の伝導性薄膜層２０２とは相違に半導体部分と電気的に直接接触するので、半導体層とのコンタクト部分でオミックコンタクトを形成してコンタクト抵抗を最小化しやすい材料を選択することが望ましい。例えば、ＺｎＯにＡｌが適切な濃度でドーピングされたアルミニウム亜鉛酸化物（ＺｎＯ：Ａｌ）を使用することができる。形成された第２の伝導性薄膜層２０６は、適切なパターニング方法、例えば、エッチング工程のような方法を適用して、本発明による酸化物薄膜トランジスタのソースとドレインの位置に該当する所定位置にパターニングされる。
【００５７】
第２の伝導性薄膜層パターン２０６の上部に半導体の役目をする酸化物半導体薄膜層２０８を１００Å〜３００Åの厚さで形成する。酸化物半導体薄膜層２０８は、以前工程でパターニングされた第２の伝導性薄膜層パターン２０６の間と酸化物絶縁体薄膜層２０２の上部に形成することを特徴とする。酸化物半導体薄膜層２０８は、酸化物であり電気的に半導体の性質を有する多様な酸化物材料を使用することができる。特に、ガラス基板の上に製作されて透明な性質を有する酸化物薄膜トランジスタを製作するためには、透明性酸化物半導体層、例えば、ＺｎＯを利用することが望ましい。
【００５８】
酸化物半導体薄膜層２０８の形成方法では、通常の半導体素子製作工程で使用される多様な薄膜形成工程方法が適用できる。その代表的な例には、原子層蒸着法（ＡＬＤ）、化学的気相蒸着法（ＣＶＤ）、反応性スパッタリング法（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）などがある。
【００５９】
酸化物半導体薄膜層２０８を形成した後、酸化物半導体薄膜層２０８のパターニングは、乾式エッチング工程、特に、へリコンプラズマ乾式エッチング工程を通じて実行する。
【００６０】
本発明による酸化物薄膜トランジスタの製造において、ＺｎＯ酸化物半導体薄膜層２０８の乾式エッチングは、へリコンプラズマ乾式エッチング装置を利用する。特に、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ−Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）又はＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置を使用しないで、特別にヘリコンプラズマ乾式エッチング装置とそれによる適切な混合ガスを利用してエッチングする。
【００６１】
図４は、本発明の相変化メモリー素子の製造時に利用されるヘリコンプラズマ乾式エッチング装置の概念図であり、図５は、図４のへリコンプラズマ乾式エッチング装置のアンテナを利用してヘリコンプラズマを発生させるための構造を模式的に示した図である。
【００６２】
図４及び図５を参照すれば、本発明に利用されるヘリコンプラズマ乾式エッチング装置は、基体９０の上部に半導体基板１００が置かれる両極チャック１０２を含むチャンバ１０４を具備する。チャンバ１０４は腐食性が強いエッチングガスを使用するので、チャンバ内部の腐食を防止するためにアルミニウム（Ａｌ）を酸化処理（Ａｎｏｄｉｚｉｎｇ）する。チャンバ１０４の壁内にはチャンバ１０４を加熱することができるヒーター１０６が設置されている。両極チャック１０２には１３．５６ＭＨｚの周波数の０〜１．０ｋＷ電力を印加できるバイアス電源１０８が接続される。チャンバの壁はカソードの役目を実行する。図４ではチャンバ１０４の圧力を低下させるための真空手段（図示せず）、例えば、真空ポンプやバルブなどは便宜上略して示す。
【００６３】
チャンバ１００の上部にはヘリコンプラズマソース部１１２が設置される。へリコンプラズマソース部１１２は、放電チューブ１１３内にエッチングガス注入口１１４を通じて注入されたエッチングガスをソース電源１１６、磁石（永久磁石や電磁石）１１８及びアンテナ１２０を利用してヘリコンウエーブ１２２を起こして高密度のプラズマを発生させる。
【００６４】
特に、プラズマソース部１１２では、アンテナ１２０により電子の速度と一致するへリコンウエーブ１２２を加えて波動のエネルギーが特定電子のエネルギーを高めることにより、全体電子のエネルギーを高めて衝突回数を増加させて高密度プラズマを発生させる。図５に示したように、ソース電源１１６はマッチングネットワーク１１７を通じてアンテナ１２０に接続され、ソース電源１１６は６０ＭＨｚの周波数の０〜２．０ｋＷの電力を印加することができる。
【００６５】
以下、実施例を通じて本発明をより詳しく説明する。  
【００６６】
［実施例１］
本実施例は、酸化物薄膜トランジスタの半導体材料であるＺｎＯ薄膜層及びゲート絶縁膜材料であるＡｌ２Ｏ３薄膜層に対するエッチングガスの種類によるエッチング率を調査するために実施した。
【００６７】
２個のガラス基板を準備した後、各々のガラス基板上にＺｎＯ及びＡｌ２Ｏ３を使用して原子層蒸着法（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を通じて各々３０００Åの厚さでＺｎＯ薄膜層及びＡｌ２Ｏ３薄膜層を形成した。本実施例では、ＺｎＯ及びＡｌ２Ｏ３薄膜層のエッチング率を調査するために実際酸化物薄膜トランジスタで使われる各薄膜層より厚い厚さの薄膜を蒸着して使用した。
【００６８】
次に、図４及び図５に示したヘリコンプラズマ乾式エッチング装置を使用して、アルゴンと塩素の混合ガスをエッチングガスとして利用して、酸化物薄膜トランジスタの半導体材料であるＺｎＯ薄膜層及びゲート絶縁膜材料であるＡｌ２Ｏ３薄膜層をエッチングしてエッチング率を調査して、その結果を図６に示した。
【００６９】
一方、エッチング工程時のソース電源とバイアス電源の動作周波数は各々６０ＭＨｚと１３．５６ＭＨｚにした。そして、ソース電源の電力は８００Ｗを印加し、バイアス電源の電力は６００Ｗを印加した。また、工程チャンバ圧力は５ｍＴｏｒｒにした。
【００７０】
図６において、Ｘ軸及びＹ軸は各々アルゴンと塩素の混合ガス（Ａｒ＋Ｃｌ２）に対する塩素ガスの混合比（Ｃｌ２／Ａｒ＋Ｃｌ２）とエッチング率を示す。図６によれば、ＺｎＯ薄膜層は、塩素ガス混合比（Ｃｌ２／（Ａｒ＋Ｃｌ２））の増加によってエッチング率が高くなる傾向を示してから、ガス混合比（Ｃｌ２／（Ａｒ＋Ｃｌ２））が６０％以上になれば、その以上はエッチング率が増加しないで飽和する傾向を示すことが分かる。ガス混合比（Ｃｌ２／（Ａｒ＋Ｃｌ２））が２０％である場合のＺｎＯ薄膜層のエッチング率は約８２ｎｍ／ｍｉｎであり、ガス混合比（Ｃｌ２／（Ａｒ＋Ｃｌ２））が６０％である場合のＺｎＯ薄膜層のエッチング率は約１１３ｎｍ／ｍｉｎである。また、Ａｌ２Ｏ３薄膜層はガス混合比（Ｃｌ２／（Ａｒ＋Ｃｌ２））の増加によってエッチング率が大きく高くなる傾向は確認できなかった。特に、ガス混合比（Ｃｌ２／（Ａｒ＋Ｃｌ２））が４０％以上になれば、エッチング率の増加はほとんどなかった。ガス混合比（Ｃｌ２／（Ａｒ＋Ｃｌ２））が２０％である場合のＡｌ２Ｏ３薄膜層のエッチング率は約６９ｎｍ／ｍｉｎであり、ガス混合比（Ｃｌ２／（Ａｒ＋Ｃｌ２））が６０％である場合のＺｎＯ薄膜層のエッチング率は約７９ｎｍ／ｍｉｎである。
【００７１】
したがって、エッチングガスとしてアルゴンと塩素の混合ガスを使用する場合、ＺｎＯ薄膜層はＡｌ２Ｏ３薄膜層より多少高いエッチング率を示すことが分かる。しかし、二つの薄膜層のエッチング率差が最大の条件であるガス混合比（Ｃｌ２／（Ａｒ＋Ｃｌ２））が６０％である場合にも、Ａｌ２Ｏ３薄膜層に対するＺｎＯ薄膜層のエッチング選択性は１．４４程度として、本発明による酸化物薄膜トランジスタの製造において二つの薄膜層間の高いエッチング選択性を要求する構造を有するトランジスタ素子の製造工程で前記エッチング条件を安定的に使用することは難しいかも知れないが、水素ガスを使わない乾式エッチング工程条件で半導体層の役目をするＺｎＯ薄膜層及びゲート絶縁膜の役目をするＡｌ２Ｏ３薄膜層を容易にエッチングすることができる条件である。結果的に、エッチングガスとして使われるアルゴンと塩素の混合ガスでＺｎＯ薄膜層又はＡｌ２Ｏ３薄膜層をエッチングする時、前記塩素ガス混合比を２０％〜８０％にすることができる。
【００７２】
［実施例２］
本実施例は、酸化物薄膜トランジスタの半導体材料であるＺｎＯ薄膜層及びゲート絶縁膜材料であるＡｌ２Ｏ３薄膜層に対する各薄膜層のエッチング率と二つの薄膜層間のエッチング選択比をエッチングガスとしてアルゴン／塩素／フッ化メタンを使用する場合に対して調査するために実施した。
【００７３】
２個のガラス基板を準備した後、各々のガラス基板上にＺｎＯ及びＡｌ２Ｏ３を使用して原子層蒸着法（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を通じて各々３０００Åの厚さでＺｎＯ薄膜層及びＡｌ２Ｏ３薄膜層を形成した。
【００７４】
次に、図４及び図５に示したヘリコンプラズマ乾式エッチング装置を使用して、アルゴン／塩素／フッ化メタンの混合ガスをエッチングガスとして利用して、酸化物薄膜トランジスタの半導体材料であるＺｎＯ薄膜層及びゲート絶縁膜材料であるＡｌ２Ｏ３薄膜層をエッチングしてエッチング率及びエッチング選択比を調査して、その結果を図７に示した。
【００７５】
一方、エッチング工程時のソース電源とバイアス電源の動作周波数は各々６０ＭＨｚと１３．５６ＭＨｚにした。そして、ソース電源の電力は８００Ｗを印加し、バイアス電源の電力は６００Ｗを印加した。また、工程チャンバ圧力は５ｍＴｏｒｒにした。
【００７６】
図７において、Ｘ軸及びＹ軸は各々エッチングガスとして使われるアルゴン／塩素／フッ化メタンの混合ガス（Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３）に対する塩素ガスの混合比（Ｃｌ２／（Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３））とエッチング率及びエッチング選択性を示す。すなわち、図７では、アルゴンガスの混合比（Ａｒ／（Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３））を３０％で固定し、塩素ガス混合比（Ｃｌ２／（Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３））が１０％〜７０％である条件で、ＺｎＯ薄膜層及びＡｌ２Ｏ３薄膜層のエッチング率及びＡｌ２Ｏ３薄膜層に対するＺｎＯ薄膜層のエッチング選択性を示した。
【００７７】
図７に示したように、ＺｎＯ薄膜層は、全体エッチングガスに対する塩素ガス混合比（Ｃｌ２／（Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３））の増加によってエッチング率が高くなる傾向を示してから、塩素ガス混合比（Ｃｌ２／（Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３））が４５％以上になれば、その以上はエッチング率が増加しないで反対に減少する傾向を示すことが分かる。塩素ガス混合比（Ｃｌ２／（Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３））が１０％である場合のＺｎＯ薄膜層のエッチング率は約５２ｎｍ／ｍｉｎであり、ガス混合比（Ｃｌ２／（Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３））が４５％である場合のＺｎＯ薄膜層のエッチング率は約１４４ｎｍ／ｍｉｎである。
【００７８】
一方、Ａｌ２Ｏ３薄膜層は塩素ガス混合比（Ｃｌ２／（Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３））が４５％であるの場合、一番高いエッチング率を示すが、塩素ガス混合比の変化によってエッチング率が著しく変化することではない。塩素ガス混合比（Ｃｌ２／（Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３））が４５％である場合のＡｌ２Ｏ３薄膜層のエッチング率は約１０１ｎｍ／ｍｉｎである。すなわち、ＺｎＯ薄膜層は塩素ガス混合比（Ｃｌ２／（Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３））が２５％以下ではＡｌ２Ｏ３薄膜層より多少低いエッチング率を示してから、塩素ガス混合比（Ｃｌ２／（Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３））が２５％以上になれば、Ａｌ２Ｏ３薄膜層より高いエッチング率を示すことが分かる。
【００７９】
図７に示したエッチング条件で、二つの薄膜層のエッチング選択性を右側のＹ軸に表示した。塩素ガスの混合比（Ｃｌ２／（Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３））を１０％から７０％まで変化させることによって、二つの薄膜層のエッチング選択性を０．６７〜１．４３まで比較的広い範囲で調節できることが分かる。エッチング条件で達成された二つの薄膜層間のエッチング選択性が本発明による酸化物薄膜トランジスタの製造において充分に良好な値とは言えないが、全体ガスに対する塩素ガスの混合比（Ｃｌ２／（Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３））を調節する方法を通じて意味のある範囲で二つの薄膜層のエッチング選択性を選択できるので、本発明による酸化物薄膜トランジスタの製造において製造工程の容易性を向上させることができる。
【００８０】
結果的に、エッチングガスとして使われるアルゴンと塩素とフッ化メタンの混合ガスでＺｎＯ薄膜層及びＡｌ２Ｏ３薄膜層をエッチングする時、アルゴンガスの混合比を３０％で固定して、全体ガスに対する塩素ガスの混合比を１０％以上７０％未満にすることが望ましい。
【００８１】
［実施例３］
本実施例は、酸化物薄膜トランジスタの半導体材料であるＺｎＯ薄膜層及びゲート絶縁膜材料であるＡｌ２Ｏ３薄膜層に対する各薄膜層のエッチング率と二つの薄膜層間のエッチング選択比をエッチングガスとしてアルゴン／塩素／塩化メタン／酸素の混合ガスを使用した場合に対して調査するために実施した。
【００８２】
２個のガラス基板を準備した後、各々のガラス基板上にＺｎＯ及びＡｌ２Ｏ３を使用して原子層蒸着法（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を通じて各々３０００Åの厚さでＺｎＯ薄膜層及びＡｌ２Ｏ３薄膜層を形成した。
【００８３】
次に、図４及び図５に示したヘリコンプラズマ乾式エッチング装置を使用して、アルゴン／塩素／フッ化メタン／酸素の混合ガスをエッチングガスとして利用して、酸化物薄膜トランジスタの半導体材料であるＺｎＯ薄膜層及びゲート絶縁膜材料であるＡｌ２Ｏ３薄膜層をエッチングしてエッチング率及びエッチング選択比を調査して、その結果を図８に示した。
【００８４】
一方、エッチング工程時のソース電源とバイアス電源の動作周波数は各々６０ＭＨｚと１３．５６ＭＨｚにした。そして、ソース電源の電力は８００Ｗを印加し、バイアス電源の電力は６００Ｗを印加した。また、工程チャンバ圧力は５ｍＴｏｒｒにした。
【００８５】
図８において、Ｘ軸及びＹ軸は各々へリコンプラズマ乾式エッチング装置を利用してＺｎＯ薄膜層及びＡｌ２Ｏ３薄膜層を乾式エッチングする時、エッチングガスとして使われるアルゴンと塩素とフッ化メタンの混合ガス（Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３）に対する塩素ガスの混合比（Ｃｌ２／Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３）とエッチング率及びエッチング選択性を示す。この時、酸素は極めて少量が添加されるので、エッチング条件の単純化のために酸素の添加量は各ガスの混合比算定のための全体エッチングガスの範囲には算定しなかった。
【００８６】
図８のエッチング条件が図７に示したエッチング条件と異なっている点は、エッチングガスとして使われるアルゴンと塩素とフッ化メタンの混合ガス（Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３）に少量の酸素ガスを添加する点である。この時、添加される酸素ガスの量はアルゴン／塩素／フッ化メタンの混合ガスの量を１００ｓｃｃｍにした時、８ｓｃｃｍ〜１０ｓｃｃｍ程度である。すなわち、図８は、アルゴンガスの混合比（Ａｒ／Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３）を３０％で固定して、酸素ガスの添加量を８ｓｃｃｍで固定して、混合ガス（Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３）に対する塩素ガス混合比（Ｃｌ２／Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３）が１０％〜６０％である条件で、ＺｎＯ薄膜層及びＡｌ２Ｏ３薄膜層のエッチング率及びＡｌ２Ｏ３薄膜層に対するＺｎＯ薄膜層のエッチング選択性を示した。
【００８７】
図８に示したように、ＺｎＯ薄膜層は、全体エッチングガスに対する塩素ガス混合比（Ｃｌ２／（Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３））の増加によってエッチング率が高くなる傾向を示してから、塩素ガス混合比（Ｃｌ２／（Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３））が４５％以上になれば、その以上はエッチング率が増加しないで反対に減少する傾向を示すことが分かる。塩素ガス混合比（Ｃｌ２／Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３））が１０％である場合のＺｎＯ薄膜層のエッチング率は約６９ｎｍ／ｍｉｎであり、塩素ガス混合比（Ｃｌ２／Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３））が４５％である場合のＺｎＯ薄膜層のエッチング率は約１２３ｎｍ／ｍｉｎである。
【００８８】
一方、Ａｌ２Ｏ３薄膜層は、塩素ガス混合比（Ｃｌ２／（Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３））が２５％以下である場合には、エッチング率が変化しないで、塩素ガス混合比（Ｃｌ２／（Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３））が２５％以上になれば、エッチング率が大きく低下される傾向を示すことが分かる。塩素ガス混合比（Ｃｌ２／Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３））が６０％である場合、Ａｌ２Ｏ３薄膜層のエッチング率は約５６ｎｍ／ｍｉｎである。
【００８９】
図８に示したように、図７に示したエッチングガスとしてアルゴンと塩素とフッ化メタンの混合ガスを使用する場合に比して、アルゴンと塩素とフッ化メタンの混合ガスに酸素を添加することによって、ＺｎＯ薄膜層とＡｌ２Ｏ３薄膜層のエッチング率が減少することが分かる。一方、ＺｎＯ薄膜層のエッチング率は、塩素ガス混合比（Ｃｌ２／Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３））が２５％以上で大きく増加することに比べて、Ａｌ２Ｏ３薄膜層のエッチング率は反対に減少するので、塩素ガス混合比（Ｃｌ２／Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３））が２５％以上で二つの薄膜層間のエッチング選択性が改善されることが分かる。
【００９０】
図８のエッチング条件で、二つの薄膜層のエッチング選択性を右側のＹ軸に表示した。塩素ガスの混合比（Ｃｌ２／Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３））を１０％から６０％まで変化させることによって二つの薄膜層のエッチング選択性を０．８５〜１．９４まで調節できることが分かる。特に、Ａｌ２Ｏ３薄膜層に対するＺｎＯ薄膜層のエッチング選択性を、図６及び図７で適用したエッチング条件に比べて大きく向上させることができる。このような現状は混合ガスを適用しながら添加した少量の酸素が特定のガス混合比条件で二つの薄膜層のエッチング工程に相異である影響を及ぼしているからであると考えられる。エッチング条件で達成された二つの薄膜層間のエッチング選択性が本発明による酸化物薄膜トランジスタの製造において充分に良好な値とは言えないが、エッチング混合ガスに少量の酸素を添加する作用によって工程マージンを大きく向上させることができることを確認した。
【００９１】
結果的に、エッチングガスとして使われるアルゴン／塩素／フッ化メタン／酸素の混合ガスでＺｎＯ薄膜層及びＡｌ２Ｏ３薄膜層をエッチングする時、アルゴンガスの混合比を３０％で固定して、酸素ガスの添加量を８ｓｃｃｍで固定して、混合ガス（Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３）に対する塩素ガス混合比（Ｃｌ２／Ａｒ＋Ｃｌ２＋ＣＨＦ３）が１０％〜６０％である条件で、好ましくエッチングすることができる。
【００９２】
図９は、図７及び図８に示した二つの薄膜層間のエッチング選択比を比較して示したグラフである。
【００９３】
図９を参照すれば、エッチングガスとしてアルゴン／塩素／フッ化メタンの混合ガスを使用する場合、少量の酸素を添加することにより、Ａｌ２Ｏ３薄膜層に対するＺｎＯ薄膜層のエッチング選択性を同一条件で最大１．４倍向上させることができることが分かる。
【００９４】
したがって、本発明による酸化物薄膜トランジスタの製造において、半導体層の役目をするＺｎＯ薄膜層をエッチングする場合、その下層にゲート絶縁膜の役目をするＡｌ２Ｏ３薄膜層が存在する所定の素子構造を製作する場合にもＡｌ２Ｏ３薄膜層に無理な損傷が発生しない範囲でＺｎＯ薄膜層のエッチング条件をより広い工程マージンを有して導出できることが分かる。
【００９５】
［実施例４］
本実施例では、図１に提示した本発明による酸化物薄膜トランジスタ素子を製造した。
【００９６】
ガラス基板２００の上部にインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）を使用してゲート電極の役目をする第１の伝導性薄膜層２０２を１０００Åの厚さでスパッタリング蒸着法を通じて形成した後、パターニングした。次に、第１の伝導性薄膜層パターン２０２の上部にＡｌ２Ｏ３を使用して原子層蒸着法を利用してゲート絶縁膜の役目をする酸化物絶縁体薄膜層２０４を１７００Åの厚さで形成した。
【００９７】
酸化物絶縁耐薄膜層２０４の上部には、ＺｎＯにＡｌが２重量％の濃度でドーピングされたアルミニウム亜鉛酸化物を使用してソースとドレインの役目をする第２の伝導性薄膜層２０６を２０００Åの厚さで原子層蒸着法を通じて形成した後、パターニングした。
【００９８】
第２の伝導性薄膜層パターン２０６の上部に、ＺｎＯを利用して原子層蒸着法を通じて半導体の役目をする酸化物半導体薄膜層２０８を１８０Åの厚さで形成した。酸化物半導体薄膜層２０８は先行工程でパターニングされた前記第２の伝導性薄膜層パターン２０６の間と酸化物絶縁体薄膜層２０４の上部に形成されることを特徴とする。
【００９９】
酸化物半導体薄膜層２０８を形成した後には、図４及び図５に提示したへリコンプラズマ乾式エッチング装置で酸化物半導体薄膜層２０８をパターニングする工程を実行した。エッチング工程時のソース電源とバイアス電源の動作周波数は各々６０ＭＨｚと１３．５６ＭＨｚにした。そして、ソース電源は、電力は８００Ｗを印加し、バイアス電源の電力は６００Ｗを印加した。また、工程チャンバ圧力は５ｍＴｏｒｒにした。この時、エッチングガスとしてアルゴンと塩素の混合ガスを利用して実行した。
【０１００】
また、アルゴンと塩素の混合ガス（Ａｒ＋Ｃｌ２）に対する塩素ガスの混合比（Ｃｌ２／Ａｒ＋Ｃｌ２）が２０％である条件で実行した。本実施例で前記条件を選択した理由は、本発明による酸化物薄膜トランジスタを構成するＺｎＯ酸化物半導体層２０８の厚さが１８０Å程度に薄いので、エッチング率を適切に調節してとても早い時間にエッチング工程が終了しないようにして、とても速いエッチング率を示す工程を使用してＺｎＯ酸化物半導体層２０８の下部に位置してソース及びドレインの役目をする第２の伝導性薄膜層２０６に深刻な工程劣化を伴わないようにするためである。
【０１０１】
一方、本実施例で製作した酸化物薄膜トランジスタのチャンネル幅と長さは、各々４０μｍと１０μｍである。
【０１０２】
実施例４で製作した酸化物薄膜トランジスタのドレイン電圧−ドレイン電流特性及びゲート電圧−ドレイン電流特性を調査して、その結果を図１０及び図１１に示した。
【０１０３】
図１０及び図１１を参照すれば、本発明による酸化物薄膜トランジスタのドレイン電圧−ドレイン電流特性及びゲート電圧−ドレイン電流特性を測定した結果、良好なトランジスタの出力及び伝達特性を示していることが確認できる。これは、本発明によるＺｎＯ酸化物半導体薄膜層の乾式エッチング工程条件が酸化物薄膜トランジスタの製作と良好な特性確保のためによく反映された結果であると言える。
【０１０４】
以上、添付の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説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範囲内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、そ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。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明の一実施形態による酸化物薄膜トランジスタ素子の断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態による酸化物薄膜トランジスタ素子の断面図である。
【図３】本発明のまた他の実施形態による酸化物薄膜トランジスタ素子の断面図である。
【図４】本発明の酸化物薄膜トランジスタ素子の製造時に利用されるヘリコンプラズマ乾式エッチング装置の概念図である。
【図５】図４のへリコンプラズマ乾式エッチング装置のアンテナを利用してヘリコンプラズマを発生させるための構造を模式的に示した図である。
【図６】本発明に採用されたヘリコンプラズマ乾式エッチング工程を通じて、アルゴンと塩素の混合ガスを利用して、酸化物薄膜トランジスタの半導体材料である亜鉛酸化物薄膜層（ＺｎＯ）及びゲート絶縁膜材料であるアルミニウム酸化物薄膜層（Ａｌ２Ｏ３）のエッチング時の各薄膜層のエッチング率をグラフに示した図である。
【図７】本発明に採用されたヘリコンプラズマ乾式エッチング工程を通じて、アルゴン／塩素／フッ化メタンの混合ガスを利用して、酸化物薄膜トランジスタの半導体材料である亜鉛酸化物薄膜層（ＺｎＯ）及びゲート絶縁膜材料であるアルミニウム酸化物薄膜層（Ａｌ２Ｏ３）のエッチング時、各薄膜層のエッチング率と二つの薄膜層の間のエッチング選択比をグラフに示した図である。
【図８】本発明に採用されたヘリコンプラズマ乾式エッチング工程を通じて、アルゴン／塩素／フッ化メタン／酸素の混合ガスを利用して、酸化物薄膜トランジスタの半導体材料である亜鉛酸化物薄膜層（ＺｎＯ）及びゲート絶縁膜材料であるアルミニウム酸化物薄膜層（Ａｌ２Ｏ３）のエッチング時、各薄膜層のエッチング率と二つの薄膜層の間のエッチング選択比をグラフに示した図である。
【図９】本発明に採用されたヘリコンプラズマ乾式エッチング工程を通じて、アルゴン／塩素／フッ化メタンの混合ガスを利用する場合とアルゴン／塩素／フッ化メタン／酸素の混合ガスを利用する場合、酸化物薄膜トランジスタの半導体材料である亜鉛酸化物薄膜層（ＺｎＯ）及びゲート絶縁膜材料であるアルミニウム酸化物薄膜層（Ａｌ２Ｏ３）のエッチング時、二つの薄膜層の間のエッチング選択比を比較してグラフに示した図である。
【図１０】本発明によって製作された酸化物薄膜トランジスタ素子のドレイン電圧−ドレイン電流特性をグラフに示した図である。
【図１１】本発明によって製作された酸化物薄膜トランジスタ素子のゲート電圧−ドレイン電流特性をグラフに示した図である。
【符号の説明】
【０１０６】
２００  基板
２０２  ゲート電極用第１の伝導性薄膜層
２０４  ゲート絶縁膜用酸化物絶縁体薄膜層
２０６  ソース及びドレイン電極用第２の伝導性薄膜層
２０８  半導体層用酸化物半導体薄膜層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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