KR100960808B1 - Oxide semiconductor thin film and fabrication method thereof - Google Patents

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KR100960808B1
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구창영
김동조
문주호
정영민
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연세대학교 산학협력단
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본 발명은 ZnO 100몰과, Ga 2 O 3 10 ~ 130몰과, In 2 O 3 10 ~ 150몰로 구성되는 비정질 반도체 산화물 박막으로서, 상기 산화물 박막은 Zn, Ga 및 In 을 포함하는 전구체 용액을 열처리하여 얻어진 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 박막을 제공한다. The present invention is the heat treatment of a precursor solution as an amorphous semiconductor oxide film consisting of ZnO 100 mol and, Ga 2 O 3 10 ~ 130 mol and, In 2 O 3 10 ~ 150 mol, the oxide thin film including Zn, Ga and In to provide an oxide semiconductor thin film, it characterized in that the obtained. 상기 박막은 금속 질화물 또는 금속 아세테이트 형태의 무기염 전구체로서, 각각 Zn, Ga, In을 포함하는 제1물질, 제2물질, 제3물질과, 전체 용액 100 몰 기준으로 90 ~ 99 몰의 용매를 포함하며, Zn을 포함하는 제1물질 100몰에 대하여, Ga을 포함하는 제2물질은 10 ~ 130 몰, In을 포함하는 제3물질은 10 ~ 150 몰을 함유하는 전구체 용액을 대상 기판에 스핀 코팅 또는 잉크젯 프린팅 등의 용액 공정에 의하여 형성할 수 있다. The film is the first material, second material, third material, and a solvent of 90 to 99 mol to 100 total solution on a molar basis, including, respectively, Zn, Ga, In as an inorganic salt precursor of a metal nitride or a metal acetate form including and to the first material 100 mol containing Zn, the second material containing Ga is preferably from 10 to 130 moles, the third material is spin a precursor solution containing 10 to 150 mol on the target substrate including in It can be formed by a solution process such as coating or ink jet printing.
비정질, 산화물, 용액 공정 Amorphous oxide, Solution Process

Description

산화물 반도체 박막 및 그 제조 방법{OXIDE SEMICONDUCTOR THIN FILM AND FABRICATION METHOD THEREOF} Oxide semiconductor thin film and a method of manufacturing {OXIDE SEMICONDUCTOR THIN FILM AND FABRICATION METHOD THEREOF}

본 발명은 산화물 반도체 박막 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 산화물의 전구체 용액을 이용하여 용액 공정에 의하여 박막을 형성하며, 박막트랜지스터 등의 전자 소자 부품을 저가의 공정으로 제조할 수 있다. The present invention to provide an electronic component part such as an oxide semiconductor thin film, and relates to a production method, using the precursor solution of the oxide to form a thin film by a solution process, the thin film transistor can be produced by the process of the cost.

액정 표시 장치, 유기 발광 다이오드 등의 박막형 디스플레이에 대한 수요와 관심이 증가되면서, 최근에는 휘거나, 구부리더라도 물성의 저하 없이 사용 가능한 차세대 플렉시블 디스플레이 구현을 위한 연구가 진행되고 있다. As the liquid crystal display device, increase in the demand and interest in the thin film type display such as an organic light emitting diode, in recent years, bending and, becoming a study for the next generation flexible displays implemented operates with no degradation of physical properties even if the bending process.

현재 상용화되어 있는 미세 패턴 제작기술인 광학적 패터닝 (Photolithograph) 방법의 경우 진공 증착 후에 노광-식각 공정을 거치게 되는데 고가의 진공 장비가 필요하기 때문에 디스플레이 제작 원가를 상승시키는 원인이 되고 있다. For making a fine pattern technology, the optical pattern (Photolithograph) method that is currently available vacuum deposition after exposure - go through the etching process has become a cause of increasing the display manufacturing cost due to the need for expensive vacuum equipment. 또한, 패턴 구현이 경질 기판에만 국한되어 차세대 플렉시블 디스플레이 소자에 적용하기에는 한계가 있다. In addition, the pattern implementations are limited to a rigid substrate is limited to apply to the next generation flexible display devices.

광학적 패터닝의 대안으로 Soft Lighography와 Nano Imprinting, Ink-jet Printing, Direct Laser Writing, Dip-pen Nanolighography 등이 있으며, 이들은 고가의 진공장비가 소요되지 않기 때문에 비용 절감에 따른 제품 가격 경쟁력 창출에 효과적이다. And the like, optically alternative patterned Soft Lighography and Nano Imprinting, Ink-jet Printing, Direct Laser Writing, Dip-pen Nanolighography, which is effective in prices create competitiveness in cost savings because it does not take an expensive vacuum equipment.

박막트랜지스터는 스위치 역할을 하는 기본 단위 소자로서 모든 정보/전자 장치 및 디스플레이의 핵심 부품이다. Thin-film transistors are all the information / key component of the electronic device and a display unit as a basic element for the switch. 현재 박막 트랜지스터 재료로 널리 이용되는 다결정 실리콘은 물성, 수명, 성능 안정성 측면에서 장점을 가지고 있지만, 박막을 형성하기 위해서 진공 증착과 레이저 어닐링 공정 등이 요구되며, 이를 위한 고가의 장비가 디스플레이 제작 원가를 상승시키고 있다. Current, but a thin film polycrystalline widely used as a transistor material silicon have advantages in physical properties, life, side performance stability, and the vacuum deposition and laser annealing process required to form a thin film, expensive equipment is the display manufacturing cost therefor there were rising.

새로운 박막트랜지스터 재료로서 무기 아연산화물(ZnO)은 에너지 밴드갭이 넓고 광투과도가 우수하여 박막트랜지스터에서 활성 영역의 채널층으로 이용하는데 큰 관심을 받고 있다. Inorganic zinc oxide thin film transistor as a new material (ZnO) has attracted much attention to the excellent energy band gap wide and light transmittance used as a channel layer of the active area in the thin-film transistor. 트랜지스터 성능을 개선하기 위해서는 ZnO 박막의 결함 밀도를 감소시킴으로써 캐리어 농도를 제어하고 전극과 ZnO 층, ZnO 층과 게이트 유전층 사이의 계면 특성을 향상시킬 필요가 있다. In order to improve the transistor performance, it is necessary to control the carrier concentration by reducing the defect density of the ZnO thin film and to improve the interface characteristics between the electrode and the ZnO layer, the ZnO layer and the gate dielectric layer.

그러나, 우수한 디바이스 특성에도 불구하고, ZnO 산화물 박막을 형성하기 위해서는 여전히 스퍼터링, 펄스 레이저 증착(PLD) 등의 고 비용 진공 공정이 요구되는 단점이 있다. However, there is a disadvantage that the less, still requires a high cost of the sputtering vacuum process, such as pulsed laser deposition (PLD) in order to form a ZnO oxide thin film excellent in device characteristics.

대량 생산이 가능하고 제조 비용을 낮추기 위해서는 저 비용의 용액 기반 기술, 예를 들어 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅 등의 기술로 박막트랜지스터를 제조하는 방법이 요구되고 있다. For mass production is possible and reduce the production cost of the low-cost solution-based techniques, for example there is a need for a method for manufacturing a thin-film transistor technology such as spin coating, ink-jet printing. 용액 공정에 사용되는 전구체 물질은 박막트랜지스터를 저온에서 형성할 수 있어야 하며, 높은 이동도와 우수한 스위칭 특성, 그리고 높은 점멸비( I on / off )를 갖추어야만 한다. Precursor material is used in a solution process, it must be able to form a thin film transistor at a low temperature, and should be provided with an excellent switching characteristic high mobility, and high off ratio (I on / off). 특히, 300℃ 이하의 저온 열처리 하에서도 이동도가 우수하고 높은 점멸비 특성을 갖는 고품질 ZnO 박막을 얻는 것이 매우 중요하다. In particular, in a low-temperature heat treatment of less than 300 ℃ it is also very important to obtain a high-quality ZnO thin film having a mobility is excellent and high off ratio characteristic. 그러나, 용액 상태의 물질을 이용하여 우수한 박막트랜지스터를 얻는 것은 전구체, 용매, 기타 첨가물에 잔류하는 유기물로 인하여 매우 어려운 것으로 알려지고 있다. However, to obtain an excellent thin film transistor using the materials in solution is known to be very difficult because of the organic substance remaining in the precursor, a solvent and other additives.

본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로서, 플렉시블 기반의 전자 부품 제조가 가능한 반도체 구조물을 제공하는데 목적이 있다. The present invention been made under the above-described technical background, and aims to provide a flexible base of the electronic component is possible semiconductor structures manufacturing. 특히, 본 발명의 목적은 박막트랜지스터에 활용될 수 있는 산화물 반도체 박막을 제공하는데 있다. In particular, it is an object of the present invention to provide an oxide semiconductor thin film that can be used in thin film transistors.

또한, 본 발명은 용액 공정에 의하여 박막 형성이 가능한 반도체 제조 방법을 제공하는데 있다. In addition, the present invention is to provide a semiconductor production process capable of forming a thin film by a solution process.

기타, 본 발명의 다른 목적 및 특징은 이하에서 보다 구체적으로 제시될 것이다. Other, other objects and features of the invention will be presented in more detail below.

본 발명은 ZnO 100몰과, Ga 2 O 3 10 ~ 130몰과, In 2 O 3 10 ~ 150몰로 구성되는 비정질 반도체 산화물 박막으로서, 상기 산화물 박막은 Zn, Ga 및 In 을 포함하는 전구체 용액을 열처리하여 얻어진 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 박막을 제공한다. The present invention is the heat treatment of a precursor solution as an amorphous semiconductor oxide film consisting of ZnO 100 mol and, Ga 2 O 3 10 ~ 130 mol and, In 2 O 3 10 ~ 150 mol, the oxide thin film including Zn, Ga and In to provide an oxide semiconductor thin film, it characterized in that the obtained.

또한, 본 발명은 금속 질화물 또는 금속 아세테이트 형태의 무기염 전구체로서, 각각 Zn, Ga, In을 포함하는 제1물질, 제2물질, 제3물질과, 전체 용액 100 몰 기준으로 90 ~ 99 몰의 용매를 포함하며, Zn을 포함하는 제1물질 100몰에 대하여, Ga을 포함하는 제2물질은 10 ~ 130 몰, In을 포함하는 제3물질은 10 ~ 150 몰을 함유하는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 박막 전구체 용액을 제공한다. The present invention is of 90 to 99 moles of the first material, second material, third material, and the total solution to 100 molar basis, including, respectively, Zn, Ga, In as an inorganic salt precursor of a metal nitride or a metal acetate form and a solvent, relative to the first material 100 mol containing Zn, the second material containing Ga is an oxide of a third material is characterized in that it contains 10 to 150 mol comprising 10 to 130 mol, in and it provides a semiconductor thin film precursor solution.

상기 전구체 용액은 대상 기판에 스핀 코팅 또는 잉크젯 프린팅 등의 용액 공정에 의하여 박막을 형성할 수 있으며, 상기 박막을 열처리하여 전도성 캐리어를 생성함으로써 반도체 박막으로 이용할 수 있다. The precursor solution may form a thin film by a solution process such as spin coating or inkjet printing on the target substrate can be used, by heat-treating the thin film generates a conductive carrier with a semiconductor thin film.

뿐만 아니라, 상기 전구체 용액은 잉크젯 프린팅용 졸겔 용액, 즉 잉크젯 프린팅용 잉크로 사용하여 각종 전자 소자의 부품 형성에 활용할 수 있다. In addition, the precursor solution may be utilized to form parts of various electronic devices using a sol-gel solution for inkjet printing, that is ink for ink-jet printing.

본 발명에 따르면, 새로운 플렉시블 기반의 전자 소자를 제조할 수 있다. According to the invention, it is possible to manufacture a new flexible-based electronic devices. 특히, 박막 형성에 있어서 고가의 진공 장비를 사용하지 않고 용액 기반 공정을 이용함으로써 전체적인 제조 비용을 낮출 수 있고, 고온 공정을 피하여야 하는 플라스틱 등의 기판을 이용하여 박막트랜지스터를 형성할 수 있는 장점이 있다. In particular, the advantage that is capable of forming a thin film transistor without the use of expensive vacuum equipment by using a solution-based process can lower the overall manufacturing cost, by using a substrate such as plastic, which must avoid a high temperature step in the thin film formation have.

본 발명은 박막트랜지스터 뿐만 아니라 각종 디스플레이나 메모리 등, 첨단 전자 제품의 각종 부품에 응용될 수 있을 것이다. The invention can be applied to various parts of the state-of-the-art electronics such as thin film transistors, as well as various display or memory.

본 발명은 졸겔 용액을 기반으로 하여 갈륨(Ga) 또는 인듐(In)이 도핑된 고품질의 비정질 ZnO 박막(GIZO 또는 IZO)을 제안한다. The invention proposes a sol-gel solution on the basis of the gallium (Ga) or indium (In) is in an amorphous ZnO thin film doped with high quality (GIZO or IZO). 또한, 도판트의 함량과 열처 리 온도가 비정질 산화물 박막트랜지스터의 특성에 미치는 영향을 제시한다. Moreover, it presents the effect of the amount and heat treatment temperature of the dopant on the properties of the amorphous oxide thin film transistor.

본 발명에 따른 산화물 박막을 이용한 박막트랜지스터는 이동도가 0.5 cm 2 /V·s 이상이고, 점멸비가 10 5 이상으로서 우수한 물성을 나타내어 유리 및 플렉시블 기반의 전자 소자로서 활용될 수 있다. A thin film transistor using an oxide thin film according to the present invention exhibits excellent properties as a mobility of 0.5 cm 2 / V · s or more and, flashing ratio of 10 5 or higher may be utilized as an electronic device of the glass and the flexible base.

본 발명에 따른 반도체 산화물 박막의 제조 단계는 도 1의 공정도에 도시한 바와 같이, 먼저 산화물 박막의 전구체 용액을 준비한다(단계 S1). Manufacturing steps of a semiconductor oxide film according to the present invention as illustrated in flow diagram of Figure 1, first preparing a precursor solution of an oxide thin film (step S1). 이 전구체 용액은 금속 질화물 또는 금속 아세테이트 형태의 무기염 전구체로서, 각각 Zn, Ga, In을 포함하는 제1물질, 제2물질, 제3물질과, 전체 용액 100 몰 기준으로 90 ~ 99 몰의 용매를 포함하며, Zn을 포함하는 제1물질 100몰에 대하여, Ga을 포함하는 제2물질은 10 ~ 130 몰, In을 포함하는 제3물질은 10 ~ 150 몰을 함유한다. The precursor solution is a metal nitride or a metal acetate in the form of an inorganic salt precursors, respectively, Zn, Ga, the first material, second material, third material, and a solvent of 90 to 99 mol to 100 total solution on a molar basis which includes In to include, and to a third material to a second material to the first material 100 mol containing Zn, include Ga comprises 10 to 130 mol, in will contain from 10 to 150 mol.

Ga의 경우 하한 값 보다 함량이 낮으면 최종적인 산화물 반도체 박막의 전하 캐리어 형성이 과다하여 전도체와 유사한 거동을 하게 되며 트랜지스터로 이용할 경우에 on/off switching을 할 수 없는 문제가 있다. If the Ga content is low, than the lower limit value to a similar behavior and the final oxide conductor to the over-charge carriers in the semiconductor thin film formed and there is a problem that can not be in the case of using a transistor on / off switching. 반면, 상한 값 보다 함량이 과다하게 되면 Ga이 산화물 박막 내의 다른 이온 (Zn, In) 보다 산소와의 결합성이 크기 때문에 전하 캐리어 형성을 억제하게 되어 산화물 박막의 반도체 물성을 저하시키게 된다. On the other hand, if the content is over than the upper limit value due to Ga is the binding of oxygen than other ions (Zn, In) in the oxide film in size and suppress the charge carriers is formed, thereby degrading the physical properties of the oxide thin film semiconductor.

한편, In의 경우 하한 값 보다 함량이 낮으면 In 도핑에 의한 산화물 반도체 박막의 전하 캐리어 수가 적어 반도체 물성이 저하되며, 상한 값 보다 함량이 높을 경우 과다한 전하 캐리어 형성으로 인하여 전도성을 갖게 되어 산화물 박막을 반도 체 층으로 사용할 수 없게 된다. On the other hand, if the In content low, than the lower limit value, the fewer charge carriers of the oxide semiconductor thin film according to the In-doped and the semiconductor properties decrease, the amount is higher than the upper limit value is to have the conductivity due to excess charge carriers form the oxide thin film It can not be used as a semiconductor layer.

상기 용매는 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol), 이소프로판올(isopropanol), 에탄올(ethanol), 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 부탄디올(butanediol), 1-부탄디올(1-butandiol), 2-부탄디올(2-butandiol) 중에서 선택될 수 있다. The solvent is 2-methoxyethanol (2-methoxyethanol), isopropanol (isopropanol), ethanol (ethanol), ethylene glycol (ethylene glycol), butanediol (butanediol), butanediol 1- (1-butandiol), 2-butanediol (2 It may be selected from -butandiol). 또한, 상기 전구체 용액은 알카노아민(alkano amine) 계의 에탄올아민(ethanolamine), 디메틸아민(dimethyl amine), 트리에탄올아민(triethanol amine), 또는 아세틸아세톤(acetylacetone), 아세트산(acetic acid)에서 선택되는 어느 하나의 착화제 2 ~ 10 몰을 더 포함할 수 있으며, 2 ~ 15 몰의 포름아미드(formamide)을 더 포함할 수 있다. Also, the precursor solution is alkanoyl amine (alkano amine) type of ethanolamine (ethanolamine), dimethyl amine (dimethyl amine), triethanol amine (triethanol amine), or acetylacetone (acetylacetone), it is selected from acetic acid (acetic acid) It may further include any one of a complexing agent 2 to 10 mol, and may further include a formamide (formamide) of 2 to 15 mol.

상기 전구체 용액은 스핀 코팅 또는 잉크젯 프린팅 등의 용액 공정을 통하여 대상 기판에 도포하여 박막을 형성한다(단계 S2). The precursor solution to form a thin film by coating on the target substrate through a solution process such as spin coating or ink jet printing (step S2). 형성된 박막은 건조 단계로서 1차 열처리하여 유기물을 제거하고(단계 S3), 2차적인 열처리를 통하여 박막 내에 전하 캐리어를 생성한다(단계 S4). Formed thin film is removed by heat-treating an organic material as the first drying step (step S3), and generates charge carriers in the thin film via a second heat treatment (step S4).

상기 1차 열처리는 100 ~ 500 ℃ 온도에서 수행되는 산소 분위기 열처리, 질소 분위기 열처리, 플라즈마 처리, 또는 수분 함유 열처리 중의 어느 하나일 수 있고, 상기 2차 열처리는 100 ~ 600 ℃ 온도에서 수행되는 진공 열처리 또는 환원 분위기 열처리일 수 있다. The primary heat treatment may be in any of a 100 ~ 500 ℃ oxygen atmosphere, the heat treatment is carried out at a temperature, a nitrogen atmosphere, heat treatment, plasma treatment, or water-containing heat-treated one, the secondary heat treatment is a vacuum is carried out at a temperature 100 ~ 600 ℃ heat treatment or it may be a heat treatment in a reducing atmosphere. 경우에 따라서는 분위기를 조절하여 상기 1차 열처리와 2차 열처리를 연속적으로 수행할 수도 있다. In some cases, it may be performed by controlling the atmosphere of the first heat treatment and second heat treatment continuously.

본 발명에 따른 산화물 전구체 용액은 잉크젯 프린팅용 잉크로 이용할 수도 있으며, 따라서 다양한 전자 부품 형성에 활용될 수 있다. Oxide precursor solution in accordance with the present invention can be used as ink for ink-jet printing, and thus may be utilized for various electronic components form. 또한, 안정적인 잉크젯 프린팅용 잉크를 위하여 0 ~ 50 몰의 건조 방지제 및 안정화제가 포함될 수 있다. Further, the drying agent and stabilizing agent in the range of 0 to 50 mole may be included for a stable ink-jet printing.

도 2는 본 발명에 따른 산화물 박막을 이용한 박막트랜지스터를 보인 것이다. Figure 2 shows a thin-film transistor using an oxide thin film according to the present invention. 기판(100)에 형성된 게이트(120) 및 게이트 절연막(110) 위에 본 발명에 따른 산화물 박막(130)이 채널층으로 형성되어 있고, 상기 산화물 박막의 양단에 소스(122) 및 드레인(124)이 형성되어 있다. Substrate gate 120 and the gate insulating film 110, the oxide thin film 130 is formed in a channel layer, a source 122 and drain 124 on both ends of the oxide thin film according to the present invention on the formed at the (100) It is formed. 도시된 바와 탑 게이트(top-gate) 구조로 형성하는 것도 가능하며, 채널층으로 이용되는 산화물 박막 및 전극을 모두 용액 기반 공정으로 형성할 수 있다. It can be formed as illustrated as a top gate (top-gate) structure, and may be all of the oxide thin film and the electrode is used as a channel layer formed of a solution-based process.

이하에서는 구체적인 실시예를 통하여 본 발명에 따른 산화물 박막의 특성 및 박막트랜지스터로의 활용성을 상세하게 제시한다. Hereinafter, we present in detail the utilization of a characteristic and a thin film transistor of an oxide thin film according to the present invention through specific embodiments.

실시예 Example

Ga 질화물, In 질화물, Zn 아세테이트를 출발물질로 사용하여 갈륨(Ga)과 인듐(In)이 도핑된 ZnO 의 전구체 용액을 졸겔 공정으로 제조하였다. Using nitride Ga, In nitride, Zn acetate as starting material to prepare a precursor solution of a gallium (Ga) and indium (In) is doped into ZnO sol-gel process. 전구체 용액 내의 각 물질의 함량은 Ga : In : Zn 의 비율이 몰농도로 x : 1.1 : 0.9 (여기서, x의 범위는 0.3 ~ 1.1) 이었다. The content of each material in the precursor solution was Ga: In: x in a ratio of Zn is molar concentration: 1.1: 0.9 (where the range of x is 0.3 ~ 1.1) was. 점도가 낮은 알콜을 용매로 사용하였고, 소량의 착화제로서 Ethanolamine과 코팅성 향상 첨가제를 전구체 용액에 첨가하여 졸겔 안정성을 증가시켰다. It was used as a solvent an alcohol with low viscosity, a small amount of the complexing agent by addition of Ethanolamine and coatability improving additives in the precursor solution for the sol-gel and increased stability.

준비된 전구체 용액을 200 nm 두께의 SiO 2 /Si 후막(고농도 n 타입 반도체)에 스핀 코팅 방법으로 분사하여 GIZO 박막을 형성하였으며, 형성된 GIZO 박막의 두께는 20 nm 이었다. SiO 2 / Si thick film of a prepared precursor solution 200 nm thick were formed by the GIZO thin film by spraying a spin coating method (high-concentration n-type semiconductor), and the thickness of the thin film formed GIZO is 20 nm. GIZO 전구체 용액을 20 초간 4000 rpm 의 속도로 스핀 코팅하고 200℃에서 10분간 건조시켜 잔류 유기물을 제거하였다. By spin coating and dried at 200 ℃ 10 minutes GIZO precursor solution at a rate of 4000 rpm 20 seconds to remove residual organic material.

그 다음, 형성된 박막을 대기 분위기 하의 열처리로에서 300 ~ 600 ℃ 의 온 도로 30 분간 열처리하였다. Then, the formed thin film was heat-treated on the road 30 minutes of heat treatment at 300 ~ 600 ℃ under air atmosphere. 소스 및 드레인 전극으로 50 nm 두께의 Au 전극을 금속 새도우 마스크를 이용하여 열증발법으로 형성하였다. An Au electrode of thickness 50 nm as the source and drain electrodes were formed by thermal evaporation method using a metal shadow mask. 채널의 폭/길이(W/L) 비율은 50이었다. It was the width / length (W / L) ratio of the channel 50.

형성된 GIZO 채널의 두께와 표면거칠기 및 모폴로지(morphology)를 주사전자현미경(SEM)과 원자힘현미경(AFM)을 이용하여 측정하였다. The thickness and the surface roughness and morphology (morphology) of the formed GIZO channel was measured using a scanning electron microscope (SEM) and atomic force microscopy (AFM). GIZO 박막의 결정성(crystallinity)과 결정배향(orientation)은 X선회절분석기(XRD)를 이용하여 측정하고, GIZO 박막트랜지스터의 성능은 Agilent 5263A source-measure unit 을 이용하여 측정하였다. Crystalline (crystallinity) and crystal orientation (orientation) of the GIZO films measured using an X-ray diffractometer (XRD), and the performance of the GIZO thin-film transistor was measured using the Agilent 5263A source-measure unit.

도 3은 450℃ 에서 30분간 열처리한 GIZO 박막의 XRD 패턴을 보인 것으로, GIZO 박막의 Ga 함량을 0.3 에서 1.1 로 변화시켰다. 3 was varied as shown the XRD pattern of a GIZO thin film heat-treated at 450 ℃ 30 minutes, and a Ga content of GIZO thin film at 0.3 to 1.1. 모든 샘플에서 Si 기판으로부터 기인하는 뚜렷한 피크 이외에 다른 결정성 회절 피크가 발견되지 않았다. In all the samples the apparent peak other than the crystalline diffraction peak resulting from the Si substrate was found. 이 결과로부터 모든 GIZO 박막이 그 조성의 차이와 상관없이 비정질 상태임을 확인할 수 있다. This result can be confirmed that all the GIZO thin film is an amorphous state, regardless of the difference in the composition from. 600℃ 에서 30분간 열처리한 GIZO 박막의 경우에도 여전히 비정질 상태임을 확인하였다. At 600 ℃ even if the GIZO a thin film heat-treated for 30 minutes to confirm that still amorphous. Ga 2 O 3 , In 2 O 3 , 기타 다른 화합물 등의 이차상에 관련된 피크는 전혀 발견되지 않았다. Ga 2 O 3, In 2 O 3, other peaks associated with the second phase, such as other compounds is not at all found. 이러한 결과는 본 발명에 의하여 매우 우수한 비정질 GIZO 박막을 형성할 수 있음을 보이는 것이다. These results shown that it is possible to form the extremely excellent GIZO amorphous thin film by the present invention.

박막의 결정배향은 무기 반도체에서 매우 중요한 요소이지만, 공정 온도 및 디바이스 특성의 신뢰성 측면에서는 비정질 반도체가 다결정성 반도체 보다 선호된다. Crystal orientation of the thin film is a very important element in an inorganic semiconductor, the reliability aspects of the process temperature and device characteristics, the amorphous semiconductor is preferred polycrystalline semiconductor.

도 4 및 도 5는 각각 SiO 2 /Si 층 위에 형성한 20 nm 두께의 GIZO 박막 (Ga 성분의 함량 1.1)의 SEM 사진 및 AFM 이미지이다. 4 and 5 show a SEM image and an AFM image of each of SiO 2 / Si layer of 20 nm (content of 1.1 Ga component) GIZO thin film having a thickness formed on. SEM 사진을 통해 GIZO 박막의 표면 모폴로지가 매우 말끔하고 균질한 것을 알 수 있다. Through SEM pictures it can be seen that the surface morphology of the thin film GIZO very neat and homogeneous.

형성된 GIZO 박막의 비정질이기 때문에 입자나 입계는 발견되지 않았다. Because it is an amorphous thin film formed of a GIZO particles or the grain boundary was found. 비정질 GIZO 박막의 표면 거칠기는 약 0.7 nm (rms 측정치)을 보였다. The surface roughness of the amorphous thin film GIZO showed about 0.7 nm (rms measurements). SEM 사진 및 AFM 이미지 분석 결과, 어떠한 이차상도 관찰할 수 없었다. SEM and AFM picture image analysis could result observed no secondary prizes.

도 6은 본 발명의 GIZO 박막을 이용한 박막트랜지스터의 전달 특성(I D -V G 커브)을 열처리 온도의 함수로 나타낸 것이다. Figure 6 shows the transmission characteristics (curve I D -V G) of a thin film transistor using the GIZO thin film of the present invention as a function of annealing temperature. I D -V G 커브 조사 결과 열처리 온도가 500 ℃ 를 초과하게 되면 점멸(on/off) 특성이 떨어지는 것으로 확인되었으며, 이러한 사실은 GIZO (Ga 함량 1.1) 박막이 전도성으로 변하여 반도체 성질과 유전체 성질의 박막에서 누설 전류가 증가하게 됨을 보이는 것이다. I D -V G curve findings heat treatment when the temperature exceeds 500 ℃ flashes (on / off) characteristic has been found to be less, such a fact is a GIZO (Ga content of 1.1) thin film changed into conductive properties of the semiconductor and dielectric properties is seen that the increase in the leak current in the thin film. 그러나, 450 ℃ 로 열처리 온도를 낮추게 되면 전달 특성이 향상됨을 알 수 있다. However, it can be seen that the transfer characteristic is improved when the lower the heat treatment temperature is 450 ℃.

도 7 및 도 8은 450 ℃ 에서 30분간 열처리한 GIZO 박막트랜지스터의 전달 특성(I D -V G 커브) 및 출력 특성(I D -V D 커브)을 보인 것으로, Ga : In : Zn 비율이 1.1 : 1.1 : 0.9 인 GIZO 박막은 낮은 온도 보다 높은 온도에서 열처리된 경우에 더 전도성을 갖게 됨을 알 수 있다. 7 and to Figure 8 showing the transfer characteristics of the thin film transistor GIZO a heat treatment at 450 ℃ 30 bungan (I D -V curve G) and the output characteristic (I D -V D curve), Ga: In: Zn ratio is 1.1 : 1.1: 0.9 GIZO films can be seen that to have a more conductive if the heat-treated at a temperature above the lowest temperature. 전도성 GIZO 박막은 450 ℃ 이하로 열처리 온도를 낮춤으로써 반도체 성질로 변화될 수 있으며, 전도성과 반도체 성질의 변환은 GIZO 박막 내의 결함 밀도의 감소 및 (열처리 온도가 감소함에 따라) SiO 2 유전층과 ZnO 층 사이의 계면에서의 상호 작용 감소에 기인할 것으로 추정된다. Conductive GIZO thin film can be changed into the semiconductor properties by lowering the heat treatment temperature to below 450 ℃, conversion of the conductivity and the semiconductor properties is the reduction of defect density in the GIZO thin film and (with decreasing the heat treatment temperature) SiO 2 dielectric layer and a ZnO layer It is estimated to be due to the reduction action of the mutual interface in between. 이러한 분석 결과는 높은 공정 온도가 캐리어 농도를 증가시킴으로써 이동도가 증가된다는 사실과도 일치한다. These results are also consistent with the fact that the mobility is increased by the high processing temperatures increase the carrier concentration.

Ga : In : Zn 비율이 1.1 : 1.1 : 0.9 이고 450 ℃ 에서 열처리한 GIZO 박막트랜지스터는 디바이스 성능이 우수하였고, 전계효과이동도(field effect mobility)와 문턱 전압은 V D = 30V 일 때 각각 9.97×10 -2 cm/V·s, 5.4 V 이었다. Ga: In: The Zn ratio 1.1: 1.1: 0.9 GIZO TFTs by heat treatment at 450 ℃ respectively when the threshold voltage was excellent device performance, the electric field effect mobility (field effect mobility) is V D = 30V 9.97 × 10 -2 cm / V · s, was 5.4 V.

도 9 및 도 10은 450 ℃ 에서 30분간 열처리한 GIZO 박막트랜지스터의 전달 특성(I D -V G 곡선) 및 출력 특성(I D -V D 곡선)에 대한 바이어스 응력 인가 효과를 보이고 있다. 9 and 10 are showing a bias stress to the transfer characteristics of the thin film transistor GIZO a heat treatment at 450 ℃ 30 bungan (I D -V curve G) and the output characteristic (I D -V D curve) effect. 이 결과에서, 측정 횟수가 증가함에 따라 (1 번째 측정 후 5 번째 측정이 지난 후) 동일한 V D 에서 오프 전류가 다소 증가하였고 출력 드레인 전류는 감소하였다. In the result, as the number of measurements increases (first fifth after the measurement is measured after the last) increase slightly the off current in the same V D was output drain current is decreased. 이러한 이유는 주입된 혹은 포획된 이동성 전하 (전자 및/또는 홀)들에 기인하는 것으로 예측된다. The reason for this is estimated to be due to the implanted or capture mobility charges (electrons and / or holes).

측정 횟수가 증가함에 따라 이동성 전하들은 금속 전극(소스, 드레인, 게이트 컨택용)과 GIZO 반도체층 사이의 계면 및 SiO 2 게이트 유전층과 GIZO 반도체층 사이의 계면 등과 같은 결함 사이트에 포획되었다. Charge mobility were trapped in the defect sites, such as the metal electrodes (source, drain, and gate contacts for) and GIZO the interface between the semiconductor layer and the SiO 2 gate dielectric layer and a GIZO the interface between the semiconductor layers As the number of measurements increases. 전하 캐리어 포획 효과는 유기박막트랜지스터(OTFT)의 I D -V G 전달 곡선에서 심각한 히스테리시스 문제를 야기하게 되지만, 본 발명의 GIZO 박막트랜지스터의 경우에는 전하 포획이 단지 오프 전류를 증가시키고 출력 드레인 전류를 감소시킬 뿐이다. Charge carrier trapping effect but it causes a serious problem in the hysteresis curve I D -V G transmission of the organic thin film transistor (OTFT), if the GIZO transistor of the present invention, the charge trapping was only increases the off current to the output drain current only it is reduced. 금속 전극 대신 산화물 전극을 도입함으로써 계면 상태를 제어하여 상기 값들을 개선할 수 있을 것이다. By introducing a metal oxide electrode instead of the electrode will be able to control the surface condition to improve said value.

450 ℃ 열처리 경우와 비교할 때 GIZO 박막트랜지스터의 성능에 대한 저온 열처리 효과를 확인하기 위하여 Ga : In : Zn 비율이 1.1 : 1.1 : 0.9 이고 300 ~ 400 ℃ 의 범위에서 30 분간 열처리한 GIZO 박막을 준비하였다. The Zn ratio of 1.1:: In: Ga in order to confirm the low temperature heat treatment effects on the performance of the GIZO thin film transistor as compared to the 450 ℃ heat treatment when 1.1: 0.9 to prepare a GIZO thin film by heat treatment in the range of 300 ~ 400 ℃ 30 bungan .

도 11은 열처리 온도의 함수로서 GIZO 박막트랜지스터의 I D -V G 곡선을 보이고 있다. 11 illustrates the I D -V G curve of the GIZO thin film transistor as a function of annealing temperature. 열처리 온도를 낮춤에 따라 오프 전류가 감소하고 문턱 전압은 양 전압(+V G ) 쪽으로 이동하였다. The off current decreases with decreasing heat treatment temperature and the threshold voltage was moved toward the positive voltage (+ V G). 낮은 열처리 온도는 반도체성 산화물계 시스템에서 전하 캐리어 발생을 억제할 뿐만 아니라 고밀도로 점 결함을 채널층에 주입할 것으로 생각되며, 그 결과 전계효과이동도에 영향을 미칠 수 있다. Low temperature heat treatment is considered to be injected into the point defect in a channel layer at a high density as well as to suppress the charge carriers generated in the semiconducting oxide-based system, can have a resulting impact on the electric field effect mobility.

저온 열처리 공정으로 GIZO 박막트랜지스터의 성능을 개선하기 위해서는 Ga과 In 함량의 비율을 조절할 필요가 있다. In order to improve the performance of the GIZO thin film transistor at a low temperature heat treatment step, it is necessary to control the ratio of Ga and In content. 반도체성 ZnO계 시스템에서 전하 캐리어 생성을 억제하거나 활성화시키는데 도판트 타입과 도판트 농도가 영향을 미친다. In semiconducting ZnO-based systems to suppress or activate the charge carrier generated dopant type and dopant concentration is affected. 이러한 관점에서, In : Zn 함량 비율은 1.1 : 0.9 로 고정시키고 Ga 함량을 몰농도 비율로 0.3 에서 1.1 까지 변화시킨 GIZO 박막트랜지스터의 특성을 조사하였다. In this regard, In: Zn content ratio is 1.1: 0.9 and was fixed to investigate the characteristics of the thin film transistor was changed from 0.3 GIZO the Ga content in a molar concentration ratio of up to 1.1.

도 12는 Ga 함량의 함수로서 GIZO 박막트랜지스터의 I D -V G 곡선을 보이고 있다. Figure 12 shows an I D -V G curve of the GIZO thin film transistor as a function of the Ga content. GIZO 박막트랜지스터의 On/Off 스위칭 거동은 GIZO 시스템에서 Ga 함량이 감소하면서 저하되었다. On / Off switching behavior of the GIZO thin film transistor was decreased, while reducing the Ga content in the GIZO system. Ga 이온은 In 및 Zn과 비교할 때 산소와의 화학적 결합력이 크기 때문에 Ga 및 In 이 도핑된 ZnO 시스템에서 Ga 이온은 산소 공공(vacancy)을 형성하여 전하 캐리어를 발생시키는 점에서 중요한 역할을 한다. Ga ion plays an important role in the point that since the chemical bonding force between the oxygen and size as compared to the In and Zn ions from Ga ZnO system is Ga and In doped generates charge carriers by forming an oxygen vacancy (vacancy). 또한, GIZO 박막에 서 Ga 함량이 낮으면 On/Off 스위칭 특성이 악화되며, Ga 함량이 0.3 에서는 In 이온의 비율이 Ga 이온 보다 과다하여 GIZO 박막이 ITO 와 유사하게 전도성 산화물로 작용하는 것을 확인하였다. Further, in the GIZO thin film Ga content low, and the On / Off switching characteristics deteriorate, in the Ga content of 0.3 the GIZO thin film the ratio of the In ions over than Ga ions was confirmed that similarly functions as a conductive oxide and ITO . 따라서, Ga 함량은 In 함량과 비교할 때 몰농도로 50% 이상인 것이 GIZO 박막트랜지스터 특성 향상에 바람직하다. Therefore, Ga content is preferred to be a thin film transistor characteristics GIZO increase of 50% or more in the molar concentration as compared to the In content.

도 13 및 도 14는 산소분위기 하에서 400 ℃ 로 1차 열처리하고, 환원분위기 하에서 200 ℃ 로 2차 열처리 한 GIZO 박막트랜지스터(Ga : In : Zn = 0.3 : 1.1 : 0.9)의 출력 특성(I D -V D 곡선) 및 전달 특성(I D -V G 곡선)을 보인 것이다. Output characteristic of the (I D - Fig. 13 and Fig. 14 is a GIZO TFTs by heat treatment at the first to the 400 ℃ under an oxygen atmosphere, to 200 ℃ 2 primary heat treatment in a reducing atmosphere (0.9 Ga: In: Zn = 0.3:: 1.1) V D is the curve shown) and transfer characteristics (G I D -V curves). 앞선 실시예에서와 유사하게 우수한 트랜지스터 특성을 나타내고 있다. It shows excellent transistor characteristics similarly as in the previous embodiment.

이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다. Has been described, the present invention from above through a preferred embodiment by way of example, the present invention In this particular embodiment only not limited to the technical concept proposed in this invention, and specifically, such a variety of forms within the scope described in the claims to be able to be modified, changed, or improved.

도 1은 본 발명에 따른 산화물 박막의 제조 단계를 보인 공정도. 1 is a process showing a manufacturing step of the oxide thin film according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 산화물 박막을 포함하는 박막트랜지스터의 단면도. 2 is a cross-sectional view of a thin film transistor including an oxide thin film according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 산화물 박막의 XRD 패턴. Figure 3 is a XRD pattern of the oxide thin film according to the present invention.

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 산화물 박막의 SEM 사진 및 AFM 이미지. 4 and 5 are SEM photos and AFM images of the oxide thin film according to the present invention.

도 6은 본 발명의 산화물 박막을 이용한 박막트랜지스터의 전달 특성을 보인 그래프. 6 is a graph illustrating the transfer characteristics of a thin film transistor using an oxide thin film of the present invention.

도 7 및 도 8은 본 발명의 산화물 박막을 이용한 박막트랜지스터의 전달 특성 및 출력 특성을 보인 그래프. 7 and 8 are graphs showing the transfer characteristics and the output characteristics of the thin film transistor using an oxide thin film of the present invention.

도 9 및 도 10은 본 발명의 산화물 박막을 이용한 박막트랜지스터의 전달 특성 및 출력 특성에 대한 바이어스 응력 인가 효과를 보인 그래프. 9 and 10 are graphs showing the stress applied to the bias effect on the transmission characteristics and the output characteristics of the thin film transistor using an oxide thin film of the present invention.

도 11은 본 발명의 산화물 박막을 이용한 박막트랜지스터의 열처리 온도에 따른 전달 특성을 보인 그래프. 11 is a graph showing the transfer characteristics of the heat treatment temperature of the thin film transistor using an oxide thin film of the present invention.

도 12는 본 발명의 산화물 박막을 이용한 박막트랜지스터의 도판트 함량에 따른 전달 특성을 보인 그래프. 12 is a graph showing the transfer characteristic of the dopant content of the thin film transistor using an oxide thin film of the present invention.

도 13 및 도 14는 Ga : In : Zn = 0.3 : 1.1 : 0.9 조성의 박막트랜지스터의 물성을 보인 그래프. 13 and 14 Ga: In: Zn = 0.3: 1.1: 0.9 graphs showing the physical properties of the thin film transistor of the composition.

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  9. 전체 용액 100 몰 기준으로 90 ~ 99 몰의 용매 와, Zn을 포함하는 제1물질, Ga을 포함하는 제2물질, In을 포함하는 제3물질을 포함하는 전구체 용액을 준비하고, Preparing a solvent of 90 to 99 mol to 100 mol based on the total solution, the precursor solution comprising a third material comprising a second material, In comprises a first material, Ga, including Zn, and
    상기 전구체 용액을 대상 기판에 도포하여 박막을 형성하고, By applying the precursor solution to a substrate to form a thin film,
    상기 박막을 1차 열처리하여 유기물을 제거하고, Removing organic matter by heating the thin film first, and
    상기 박막을 100 ~ 450 ℃ The thin film 100 ~ 450 ℃ 온도에서 The temperature 2차 열처리하여 캐리어를 생성하는 단계를 포함하며, The secondary heat treatment, and generating a carrier,
    상기 전구체 용액에 있어서, Zn을 포함하는 제1물질 100몰에 대하여, Ga을 포함하는 제2물질은 10 ~ 130 몰, In을 포함하는 제3물질은 10 ~ 150 몰을 함유하는 것을 특징으로 하는 In the above precursor solution, with respect to the first material 100 mol, including Zn, a third material to a second material containing Ga comprises 10 to 130 mol, In is characterized in that it contains 10 to 150 mol
    산화물 반도체 박막 제조 방법. Method of manufacturing an oxide semiconductor thin film.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1물질, 제2물질, 제3물질은 금속 질화물 또는 금속 아세테이트로 구성되는 산화물 반도체 박막 제조 방법. The method of claim 9, wherein the first material, second material, third material A method of manufacturing an oxide semiconductor thin film consisting of a metal nitride or a metal acetate.
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  13. 제9항에 있어서, 상기 전구체 용액은 스핀 코팅 또는 잉크젯 프린팅에 의하여 대상 기판에 도포하는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 박막 제조 방법. 10. The method of claim 9, wherein the precursor solution is an oxide semiconductor thin film manufacturing method is characterized in that the coating on the target substrate by spin coating or ink jet printing.
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