KR101033955B1 - Fabrication method of zinc oxides thin film, thin film transistor thereby, and fabrication method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산화아연계 반도체 박막의 제조방법, 이를 이용한 박막 트랜지스터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 산소 분위기에서 기판에 산화아연계 박막을 형성하는 단계; 상기 산화아연계 박막을 급속 열처리하는 단계; 및 상기 산화아연계 박막에 이온빔을 조사하는 단계를 포함하는 산화아연계 반도체 박막의 제조방법과, 이를 이용한 박막 트랜지스터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상기 방법을 통해 채널층의 전기적 특성과 계면 특성 변화를 통해 박막 트랜지스터의 특성을 향상시켜, 저온 공정과 높은 이동도 특성이 요구되는 유기 발광 다이오드나 대면적의 액정 표시장치 등의 박막 트랜지스터로 바람직하게 적용이 가능하다.The present invention relates to a method for manufacturing a zinc oxide-based semiconductor thin film, a thin film transistor using the same and a method for manufacturing the same, forming a zinc oxide based thin film on a substrate in an oxygen atmosphere; Rapid heat treatment of the zinc oxide thin film; And a method of manufacturing a zinc oxide-based semiconductor thin film, the method comprising: irradiating an ion beam to the zinc oxide-based thin film, a thin film transistor using the same, and a method of manufacturing the same. By improving the characteristics of the thin film transistor through, it can be preferably applied to thin film transistors, such as an organic light emitting diode or a large-area liquid crystal display device that requires a low temperature process and high mobility characteristics.
반도체, 박막 트랜지스터, 채널층, 계면 특성, 전기적 특성 Semiconductor, Thin Film Transistor, Channel Layer, Interface Characteristics, Electrical Characteristics
Description
본 발명은 반도체적 특성이 향상되는 산화아연계 반도체 박막의 제조방법 및 이를 이용한 박막 트랜지스터 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a zinc oxide based semiconductor thin film having improved semiconductor characteristics, a thin film transistor using the same, and a method of manufacturing the same.
일반적으로 박막 트랜지스터는 절연성 기판 상에 게이트 및 게이트 절연층을 개재하고 그 위로 채널층(또는 활성층)으로 반도체 박막이 적층되고, 그 위에 소스 전극과 드레인 전극이 형성되고, 그 위에 패시배이션막이 형성된 구조를 갖는다.In general, a thin film transistor includes a semiconductor thin film stacked on a insulating substrate with a gate and a gate insulating layer over it, and a source electrode and a drain electrode formed thereon, and a passivation film formed thereon. Has a structure.
현재 상기 채널층으로는 비정질 실리콘이 가장 널리 사용되고 있으나 낮은 이동도로 인해 대 면적 디스플레이 구현에 더 이상 적용되기 어려워지는 상황이다. 또한 차세대 디스플레이로 각광받고 있는 유기발광다이오드와 같은 유기물 기반의 디스플레이에 적용되기에도 높은 공정온도 때문에 부적합한 실정이다. Currently, amorphous silicon is most widely used as the channel layer, but due to low mobility, it is difficult to apply to large area display. In addition, it is not suitable due to the high process temperature to be applied to organic-based display, such as organic light emitting diode that is spotlighted as the next generation display.
이에 저온 공정에서도 비교적 높은 이동도를 갖는 ZnO(산화아연) 기반의 박막 트랜지스터에 관한 공정 기술에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. Accordingly, research on the process technology regarding ZnO (zinc oxide) based thin film transistors having relatively high mobility even in low temperature process is being actively conducted.
ZnO는 넓은 밴드갭을 가지며 광학적 전기적 특성이 우수하여 광전자 소자를 비롯한 다양한 반도체 분야에 적용되고 있다. 그러나 ZnO 박막 내부의 결함에 의해 비저항이 낮아져 박막 트랜지스터의 채널층으로 적용하기에 여러 문제가 있다. ZnO has a wide bandgap and has excellent optical and electrical properties, and is being applied to various semiconductor fields including an optoelectronic device. However, the specific resistance is lowered due to defects in the ZnO thin film, and thus there are various problems in applying it to the channel layer of the thin film transistor.
이에 ZnO 박막 증착시 이온을 도핑한 후 열처리를 수행하여 상기 도핑된 도판트를 ZnO 박막 내 확산시켜 반도체 특성을 향상시키는 방법이 제안되었다. 그러나 이러한 방법은 이온의 도핑 농도 조절이 어렵고, 도판트의 확산 영역의 조절이 곤란한 문제가 있으며, 이를 해결하기 위한 연구가 다각적으로 진행되고 있다.Accordingly, a method of improving semiconductor characteristics by diffusing the doped dopant in a ZnO thin film by performing heat treatment after doping ions during ZnO thin film deposition has been proposed. However, this method has a problem that it is difficult to control the doping concentration of the ions, it is difficult to control the diffusion region of the dopant, and researches to solve this problem are diversified.
대한민국 특허공개 2005-106882호는 도핑 농도의 조절이 용이하고 누설전류의 발생을 억제시켜 성능을 향상시키기 위해, As+, P+, N+, Sb+, Bi+의 도판트를 주입한 후, 산소 분위기 하에서 700℃ 내지 1100℃의 온도로 열처리하는 방법을 제안하고 있다.Korean Patent Publication No. 2005-106882 discloses a dopant of As + , P + , N + , Sb + , Bi + , which is easy to adjust the doping concentration and suppresses the occurrence of leakage current to improve performance. A method of heat treatment at a temperature of 700 ° C to 1100 ° C under an oxygen atmosphere has been proposed.
대한민국 특허공개 제2007-103231호는 채널층으로 ZnO 박막 상에 산소 확산층을 형성 후, 이를 열처리하여 ZnO 박막에 포함된 산소를 산소 확산층으로 확산시켜 ZnO 박막의 반도체 물질화를 달성할 수 있다고 언급하고 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 2007-103231 mentions that an oxygen diffusion layer is formed on a ZnO thin film as a channel layer and then heat treated to diffuse oxygen contained in the ZnO thin film into an oxygen diffusion layer to achieve semiconductor materialization of the ZnO thin film. .
또한 대한민국 특허공개 제2008-22326호는 펄스 형식의 급속 열처리를 통해 ZnO 박막을 제조하는 방법을 제시하고 있다.In addition, Korean Patent Publication No. 2008-22326 proposes a method of manufacturing a ZnO thin film by rapid heat treatment in the form of a pulse.
그러나 이들 열처리나 급속 열처리는 채널층으로 사용되는 ZnO 박막의 전기적 특성을 크게 변화시켜 박막 트랜지스터의 반도체 특성이 크게 저하되도록 하는 문제가 있다.However, these heat treatments or rapid heat treatments have a problem that the semiconductor characteristics of the thin film transistors are greatly reduced by greatly changing the electrical characteristics of the ZnO thin film used as the channel layer.
부연하면, ZnO는 산소와 아연의 크기 차이에 의해 상온에서 많은 양의 산소 정공을 포함하고 있고 산소 정공으로부터 자유 전자가 생성되어 전도성을 갖는 n형 반도체로 존재한다. 따라서 채널층으로 적용하기 위해 ZnO 박막 증착 시 산소 가스를 주입하는데, 이러한 공정을 통해 산소 정공이 줄어 결국 전도도가 낮은 박막이 형성된다. 이때 형성된 ZnO 박막은 산소 정공이 부족한 준안정상태이며 계면 특성 향상을 위한 급속 열처리 시 열 에너지가 주입되어 상당 양의 산소 정공이 존재하는 안정한 상태가 된다. 그러나 열처리 시 공급되는 열에너지에 의해 생성된 산소 정공은 자유 전자의 공급원이 되어 ZnO의 비저항은 급격히 감소되고 박막 트랜지스터의 동작 특성이 저하되거나 더 이상 트랜지스터의 특성을 얻을 수 없게 된다.In other words, ZnO contains a large amount of oxygen holes at room temperature due to the difference in size of oxygen and zinc, and free electrons are generated from oxygen holes to exist as n-type semiconductors having conductivity. Therefore, oxygen gas is injected during the deposition of the ZnO thin film to be applied to the channel layer. Through this process, oxygen holes are reduced, resulting in a thin film having low conductivity. At this time, the formed ZnO thin film is a metastable state in which oxygen holes are insufficient, and thermal energy is injected during rapid heat treatment to improve interfacial properties, and thus a stable state in which a large amount of oxygen holes exist. However, the oxygen holes generated by the thermal energy supplied during the heat treatment become a source of free electrons, and thus the specific resistance of ZnO is drastically reduced, and the operation characteristics of the thin film transistor are deteriorated or the characteristics of the transistor can no longer be obtained.
따라서 급속 열처리를 산소 분위기에서 실시하여 ZnO 내의 산소 정공의 생성을 최소화하는 방법을 사용하지만, 이는 소스/드레인 전극과의 비저항을 높여 반도체 소자 특성을 저하시키는 원인이 된다. 또한 전기적 특성의 정교한 조절이 힘들다는 문제가 여전히 남아 있다.Therefore, although a method of minimizing the generation of oxygen holes in ZnO by performing rapid heat treatment in an oxygen atmosphere is used, this increases the resistivity of the source / drain electrodes, which causes deterioration of semiconductor device characteristics. In addition, the problem remains that precise control of electrical properties is difficult.
본 발명의 목적은 간단한 공정을 통해 전기적 특성과 계면 특성이 향상된 산화아연계 반도체 박막의 제조방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a zinc oxide based semiconductor thin film having improved electrical properties and interfacial properties through a simple process.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법을 통해 제조된 높은 캐리어 이동도를 가지는 반도체 박막을 포함하는 박막 트랜지스터 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a thin film transistor including a semiconductor thin film having a high carrier mobility manufactured by the above method and a method of manufacturing the same.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 In order to achieve the above object,
산소 분위기에서 기판에 산화아연계 박막을 형성하는 단계;Forming a zinc oxide thin film on the substrate in an oxygen atmosphere;
상기 산화아연계 박막을 급속 열처리하는 단계; 및Rapid heat treatment of the zinc oxide thin film; And
상기 산화아연계 박막에 이온빔을 조사하는 단계Irradiating an ion beam on the zinc oxide thin film
를 포함하는 산화아연계 반도체 박막의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a zinc oxide-based semiconductor thin film comprising a.
또한 본 발명은 Also,
산화아연계 반도체 채널과; 상기 반도체 채널의 양측에 접촉되는 소스 전극과 드레인 전극; 상기 채널에 전계를 형성하는 게이트; 및, 상기 게이트와 채널의 사이에 개재되는 게이트 절연층;을 구비하는 박막 트랜지스터의 제조방법에 있어서,Zinc oxide semiconductor channels; Source and drain electrodes in contact with both sides of the semiconductor channel; A gate forming an electric field in the channel; And a gate insulating layer interposed between the gate and the channel.
상기 산화아연계 반도체 채널은 산소 분위기에서 기판에 산화아연계 박막을 형성하는 단계;Forming a zinc oxide thin film on a substrate in an oxygen atmosphere of the zinc oxide based semiconductor channel;
상기 산화아연계 박막을 급속 열처리하는 단계; 및Rapid heat treatment of the zinc oxide thin film; And
상기 산화아연계 박막에 이온빔을 조사하는 단계를 포함하여 제조하는 것인 산화아연계 박막 트랜지스터의 제조방법을 제공한다. It provides a method for manufacturing a zinc oxide based thin film transistor which comprises the step of irradiating an ion beam to the zinc oxide based thin film.
또한 본 발명은 상기 방법으로 제조된 산화아연계 박막 트랜지스터를 제공한다.The present invention also provides a zinc oxide thin film transistor manufactured by the above method.
본 발명에 따른 방법은 디스플레이의 핵심 소자인 박막 트랜지스터의 채널층의 전기적 특성과 계면 특성 변화를 통해 박막 트랜지스터의 특성을 향상시켜, 저온 공정과 높은 이동도 특성이 요구되는 유기 발광 다이오드나 대면적의 액정 표시장치 등의 박막 트랜지스터로 바람직하게 적용이 가능하다.The method according to the present invention improves the characteristics of the thin film transistor by changing the electrical and interfacial characteristics of the channel layer of the thin film transistor, which is a key element of the display, thereby reducing the organic light emitting diode or large area requiring low temperature process and high mobility characteristics. It is preferably applicable to thin film transistors, such as a liquid crystal display device.
이하 도면을 참조하며 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 산화아연계 반도체 박막의 제조 순서를 보여주는 블럭도이다.1 is a block diagram showing a manufacturing process of a zinc oxide-based semiconductor thin film according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 먼저 산소 분위기에서 기판 상에 산화아연계 박막을 형성한다.Referring to FIG. 1, first, a zinc oxide thin film is formed on a substrate in an oxygen atmosphere.
상기 산화아연계 반도체는 반도체 분야에 사용되는 통상적인 Zn을 포함하는 반도체 산화물로서, 대표적으로 ZnO, ZnSnO, 또는 InGaZnO이 가능하고, 바람직하기로는 ZnO가 사용된다.The zinc oxide-based semiconductor is a semiconductor oxide containing Zn, which is commonly used in the semiconductor field. Typically, ZnO, ZnSnO, or InGaZnO is possible, and preferably ZnO is used.
이러한 산화아연계 박막의 형성은 공지된 방법을 통해 수행하며, 일예로 스퍼터링, 진공증착, 이온도금, 이온빔 증착, 화학기상증착(CVD), 플라즈마 강화 화 학기상증착(PECVD) 중에서 선택된 1종의 방법으로 수행하고, 바람직하기로 스퍼터링을 사용한다.The formation of the zinc oxide thin film is performed by a known method, and for example, one selected from sputtering, vacuum deposition, ion plating, ion beam deposition, chemical vapor deposition (CVD), and plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). Method, and sputtering is preferably used.
상기 산화아연계 박막의 형성은 산소 분위기 하에서 수행하는 것이 바람직하다. 즉, 산화아연계 박막은 산소와 아연의 크기 차이에 의해 상온에서 많은 양의 산소 정공을 포함하고 있고 산소 정공으로부터 자유 전자가 생성되어 전도성을 갖는 n형 반도체로 존재한다. 이를 박막 트랜지스터의 채널층으로 적용하기 위해선 산화아연계 박막 증착 시 산소 가스를 주입하면서 수행하여 박막 내 존재하는 산소 정공의 수를 줄여 전도도가 낮은 박막을 형성한다.The zinc oxide thin film is preferably formed under an oxygen atmosphere. That is, the zinc oxide thin film contains a large amount of oxygen holes at room temperature due to the difference in size of oxygen and zinc, and exists as an n-type semiconductor having conductivity by generating free electrons from oxygen holes. In order to apply this to the channel layer of the thin film transistor, it is performed by injecting oxygen gas when depositing a zinc oxide based thin film to form a thin film having low conductivity by reducing the number of oxygen holes present in the thin film.
다음으로, 상기에서 형성된 산화아연계 박막을 급속 열처리한다.Next, the zinc oxide thin film formed above is rapidly heat treated.
이러한 급속 열처리를 통해 산화아연계 박막은 다른 금속층, 일예로 박막 트랜지스터의 소스/드레인 전극과의 계면 특성이 향상된다.Through such rapid heat treatment, the zinc oxide based thin film improves interfacial characteristics with other metal layers, for example, the source / drain electrodes of the thin film transistor.
상기 급속 열처리는 이 분야에서 통상적으로 사용되는 범위 내에서 수행할 수 있으며, 바람직하기로 100℃ 내지 1000℃에서 1초 내지 600초 동안 급속 열처리를 수행하는 경우 산화아연계 박막의 캐리어 농도가 급격히 증가하는 효과를 얻는다.The rapid heat treatment may be performed within a range commonly used in the art, and preferably, when the rapid heat treatment is performed at 100 ° C. to 1000 ° C. for 1 second to 600 seconds, the carrier concentration of the zinc oxide thin film rapidly increases. Get the effect.
또한, 필요한 경우 압력이나 가스 분위기(질소 등 불활성 분위기)를 조절이 가능하며, 본 발명의 실시예에서는 N2 가스 주입 하에 20 mTorr의 압력 및 200℃의 온도에서 1분 동안 처리하여 수행하고 있다.In addition, it is possible to adjust the pressure or gas atmosphere (inert atmosphere such as nitrogen) if necessary, in the embodiment of the present invention is carried out by treatment for 1 minute at a pressure of 20 mTorr and a temperature of 200 ℃ under N 2 gas injection.
이러한 급속 열처리는 불활성 분위기 하에서 수행하며, 질소, 아르곤, 헬륨 및 이들의 혼합기체로 이루어진 군에서 선택된 1종을 주입하여 수행한다.This rapid heat treatment is performed under an inert atmosphere, and is carried out by injecting one selected from the group consisting of nitrogen, argon, helium, and mixtures thereof.
다음으로, 상기에서 급속 열처리된 산화아연계 박막에 이온빔을 조사하여 본 발명에 따른 산화아연계 반도체 박막을 얻는다.Next, the zinc oxide-based semiconductor thin film according to the present invention is obtained by irradiating an ion beam to the zinc oxide thin film which has been rapidly heat-treated above.
이전 단계에서 급속 열처리된 산화아연계 박막은 다른 층과의 계면 특성은 향상되나, 열처리 시 공급되는 열에너지에 의해 산소 정공이 생성되고, 이는 자유 전자의 공급원이 되어 산화아연계 박막의 비저항이 급격히 감소되어 산화아연계 박막의 반도체 특성(즉, 전기 전도도)이 크게 저하된다.In the previous step, the zinc oxide thin film was rapidly heat-treated, and the interfacial property with other layers was improved, but oxygen holes were generated by the heat energy supplied during the heat treatment, which became a source of free electrons, which drastically reduced the resistivity of the zinc oxide thin film. As a result, the semiconductor properties (ie, electrical conductivity) of the zinc oxide thin film are greatly reduced.
이에 본 발명에서는 급속 열처리 후 산화아연계 박막에 이온빔을 조사하여 산화아연계 박막 내 자유전자의 농도를 줄여 산화아연계 박막이 다시 반도체적 특성을 나타내도록 한다.Therefore, in the present invention, the zinc oxide thin film exhibits semiconducting properties by reducing the concentration of free electrons in the zinc oxide thin film by irradiating an ion beam to the zinc oxide thin film after rapid heat treatment.
상기 이온빔으로는 1H, 7Li, 16O, 28Si, 52Cr, 56Fe, 또는 58Ni 중에서 선택된 1종을 사용하는 것이 바람직하다.As the ion beam, it is preferable to use one selected from 1 H, 7 Li, 16 O, 28 Si, 52 Cr, 56 Fe, or 58 Ni.
이때 이온빔은 0.1 내지 7 MeV의 에너지로 조사하며, 공지된 이온빔 조사 장치를 이용하여 사용된다. 만약, 상기 이온빔의 에너지가 상기 범위 미만이면 산화아연계 박막 내 자유전자의 농도를 충분히 줄일 수 없어 산화아연계 박막의 전기 전도도가 낮고, 이와 반대로 상기 범위를 초과하더라도 더 이상의 효과 증대가 없어 비경제적이므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.At this time, the ion beam is irradiated with an energy of 0.1 to 7 MeV, it is used using a known ion beam irradiation apparatus. If the energy of the ion beam is less than the above range, the concentration of free electrons in the zinc oxide thin film cannot be sufficiently reduced, and thus the electrical conductivity of the zinc oxide thin film is low. Therefore, it uses suitably within the said range.
상기 이온빔 조사에 사용되는 장치는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 적절히 선정되며, 다른 공정 조건 또한 통상의 범위 내에서 적용이 가능하다. The apparatus used for the ion beam irradiation is not particularly limited in the present invention, it is appropriately selected by those skilled in the art, and other process conditions are also applicable within the usual range.
이러한 단계를 거쳐 제조된 산화아연계 반도체 박막은 캐리어 농도가 1X1010 내지 1X1013 cm-3 이고 비저항이 1X103Ω·cm 내지 1X105Ω·cm 의 범위를 가진다. 또한 본 발명에 따른 방법은 종래 이온 도핑 후 도판트의 확산을 위해 열처리를 수행하는 방법을 통해 얻어진 산화아연계 박막과 비교하여 조사한 이온빔의 종류와 상관없이 이온빔의 에너지만을 이용하므로 단순하며 후속 확산 열처리 공정이 필요 없다는 장점과 도판트가 SiO2에 침투하여 누설 전류를 야기시키는 문제를 해소할 수 있다.The zinc oxide-based semiconductor thin film manufactured through these steps has a carrier concentration of 1X10 10 to 1X10 13 cm -3 and a specific resistance of 1X10 3 Ω · cm to 1X10 5 Ω · cm Has a range of. In addition, the method according to the present invention is simple and subsequent diffusion heat treatment because it uses only the energy of the ion beam irrespective of the type of ion beam irradiated compared with the zinc oxide thin film obtained through the conventional heat treatment for the diffusion of the dopant after ion doping. This eliminates the need for a process and eliminates the problem that dopants penetrate SiO 2 and cause leakage currents.
상기 산화아연계 반도체 박막은 반도체 소자, 디스플레이 분야, 광전소재 분야 등 다양한 곳에 적용이 가능하며, 특히 박막 트랜지스터의 채널층으로 바람직하게 적용이 가능하다.The zinc oxide-based semiconductor thin film may be applied to various places such as semiconductor devices, display fields, and optoelectronic material fields, and particularly, may be preferably applied to channel layers of thin film transistors.
본 발명에 따른 산화아연계 박막 트랜지스터의 제조방법은 전술한 바의 산화아연계 반도체 박막의 제조방법을 그대로 적용한다.The method for manufacturing a zinc oxide based thin film transistor according to the present invention applies the method for manufacturing a zinc oxide based semiconductor thin film as described above.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 박막 트랜지스터를 보여주는 단면도이다. 이때 편의상 박막 트랜지스터는 게이트가 하부에 존재하는 바텀-게이트형 박막 트랜지스터를 나타내었으며, 이와 반대의 구조 또한 가능하다.2 is a cross-sectional view illustrating a thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present invention. In this case, the thin film transistor has a bottom-gate type thin film transistor in which a gate is disposed below, and the reverse structure is also possible.
도 2를 참조하면, 박막 트랜지스터는 기판(1) 상에 게이트(3)가 위치하고, 이를 둘러싸 절연층(5)이 위치하고, 그 상부에 채널층(7)으로 산화아연계 반도체 박막이 위치한다. 상기 채널층(7)의 양측에 소스 전극(9)과 드레인 전극(11)이 마련되고, 이는 채널층(7)의 양측 단에 소정 폭 겹쳐지도록 한다.Referring to FIG. 2, in the thin film transistor, a
도 3 내지 도 7은 본 발명에 따른 박막 트랜지스터의 제조방법의 순서를 보여주는 단면도이다.3 to 7 are cross-sectional views illustrating a procedure of a method of manufacturing a thin film transistor according to the present invention.
도 3을 참조하면, 기판(1) 상에 게이트(3)를 형성하고, 그 상부에 절연층(5)을 형성한다.Referring to FIG. 3, a
상기 기판(1), 게이트(3) 및 절연층(5)의 재질 및 형성방법은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 공지된 바의 재질이나 방법이면 어느 것이든 사용가능하다.The material and the method of forming the
일예로, 기판(1)으로는 실리콘 재질, 유리 재질, 또는 플라스틱 재질이 가능하며, 이는 박막 트랜지스터를 적용하는 장치에 따라 적절히 선택하여 사용한다.For example, the
상기 게이트(3)는 금속으로 Au, Al, Fe, Mo, Cr, Ti 등 공지된 바의 금속이 가능하며, 이들에 의해 한정되지는 않는다. The
또한 절연층(5)은 SiO2나 SiNx와 같은 무기 절연 물질과 실리콘계 수지나 아크릴계 수지와 같은 유기 절연 물질이 사용될 수 있다. 이러한 절연층(5)의 두께는 박막 트랜지스터의 스케일에 따라 달라질 수 있으며, 최대 200 nm 미만의 두께를 갖도록 한다.In addition, the insulating
도 4를 참조하면, 상기 절연층(5)이 형성된 기판(1) 상에 산화아연계 박막(7a)을 증착시킨다. 이때 증착은 전술한 바의 방법으로 수행하고, 최대 100 nm 이하, 바람직하기로 80 nm 이하, 더욱 바람직하기로 5 내지 80 nm의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 4, a zinc oxide based
도 5를 참조하면, 상기 산화아연계 박막(7a) 상에 소스/드레인 전극(9, 11))을 형성한다. Referring to FIG. 5, source /
이러한 소스/드레인 전극(9, 11)의 형성은 통상의 전극 물질을 증착하여 박막을 형성한 후 패터닝하여 형성한다. 상기 소스/드레인 전극(9, 11)은 ITO, Ti, Ni, Ta 등이 기능하며, 바람직하기로 ITO를 사용한다.The source /
도 6을 참조하면, 소스/드레인 전극(9, 11)이 형성된 기판(1)을 급속 열처리 하여 산화아연계 박막(7b)과 소스/드레인 전극(9, 11)간의 계면 특성을 향상시킨다.Referring to FIG. 6, the
상기 급속 열처리는 전술한 바의 조건에서 수행하며, 그 결과 향상된 소스/드레인 전극(9, 11)과 산화아연계 박막(7a)과의 계면 특성은 소스/드레인 전극(9, 11) 사이에 박막 트랜지스터의 동작 전압이 인가되는 경우 소스 전극(9)과 채널층(7) 사이의 접촉 저항이 낮아 전자 주입이 보다 용이해져 박막 트랜지스터의 구동 특성이 향상된다.The rapid heat treatment is carried out under the conditions described above, and as a result, the interface characteristics between the improved source /
반면에, 상기 급속 열처리를 통해 급속 열처리 후 얻어진 산화아연계 박막(7b)은 비저항이 크게 낮아진다. 이는 급속 열처리 후 산화아연계 박막(7b) 내 자유전자의 농도가 크게 증가함에 기인하며, 이렇게 낮아진 비저항은 박막 트랜지스터의 채널층으로 적용하기에는 너무 낮은 문제가 있으며, 이는 후속의 이온빔 조사에 의해 해결된다.On the other hand, the zinc oxide
도 7을 참조하면, 급속 열처리 후 산화아연계 박막(7b)에 이온빔을 조사하여 비저항이 증가된 산화아연계 박막(7c)으로 이루어진 채널층(7)을 형성한다.Referring to FIG. 7, after the rapid heat treatment, the zinc oxide
상기 이온빔의 조사는 전술한 바를 따른다.Irradiation of the ion beam is as described above.
특히, 이전의 급속 열처리에 의해 소스/드레인 전극(9, 11)과 채널층(7) 간의 계면 특성을 유지하도록, 상기 이온빔 조사 시 소스/드레인 전극(9, 11)의 상부에 마스크(13)를 위치시켜 소스/드레인 전극(9, 11)과 채널층(7)이 겹치지 않는 부분에만 선택적으로 이온빔을 조사한다.In particular, the
그 결과, 이온빔 조사에 따른 채널층(7)의 반도체 특성을 극대화하여 높은 전계 효과 이동도를 유지할 수 있다.As a result, it is possible to maximize the semiconductor characteristics of the
또한 박막 트랜지스터 내 채널층(7)과 소스/드레인 전극(9, 11)의 계면 특성에 영향을 주지 않음에 따라, 계면 특성과 반도체 특성이 향상된 박막 트랜지스터의 제조가 가능해진다.In addition, since the interfacial characteristics of the
이미 언급한 바와 같이, 종래 급속 열처리 후 이온 도핑을 통해 박막트랜지스터의 특성을 향상시키는 방법도 도핑 물질에 따라 여러 가지 방향으로 박막트랜지스터의 특성을 향상시킬 수 있는 방법이 있다. 그러나 본 발명은 전술한 방법에서 제시한 바와 같이, 도핑에 의하지 않고 이온빔을 투과시켜 전달하는 에너지만을 이용할 경우 이온의 종류와 상관없이 에너지에 따라 동일한 효과를 확보한다. 또한 공정 계발 측면에서 보다 신뢰성 있는 방법이며, 도핑 후 확산을 위한 열처리 공정이 필요 없고 도핑된 원소가 게이트 절연막에 확산 될 경우 유발되는 누설전류에 및 절연막의 절연 특성 저하 문제도 해소된다.As mentioned above, there is also a method of improving the characteristics of the thin film transistor through ion doping after the conventional rapid heat treatment, and there is a method of improving the characteristics of the thin film transistor in various directions depending on the doping material. However, according to the present invention, as shown in the above method, when using only the energy transmitted through the ion beam and not by doping, the same effect is obtained according to the energy regardless of the type of ions. In addition, it is a more reliable method in terms of process development, and eliminates the need for a heat treatment process for diffusion after doping, and eliminates the problem of leakage current caused by diffusion of doped elements into the gate insulating film and degradation of the insulating property of the insulating film.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. However, the following examples are provided only for the purpose of easier understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the examples.
(실시예 1)(Example 1)
기판으로 p형 실리콘을 사용하였고, 게이트 절연막으로는 실리콘옥사이드 (200 nm), 채널층으로 DC 마그네트론 스퍼터링 방법으로 40 %의 산소분압에서 증착된 ZnO (80 nm) 소스와 드레인 전극으로 ITO (Indium tin oxide)를 사용하여 박막 트랜지스터를 형성하였다. 이때 박막 트랜지스터 소자의 채널 길이(L)는 400 μm, 채널폭(W)은 2000 μm, 채널의 길이와 폭의 비는 5로 새도우 마스크를 사용하여 제작되었다.P-type silicon was used as the substrate, and silicon oxide was used as the gate insulating film. A thin film transistor was formed using ZnO (80 nm) source and drain electrode deposited at 40% oxygen partial pressure by DC magnetron sputtering (200 nm) and a channel layer using indium tin oxide (ITO). In this case, the channel length (L) of the thin film transistor device was 400 μm, the channel width (W) was 2000 μm, and the ratio of the length and width of the channel was 5, which was manufactured using a shadow mask.
급속 열처리는 질소 분위기 하에서 20 mTorr의 압력 하에 200 ℃에서 60초간 수행하였고, 이어 이온빔 (사이클로트론 MC-50)을 이용하여 6.1 MeV의 에너지로 이온빔을 조사하였다. Rapid heat treatment was performed for 60 seconds at 200 ℃ under a pressure of 20 mTorr under a nitrogen atmosphere, and then ion beams were irradiated with energy of 6.1 MeV using an ion beam (cyclotron MC-50).
(실험예 1) 반도체 특성Experimental Example 1 Semiconductor Characteristics
상기 실시예 1에서 급속 열처리 전과 후, 및 이온빔 조사 후의 채널층으로 사용된 ZnO의 물성과 이를 적용한 박막 트랜지스터의 소자 특성을 측정하고, 그 결 과를 하기 표 1에 나타내었다. 이때 하기 물성은 홀 메져먼트 시스템(hall measurement system) 장치를 이용하였고, 소자 특성은 반도체 분석장치(semiconductor analyzer)를 이용하여 측정하였다.In Example 1, the physical properties of ZnO used as channel layers before and after rapid heat treatment and after ion beam irradiation were measured, and the device characteristics of the thin film transistors to which the same was applied, and the results are shown in Table 1 below. In this case, the following physical properties were measured using a hall measurement system device, and device characteristics were measured using a semiconductor analyzer.
(Ion/Ioff)on / off ratio
(I on / I off )
상기 표 1을 참조하면, 급속 열처리 후 산화아연계 박막의 비저항 수치가 크게 감소하였으며, 이러한 낮은 비저항 수치는 채널층으로 적용되기에는 낮으며, 이온빔 조사 후 2.31x105 Ω·cm로 증가하였다. Referring to Table 1, after the rapid heat treatment, the specific resistance value of the zinc oxide thin film was greatly reduced, and this low specific resistance value was low to be applied to the channel layer, and increased to 2.31 × 10 5 Ω · cm after ion beam irradiation.
또한 본 발명의 실시예에서 측정된 급속 열처리 전후와 이온빔 조사 후의 I-V특성을 보여주는 도 8을 참조하면, 전계 효과 이동도에 있어서 이온빔을 조사하여 그 수치가 3.66 cm2/Vs로 증가하였다. 이는 현재 상용화 되고 있는 a-Si 기반의 박막트랜지스터가 나타내는 전계효과 이동도인 ~1 cm2/Vs보다 3.5배 높은 수치이다. In addition, referring to Figure 8 showing the IV characteristics before and after the rapid heat treatment and after the ion beam irradiation measured in the embodiment of the present invention, the value was increased to 3.66 cm 2 / Vs by irradiating the ion beam in the field effect mobility. This is 3.5 times higher than ~ 1 cm 2 / Vs, the field effect mobility of a-Si based thin film transistors that are currently commercialized.
또한 소자가 동작하는 전압 (Von)은 -18 V에서 -3 V로 감소하였으며, 이는 실제 박막 트랜지스터로 적용에 보다 가능성이 있음을 의미한다.In addition, the voltage at which the device operates (V on ) has been reduced from -18 V to -3 V, which means that it is more likely to be applied to actual thin film transistors.
그리고 다른 중요한 특성인 on/off ratio (Ion/off) 역시 105에서 106으로 증가하여 기존의 a-Si 기반의 박막 트랜지스터와 유사한 값을 보이고 있다. In addition, on / off ratio (I on / off ), another important characteristic, also increases from 10 5 to 10 6, which is similar to the existing a-Si based thin film transistor.
본 발명에 의해 제조된 박막 트랜지스터는 산화물 반도체를 채널층으로 적용한 박막 트랜지스터로, 저온 공정과 높은 이동도 특성을 요구하는 유기 발광 다이오드 및 대면적 액정 표시장치에 적용되는 박막 트랜지스터로 적용이 가능하다.The thin film transistor manufactured by the present invention is a thin film transistor using an oxide semiconductor as a channel layer, and can be applied as a thin film transistor applied to an organic light emitting diode and a large-area liquid crystal display device requiring a low temperature process and high mobility characteristics.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 산화아연계 반도체 박막의 제조 순서를 보여주는 블럭도이다.1 is a block diagram showing a manufacturing process of a zinc oxide-based semiconductor thin film according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 박막 트랜지스터를 보여주는 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating a thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3 내지 도 7은 본 발명에 따른 박막 트랜지스터의 제조방법의 순서를 보여주는 단면도이다.3 to 7 are cross-sectional views illustrating a procedure of a method of manufacturing a thin film transistor according to the present invention.
도 8은 본 발명의 실시예에서 측정된 급속 열처리 전후와, 이온빔 조사 후의 I-V 특성을 보여주는 그래프이다.8 is a graph showing I-V characteristics before and after rapid heat treatment and after ion beam irradiation measured in an embodiment of the present invention.
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