KR101262325B1 - A method of making oxide thin film and a method of making thin film transistor - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예는 산화물 박막 제조방법 및 박막 트랜지스터 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 제조방법은 기판 위에 산화물 박막을 형성하는 단계, 그리고 상기 산화물 박막의 산소 정공의 농도를 증가시키는 단계를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 제조방법을 통해 제조된 산화물 박막을 박막 트랜지스터의 채널층으로 사용할 수 있다. 이 경우 전기전도도가 우수한 박막 트랜지스터를 얻을 수 있다. One embodiment of the present invention relates to an oxide thin film manufacturing method and a thin film transistor manufacturing method. An oxide thin film manufacturing method according to an embodiment of the present invention includes forming an oxide thin film on a substrate, and increasing the concentration of oxygen holes in the oxide thin film. An oxide thin film manufactured by the method of manufacturing an oxide thin film according to an embodiment of the present invention may be used as a channel layer of a thin film transistor. In this case, a thin film transistor having excellent electrical conductivity can be obtained.
Description
본 발명의 실시예는 반도체 분야에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산화물 박막 제조방법 및 박막 트랜지스터 제조방법에 관한 것이다. Embodiments of the present invention relate to the field of semiconductors, and more particularly, to an oxide thin film manufacturing method and a thin film transistor manufacturing method.
최근 디스플레이의 대면적화, 초고해상도(Ultra High Definition; UHD)화, 고속 구동화가 진행되고 있다. 기존의 비정질 실리콘 반도체 소자(Amorphous Si TFT)는 낮은 이동도(0.5 cm2/Vs 이하)를 가지기 때문에 이를 사용하여 구현하는 데는 한계가 있다. Recently, large-area display, ultra high definition (UHD), and high speed driving have been progressed. Conventional amorphous Si semiconductor devices (Amorphous Si TFT) has a low mobility (0.5 cm 2 / Vs or less), there is a limit to the implementation using this.
이에 반해 산화물 박막을 채널층으로 사용하는 박막 트랜지스터 (Thin Film Transistor, TFT)는 비정질상을 보이는 동시에 높은 이동도(5~10 cm2/Vs 이상)를 가지며, 이러한 특성을 가진 산화물 박막 트랜지스터는 다음 세대의 디스플레이의 구동소자로 사용되기에 충분하다. On the other hand, thin film transistors (TFTs) using oxide thin films as channel layers show an amorphous phase and have high mobility (5 to 10 cm 2 / Vs or more). It is sufficient to be used as the driving element of the display.
이러한 산화물 박막의 특성을 최적화하기 위하여, 도핑, 각 물질의 몰 비 조절, 열처리의 방법 및 온도의 조절, 플라즈마 가스처리 등의 방법들이 다양하게 연구되고 있다. In order to optimize the characteristics of the oxide thin film, various methods such as doping, controlling the molar ratio of each material, a method of heat treatment and temperature control, and plasma gas treatment have been studied.
그러나, 도핑, 각 물질의 몰 비 조절, 열처리 방법 및 온도를 조절하는 방법, 플라즈마 가스처리 등의 방법은 추가적인 공정 비용이 많이 발생한다는 문제점이 있다. However, the method of doping, controlling the molar ratio of each material, heat treatment method and temperature control method, plasma gas treatment, etc. has a problem that a lot of additional process cost occurs.
본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 제조방법은 기판 위에 산화물 박막을 형성하는 단계 그리고 상기 산화물 박막의 산소 정공의 농도를 증가시키는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 산소 정공의 농도를 증가시키는 단계는 상기 기판을 -150℃ 내지 -200℃로 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기판을 냉각시키는 단계는 액체질소, 액체헬륨, 액체산소 또는 액체수소를 냉매로 사용할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기판을 냉각시키는 단계는 상기 기판이 상기 냉매와 열적평형을 형성할 때까지 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 열적평형을 형성하는 시간은 1분 내지 5분일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 산소 정공의 농도를 증가시키는 단계는 냉각시킨 상기 기판을 100℃ 내지 200℃로 가열하는 열처리 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 열처리 단계 이후에 상기 냉각시키는 단계를 반복하여 목표로 하는 산소 정공 농도를 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 산화물 박막은 InGaZnO, ZnO, ZrInZnO, InZnO, AlInZnO, GaZnO, InGaZnO4, ZnInO, ZnSnO, In2O3, HfInZnO, SnO2, In2O3SnO2, MgZnO, ZnSnO3, ZnSnO4, CdZnO, CuAlO2, CuGaO2 및 NiO 중에서 선택된 어느 하나의 물질 또는 상기 물질들의 화합물을 사용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자 제조방법은 채널막을 포함하는 반도체 소자 제조방법에 있어서, 기판 위에 채널막을 형성하는 단계, 상기 기판을 액체질소를 사용하여 -150℃ 내지 -200℃로 냉각시키는 단계, 그리고 냉각시킨 상기 기판을 100℃ 내지 200℃로 가열하는 열처리 단계를 포함한다. 상기 채널막은 산화물 박막을 사용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 트랜지스터 제조방법은 기판 위에 게이트 전극을 형성하는 단계, 상기 기판 위에 게이트 절연층을 형성하는 단계, 상기 기판 위에 채널층을 형성하는 단계, 그리고 상기 기판 위에 소오스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 채널층을 형성하는 단계는 상기 기판 위에 산화물 박막을 형성하고, 상기 산화물 박막의 산소 정공 농도를 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 산화물 박막의 산소 정공 농도를 증가시키는 단계는 상기 기판을 -150℃ 내지 -200℃로 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기판을 냉각시키는 단계는 액체질소, 액체헬륨, 액체산소 또는 액체수소를 냉매로 사용할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 냉각시킨 기판을 100℃ 내지 200℃로 가열하는 열처리 단계를 더 포함할 수 있다.An oxide thin film manufacturing method according to an embodiment of the present invention includes forming an oxide thin film on a substrate and increasing the concentration of oxygen holes in the oxide thin film.
In one embodiment, increasing the concentration of oxygen holes may include cooling the substrate to -150 ° C to -200 ° C.
In an embodiment, the cooling of the substrate may use liquid nitrogen, liquid helium, liquid oxygen, or liquid hydrogen as a refrigerant.
In one embodiment, cooling the substrate may be performed until the substrate is in thermal equilibrium with the refrigerant.
In one embodiment, the time to form the thermal equilibrium may be 1 minute to 5 minutes.
In one embodiment, the step of increasing the concentration of the oxygen hole may further comprise a heat treatment step of heating the cooled substrate to 100 ℃ to 200 ℃.
In one embodiment, the cooling step may be repeated after the heat treatment step to form a target oxygen hole concentration.
In one embodiment, the oxide thin film is InGaZnO, ZnO, ZrInZnO, InZnO, AlInZnO, GaZnO, InGaZnO 4 , ZnInO, ZnSnO, In 2 O 3 , HfInZnO, SnO 2 , In 2 O 3 SnO 2 , MgZnO, ZnSnO 3 , It may be formed using any one selected from ZnSnO 4 , CdZnO, CuAlO 2 , CuGaO 2 and NiO or a compound of the above materials.
In a method of manufacturing a semiconductor device according to another embodiment of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor device including a channel film, forming a channel film on a substrate, and cooling the substrate to -150 ° C to -200 ° C using liquid nitrogen. And a heat treatment step of heating the cooled substrate to 100 ° C to 200 ° C. The channel film may be formed using an oxide thin film.
In another embodiment, a method of manufacturing a thin film transistor includes forming a gate electrode on a substrate, forming a gate insulating layer on the substrate, forming a channel layer on the substrate, and a source electrode on the substrate; The method may include forming a drain electrode, wherein the forming of the channel layer includes forming an oxide thin film on the substrate and increasing an oxygen hole concentration of the oxide thin film.
In one embodiment, increasing the oxygen hole concentration of the oxide thin film may include cooling the substrate to -150 ° C to -200 ° C.
In an embodiment, the cooling of the substrate may use liquid nitrogen, liquid helium, liquid oxygen, or liquid hydrogen as a refrigerant.
In one embodiment, it may further comprise a heat treatment step of heating the cooled substrate to 100 ℃ to 200 ℃.
본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 제조방법을 통해 제조된 산화물 박막은 높은 전기전도도를 가진다. 따라서, 이를 산화물 박막 트랜지스터의 채널층으로 이용하면 높은 성능의 박막 트랜지스터 또는 전자 소자를 제조할 수 있다. 또한, 인듐과 같은 고가의 물질 사용을 줄일 수 있어 생산 비용을 줄일 수 있다. An oxide thin film manufactured by the method of manufacturing an oxide thin film according to an embodiment of the present invention has high electrical conductivity. Therefore, when this is used as the channel layer of the oxide thin film transistor, it is possible to manufacture a high performance thin film transistor or an electronic device. In addition, the use of expensive materials such as indium can be reduced, thereby reducing production costs.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막의 FT-IR 측정결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막의 XRD 측정결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막의 광투과도를 나타낸 그래프이다.
도 4a 내지 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막의 밴드갭 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막을 포함하는 박막 트랜지스터의 캐리어 이동도 및 온-전류 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6a 내지 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막의 구조를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 구조를 나타낸 것이다. 1 is a graph showing the FT-IR measurement results of the oxide thin film according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a graph showing the XRD measurement results of the oxide thin film according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing the light transmittance of an oxide thin film according to an embodiment of the present invention.
4A to 4B are graphs showing a band gap change of an oxide thin film according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing carrier mobility and on-current characteristics of a thin film transistor including an oxide thin film according to an embodiment of the present invention.
6a to 6b show the structure of the oxide thin film according to an embodiment of the present invention.
7 illustrates a structure of an oxide thin film transistor according to an embodiment of the present invention.
실시예들은 여러 가지 다른 형태들로 구체화되어질 수 있고, 여기에서 설명되는 양태들로 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 오히려, 상기 양태들은 실시예들을 더욱 철저하고 완전하게 되도록 해주며, 당업자에게 실시예들의 영역을 충분히 전달할 수 있도록 해준다. The embodiments may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the aspects set forth herein. Rather, the above aspects make the embodiments more thorough and complete, and fully convey the scope of the embodiments to those skilled in the art.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 그리고 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분 위에 "전체적으로" 형성되어 있다고 할 때에는 다른 부분의 전체 면에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장자리 일부에는 형성되지 않는 것도 포함한다. Throughout the specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it can further include other components, without excluding other components unless otherwise stated. And when a part of a layer, film, area, plate, etc. is said to be "on" another part, this includes not only the case where the other part is "right over" but also the other part in the middle. Conversely, when a part is "directly over" another part, it means that there is no other part in the middle. In addition, when a part is formed "overall" on another part, it includes not only being formed in the whole surface of another part but also not formed in a part of edge.
또한, 제1, 제2 .. 등을 지칭하는 용어들이 여러 구성 요소들을 기술하기 위하여 여기에서 사용되어 질 수 있다면, 상기 구성 요소들은 이러한 용어들로 한정되지 않는 것으로 이해되어 질 것이다. 단지 이러한 용어들은 어떤 구성 요소로부터 다른 구성 요소를 구별하기 위해서 사용되어질 뿐이다.Also, if terms referring to first, second, etc. can be used herein to describe various components, it will be understood that the components are not limited to these terms. These terms are only used to distinguish one component from another.
본 발명의 일 실시예는 산화물 박막 제조방법 및 박막 트랜지스터 제조방법에 관한 것이다.One embodiment of the present invention relates to an oxide thin film manufacturing method and a thin film transistor manufacturing method.
본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 제조방법은 열처리를 통해 제조된 산화물 박막을 담금빌(quenching) 과정을 통해 산화물 반도체의 캐리어인 산소 정공(oxygen vacancy)의 농도를 증가시킬 수 있다. 이를 통해 산화물 박막의 전기전도도를 향상시킬 수 있다. Oxide thin film manufacturing method according to an embodiment of the present invention can increase the concentration of oxygen vacancy (carrier) of the oxide semiconductor through the quenching (quenching) process of the oxide thin film manufactured by heat treatment. Through this, the electrical conductivity of the oxide thin film can be improved.
담금질 과정은 고온으로 처리된 산화물 박막을 예를 들면, 액체 질소와 같은 냉매와 접촉시켜 급격한 온도변화를 주는 것을 의미할 수 있다. 또한, 담금질 과정은 ZnO 기반의 박막에서 산소 정공의 발생 원인이 되는 과산화 된 산소 음이온을 발생시키기 위해 200K/ps이상의 온도 변화가 필요하기 때문에 이보다 더 큰 온도 변화를 수반하는 경우를 의미할 수 있다.
구체적으로 담금질 과정에서는 핫플레이트(hot plate)나 퍼니스(furnace)에서 열처리되어 제조된 산화물 박막을 바로 액체 질소와 같은 냉매와 접촉시켜서, 산소 정공의 농도를 증가시킬 수 있다. 이를 위해 최대한 큰 온도차를 단시간에 얻는 것이 필요하며, 열용량이 크고 온도가 낮은 액체 질소 처리를 통해 더욱 급격한 온도 변화를 유도할 수 있다.
The quenching process may mean that the oxide thin film treated at high temperature is brought into contact with a coolant such as liquid nitrogen to give a rapid temperature change. In addition, the quenching process may refer to a case in which a temperature change of 200 K / ps or more is required to generate peroxide oxygen anion, which causes oxygen holes, in a ZnO-based thin film.
Specifically, in the quenching process, the oxide thin film prepared by heat treatment in a hot plate or a furnace may be directly contacted with a refrigerant such as liquid nitrogen, thereby increasing the concentration of oxygen holes. To achieve this, it is necessary to obtain the largest temperature difference in a short time, and more rapid temperature change can be induced through liquid nitrogen treatment with a large heat capacity and a low temperature.
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이하에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 제조방법에 대해 설명한다.Hereinafter, an oxide thin film manufacturing method according to an embodiment of the present invention will be described.
먼저 기판 상에 산화물 박막을 증착을 위한 전구체 물질을 도포할 수 있다. 산화물 박막을 증착하기 위한 방법으로는 스퍼터링(sputtering), 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD), 원자층증착법(atomic layer deposition, ALD), 졸-겔(sol-gel) 방법을 사용할 수 있다. 본 실시예에서는 졸-겔 법을 사용하여 설명될 것이나, 이는 예시적인 것으로 이해되어야 할 것이다.
산화물 박막을 증착하기 위한 전구체 물질은 InGaZnO, ZnO, ZrInZnO, InZnO, AlInZnO, GaZnO, InGaZnO4, ZnInO, ZnSnO, In2O3, HfInZnO, SnO2, In2O3SnO2, MgZnO, ZnSnO3, ZnSnO4, CdZnO, CuAlO2, CuGaO2,또는 NiO중 선택된 어느 하나의 물질 또는 상기 물질들의 화합물을 포함할 수 있다. 전구체 용액은 졸-겔(sol-gel)법에 따라 졸 형태로 형성될 수 있다. First, a precursor material for depositing an oxide thin film on a substrate may be applied. As a method for depositing an oxide thin film, sputtering, chemical vapor deposition (CVD), atomic layer deposition (ALD), or sol-gel method may be used. This example will be described using the sol-gel method, but it should be understood as illustrative.
Precursor materials for depositing oxide thin films are InGaZnO, ZnO, ZrInZnO, InZnO, AlInZnO, GaZnO, InGaZnO4, ZnInO, ZnSnO, In2O3, HfInZnO, SnO2, In2O3SnO2, MgZnO, ZnSZO, ZnSnO3, ZnSnO3 It may include any one selected material or a compound of the above materials. The precursor solution may be formed in a sol form according to a sol-gel method.
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기판 상에 전구체 용액을 도포하는 방법으로는 스크린 프린팅(screen-printing), 스핀코팅(spin-coating), 딥코팅(dip coating), 스프레이법, 롤-투-롤 공정(roll-to-roll), 또는 잉크젯(ink-jet) 방법 중에서 선택된 어느 하나의 방법을 사용할 수 있다. The method of coating the precursor solution on the substrate may be screen-printing, spin-coating, dip coating, spraying, or roll-to-roll. Or any one method selected from the ink-jet method may be used.
기판은 유리, 플라스틱, 실리콘 또는 합성수지와 같은 절연성을 띠는 재질로 형성할 수 있으며, 유리기판과 같은 투명기판이 바람직하나, 이에 국한되지는 않는다.
The substrate may be formed of an insulating material such as glass, plastic, silicon or synthetic resin, and a transparent substrate such as a glass substrate is preferable, but is not limited thereto.
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다음으로 형성된 산화물 박막을 열처리하는 과정이 수행될 수 있다. 이때, 열처리 방법으로는 퍼니스(furnace), 핫 플레이트(hot-plate), 레이저(laser) 등을 이용하는 것이 가능하며, 이에 국한되지는 않는다. 여기서 열처리 온도는 300℃ 내지 500℃일 수 있다. 상기 열처리하는 과정은 300℃에서 약 5분의 전 열처리과정 및 500℃에서 약 2시간의 후 열처리과정을 포함할 수 있다.
Next, a process of heat treating the formed oxide thin film may be performed. In this case, as the heat treatment method, it is possible to use a furnace, a hot plate, a laser, and the like, but is not limited thereto. The heat treatment temperature may be 300 ° C to 500 ° C. The heat treatment may include a pre-heating process of about 5 minutes at 300 ° C and a post-heating process of about 2 hours at 500 ° C.
다음으로, 열처리된 산화물 박막이 형성된 기판을 냉각시키는 단계가 수행될 수 있다. 산화물 박막이 형성된 기판을 냉각시키는 단계는, 산화물 박막이 냉매와 열적 평형상태를 이룰 때까지 수행될 수 있으며, 이는 약 1분 내지 5분일 수 있다. 산화물 박막이 형성된 기판을 냉각시키는 단계는 산소 정공의 농도를 증가시킬 수 있는 충분한 변화(ex. 200K/ps의 온도 변화)가 수반되어야 하지만, 물질의 성분비와 박막의 상태에 따라 이 조건은 달라질 수 있으며, 이에 국한되지 않는다. 바람직하게는 -150℃ 내지 -200℃로 상기 기판을 냉각시킬 수 있다.
냉매는 액체질소, 액체헬륨, 액체산소 또는 액체수소를 사용할 수 있다. 바람직하게는 저비용의 측면에서 액체질소를 사용할 수 있으나, 얻고자 하는 효과와 주변 환경에 따라 달라질 수 있으며, 이에 국한되지 않는다.
다음으로 산화물 박막이 형성된 기판을 100℃ 내지 200℃로 가열하는 열처리 단계가 수행될 수 있다. 상기 열처리 단계는 상기 산화물 박막에 물 분자의 흡착을 막기 위한 과정일 수 있다.
Next, the step of cooling the substrate on which the heat-treated oxide thin film is formed may be performed. Cooling the substrate on which the oxide thin film is formed may be performed until the oxide thin film is in thermal equilibrium with a refrigerant, which may be about 1 to 5 minutes. Cooling the substrate on which the oxide thin film is formed should be accompanied by a sufficient change (eg, a temperature change of 200 K / ps) to increase the concentration of oxygen holes, but this condition may vary depending on the composition of the material and the state of the thin film. It is not limited thereto. Preferably, the substrate may be cooled to −150 ° C. to −200 ° C.
The refrigerant may use liquid nitrogen, liquid helium, liquid oxygen, or liquid hydrogen. Preferably, liquid nitrogen may be used in terms of low cost, but may vary depending on the effect to be obtained and the surrounding environment, but is not limited thereto.
Next, a heat treatment step of heating the substrate on which the oxide thin film is formed to 100 ° C. to 200 ° C. may be performed. The heat treatment step may be a process for preventing adsorption of water molecules on the oxide thin film.
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[화학식][Chemical Formula]
이하에서, 상기 화학식을 참조하여 산소 정공의 발생에 대해 설명한다. 위의 식은 산화물에서 산소 정공과 전자의 발생에 관한 식으로 Kroger-Vink notation을 따른다. O는 산소원자, V는 정공, 윗첨자는 그 물질이 가지고 있는 전하를 뜻하며, (')는 음전하를 (ㆍ)는 양전하를 뜻하며, 아래 첨자는 원래 격자에 있었던 원자이고 큰 알파벳은 실제 그 격자를 차지하고 있는 원자이다. 가장 왼쪽은 산소 격자에 산소가 차지되어 있는 정상적인 격자이다. 이때 급격한 온도변화와 같은 요인에 의해서 산소 원자 하나가 격자에서 빠져나와서 산소 정공을 만들고 격자와 격자 사이의 공간(interstitial)에 산소원자가 전하를 띤 채로 존재하게 된다. 이때 격자와 격자 사이의 공간에 있던 전하를 가진 산소원자가 산소분자를 이루려고 하면서 정상적인 산소원자에 붙어서 과산화된 상태를 이루게 되는데 이때에 전자가 발생하게 되고 이 전자가 박막에 추가적인 전도도를 가지게 한다.
Hereinafter, generation of oxygen holes will be described with reference to the above chemical formula. The above equation relates to the generation of oxygen holes and electrons in oxides and follows Kroger-Vink notation. O is the oxygen atom, V is the hole, and the superscript is the charge that the material has, (') is the negative charge, and (·) is the positive charge, the subscript is the atom that was originally in the lattice, and the big alphabet is actually the lattice. It is the atom which occupies. The leftmost one is the normal lattice where oxygen is occupied in the oxygen lattice. At this time, an oxygen atom is released from the lattice by a factor such as a sudden temperature change to form an oxygen hole, and the oxygen atom is charged with the charge in the interstitial space between the lattice and the lattice. At this time, the oxygen atom with the charge in the space between the lattice and the lattice tries to form an oxygen molecule and forms a peroxide state attached to the normal oxygen atom. At this time, electrons are generated and the electrons have additional conductivity in the thin film.
[실시예][Example]
용액 공정을 사용하여 산화물 박막을 제조하였다. 우선 전구체(precursor)를 용매(solvent)에 녹인다. 질산 인듐(indium nitrate), 질산 갈륨(gallium nitrate), 아세트산 아연(zinc acetate )을 1:1:2의 몰비율로 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol)에 녹인다. 질산염의 용해를 돕기 위해서 모노에타놀아민 (Mono-ethanolamine)을 첨가하였고, 균일한 solution의 합성을 위해서 아세트산(Acetic acid)을 첨가하였다. 합성된 용액은 360rpm에서 70℃로 한 시간 동안 용해과정을 거친다. 24시간이 지난 후, 제작된 용액을 친수성 처리를 한 P+ 실리콘 박막에 스핀코팅(spin coating)한 후, 300도에서 5분의 전 열처리과정을 거친다. 이후 2시간의 500℃ 후 열처리과정을 거친다. 이렇게 제작된 인듐갈륨아연산화물(IGZO)박막을 액체 질소에 약 1분 정도 담금질처리 하였다. 이후 물의 흡착을 방지하기 위해서 100℃에서 열처리를 하였다.
An oxide thin film was prepared using a solution process. First, the precursor is dissolved in a solvent. Indium nitrate, gallium nitrate, and zinc acetate are dissolved in 2-methoxyethanol at a molar ratio of 1: 1: 2. Mono-ethanolamine was added to help dissolve the nitrate, and acetic acid was added to synthesize a uniform solution. The synthesized solution is dissolved at 360 ° C. for 70 hours at 70 ° C. After 24 hours, the solution is spin coated on a hydrophilic P + silicon thin film and then subjected to a total heat treatment of 5 minutes at 300 ° C. After the heat treatment process after 500 ℃ of 2 hours. The indium gallium zinc oxide (IGZO) thin film thus prepared was quenched with liquid nitrogen for about 1 minute. Thereafter, heat treatment was performed at 100 ° C. to prevent adsorption of water.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막의 FT-IR 측정결과를 나타낸 그래프이다. 1 is a graph showing the FT-IR measurement results of the oxide thin film according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막을 foutier transform infrared 측정한 결과 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 제조방법은 온도만의 영향을 받는다는 것을 알 수 있다. 이는 냉매로 사용한 액체 질소 등의 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다. Referring to FIG. 1, as a result of foutier transform infrared measurement of an oxide thin film according to an embodiment of the present invention, it can be seen that an oxide thin film manufacturing method according to an embodiment of the present invention is affected only by temperature. This means that it is not affected by the liquid nitrogen used as the refrigerant.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막의 XRD 측정결과를 나타낸 그래프이다. 도 2를 참조하면, 담금질을 하지 않은 박막의 XRD 그래프의 경우에는 30~40도의 넓은 피크의 강도가 담금질을 한 박막의 경우보다 크다. 또한 47.6도의 피크를 볼 때, 담금질을 하지 않은 박막의 경우에는 피크가 있지만, 담금질처리를 한 경우에는 피크가 없어졌다. 56.418도의 피크의 경우에는 싱글 레퍼런스 피크가 뜨기 때문에 박막의 미결정크기를 알 수 있는데, 담금질 처리를 한 박막은 측정된 값은 40 옹스트롱 이었고, 처리를 하지 않은 박막은 49 옹스트롱 이었다. 이로부터 담금질 처리를 한 박막이 담금질 처리를 하지 않은 박막보다 더욱 비정질화(amorphous) 되는 것을 알 수 있다.Figure 2 is a graph showing the XRD measurement results of the oxide thin film according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, in the case of the XRD graph of the thin film not quenched, the intensity of a broad peak of 30 to 40 degrees is greater than that of the thin film. In addition, when the peak of 47.6 degrees was observed, there was a peak in the case of the thin film not quenched, but the peak disappeared in the case of quenching treatment. In the case of the peak of 56.418 degrees, a single reference peak appears, and thus the microcrystalline size of the thin film was known. The quenched thin film had a measured value of 40 angstroms and the untreated thin film was 49 angstroms. It can be seen from this that the thin film subjected to the quenching treatment is more amorphous than the thin film without the quenching treatment.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막의 광투과도를 나타낸 그래프이다. 도 3을 참조하면, 담금질을 한 박막과 기존의 박막의 광투과도를 변환한 그래프에서 밴드갭을 얻을 수 있다. 도 2의 XRD그래프에서와 같이 산소 정공의 발생에 의해 비정질화 된 산화물 박막은 일반적인 산화물 박막에 비해서 가전자대와 전도대에서의 밴드 테일링현상(band-tailing)을 일으켜서 밴드갭을 줄어들게 한다. 즉, 정상적인 상태의 산화물 박막에서 담금질이 이루어질 경우에 과산화된 산소 음이온이 발생하여 산소 정공을 유발시켜 산화물 박막을 더욱 비정질화 시키며 다른 금속이온들이 에너지 밴드에서 불순물로 작용하여 밴드 테일링현상을 유발하게 된다. 3 is a graph showing the light transmittance of an oxide thin film according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, a band gap may be obtained from a graph in which light transmittances of a thin film quenched and a conventional thin film are converted. As shown in the XRD graph of FIG. 2, the oxide thin film that is amorphous by the generation of oxygen holes causes band tailing in the valence band and the conduction band as compared with the general oxide thin film to reduce the band gap. That is, when quenching is performed in the oxide thin film in a normal state, peroxidized oxygen anions are generated to induce oxygen holes to further amorphize the oxide thin film, and other metal ions act as impurities in the energy band to cause band tailing phenomenon. .
도 4a 내지 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막의 밴드갭 변화를 나타낸 그래프이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 제조방법을 통해 제조된 산화물 박막은 과산화된 산소 음이온이 발생하여 산소 정공을 유발시켜 산화물 박막을 더욱 비정질화 시키고, 다른 금속이온들이 에너지 밴드에서 불순물로 작용하여 밴드 테일링현상을 유발하게 되며, 그에 따라 밴드갭을 줄어들게 한다. 4A to 4B are graphs showing a band gap change of an oxide thin film according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the oxide thin film manufactured by the method of manufacturing an oxide thin film according to an embodiment of the present invention generates oxygen holes by generating peroxideed oxygen anions to further amorphousize the oxide thin film, and other metal ions. They act as impurities in the energy band, causing band tailing, which reduces the band gap.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막을 사용한 박막 트랜지스터의 캐리어 이동도 및 온-전류 특성을 나타낸 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 제조방법을 통해 제조된 산화물 박막을 사용하여 제작된 박막 트랜지스터는 이동도가 0.6 cm-2/Vs에서 0.93 cm-2/Vs로 증가하였고, 트랜지스터의 켜진상태의 전류(on-current)도 1.23 x 10- 5 에서 2.72 x 10-5 A로 증가하였다.5 is a graph showing carrier mobility and on-current characteristics of a thin film transistor using an oxide thin film according to an embodiment of the present invention. 5, the oxide films produced by using the oxide thin film manufactured through the manufacturing method a thin film transistor according to an embodiment of the present invention, mobility is from 0.6 cm- 2 / Vs 0.93 cm- 2 / Vs It increased to, the oN current of the transistor (on-current) is also 1.23 x 10 - was increased from 5 to 2.72 x 10 -5 a.
도 6a 내지 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막의 구조를 나타낸 것이다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막은 기판(100), 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 제조방법을 통해 제조된 산화물 박막(110)을 포함할 수 있다. 6a to 6b show the structure of the oxide thin film according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6B, an oxide thin film according to an embodiment of the present invention may include a
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 구조를 나타낸 것이다. 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터를 설명하기 위하여, 예시적으로 바텀 게이트 방식을 적용한 구조를 도시하였지만 이에 국한되지 않으며 다양한 구조의 박막 트랜지스터에 적용될 수 있다. 7 illustrates a structure of an oxide thin film transistor according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 7, in order to describe an oxide thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present disclosure, a structure in which a bottom gate method is applied is illustrated, but is not limited thereto, and may be applied to thin film transistors having various structures.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터는 기판(200), 기판 위에 형성되는 게이트 전극(210), 게이트 전극 위에 형성되는 게이트 절연층(220'), 게이트 절연층 위에 형성되는 채널층(230'), 채널층 위에 형성되는 소오스 전극(240) 및 드레인 전극(250)을 포함할 수 있다. As illustrated in FIG. 7, an oxide thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present invention may include a
채널층(230')은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 제조방법을 사용하여 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 제조방법을 사용하여 채널층을 형성함으로써, 전기전도도가 우수한 박막 트랜지스터를 제조할 수 있다. The
한편, 게이트 전극(210), 소오스 전극(240) 및 드레인 전극(250)은 알루미늄, 은, 금, 구리, 몰리브덴, 알루미늄 합금, 크롬 또는 티타늄, ITO, IZO, ITZO, GZO 중 적어도 어느 하나의 금속물질 및 그 합금계열의 금속재료로 형성되는 것이 바람직하나, 이에 국한되지는 않는다. Meanwhile, the
본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 제조방법을 통해 제조된 산화물 박막은 높은 전기전도도를 가진다. 따라서, 이를 산화물 박막 트랜지스터의 채널층으로 이용하면 높은 성능의 박막 트랜지스터 또는 전자 소자를 제조할 수 있다. 또한, 인듐과 같은 고가의 물질 사용을 줄일 수 있어 생산 비용을 줄일 수 있다. An oxide thin film manufactured by the method of manufacturing an oxide thin film according to an embodiment of the present invention has high electrical conductivity. Therefore, when this is used as the channel layer of the oxide thin film transistor, it is possible to manufacture a high performance thin film transistor or an electronic device. In addition, the use of expensive materials such as indium can be reduced, thereby reducing production costs.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다. The scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, but may be embodied in various forms of embodiments within the scope of the appended claims. Without departing from the gist of the invention claimed in the claims, it is intended that any person skilled in the art to which the present invention pertains falls within the scope of the claims described in the present invention to various extents which can be modified.
100, 100': 기판
110, 110': 산화물 박막
210: 게이트 전극
220': 게이트 절연층
230': 채널층
240: 소오스 전극
250: 드레인 전극100, 100 ': substrate
110, 110 ': oxide thin film
210: gate electrode
220 ': gate insulating layer
230 ': channel layer
240: source electrode
250: drain electrode
Claims (16)
상기 산화물 박막의 산소 정공의 농도를 증가시키는 단계를 포함하며,
상기 산소 정공의 농도를 증가시키는 단계는 상기 기판을 -150℃ 내지 -200℃로 냉각시키는 단계를 포함하고,
상기 산소 정공의 농도를 증가시키는 단계는 냉각시킨 상기 기판을 100℃ 내지 200℃로 가열하는 열처리 단계를 더 포함하는
산화물 박막 제조방법.Forming an oxide thin film on the substrate; And
Increasing the concentration of oxygen holes in the oxide thin film,
Increasing the concentration of oxygen holes includes cooling the substrate to -150 ° C to -200 ° C,
Increasing the concentration of the oxygen hole further comprises a heat treatment step of heating the cooled substrate to 100 ℃ to 200 ℃
Oxide thin film manufacturing method.
상기 기판을 냉각시키는 단계는 액체질소, 액체헬륨, 액체산소 또는 액체수소를 냉매로 사용하는 것을 특징으로 하는 산화물 박막 제조방법. The method according to claim 1,
Cooling the substrate is a method of manufacturing an oxide thin film, characterized in that using a liquid nitrogen, liquid helium, liquid oxygen or liquid hydrogen as a refrigerant.
상기 기판을 냉각시키는 단계는 상기 기판이 상기 냉매와 열적 평형을 형성할 때까지 수행되는 것을 특징으로 하는 산화물 박막 제조방법. The method according to claim 1 or 3,
Cooling the substrate is performed until the substrate is in thermal equilibrium with the refrigerant.
상기 열적 평형을 형성하는 시간은 1분 내지 5분인 것을 특징으로 하는 산화물 박막 제조방법. 5. The method of claim 4,
The time for forming the thermal equilibrium is an oxide thin film manufacturing method, characterized in that 1 minute to 5 minutes.
상기 열처리 단계 이후에 상기 냉각시키는 단계를 반복하여 목표로 하는 산소 정공 농도를 형성하는 것을 특징으로 하는 산화물 박막 제조방법. The method according to claim 1,
Repeating the cooling step after the heat treatment step to form a target oxygen hole concentration, characterized in that the.
상기 산화물 박막은 InGaZnO, ZnO, ZrInZnO, InZnO, AlInZnO, GaZnO, InGaZnO4, ZnInO, ZnSnO, In2O3, HfInZnO, SnO2, In2O3SnO2, MgZnO, ZnSnO3, ZnSnO4, CdZnO, CuAlO2, CuGaO2 및 NiO 중에서 선택된 어느 하나의 물질 또는 상기 물질들의 화합물을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 산화물 박막 제조방법. The method according to claim 1,
The oxide thin film is InGaZnO, ZnO, ZrInZnO, InZnO, AlInZnO, GaZnO, InGaZnO 4 , ZnInO, ZnSnO, In 2 O 3 , HfInZnO, SnO 2 , In 2 O 3 SnO 2 , MgZnO, ZnSnO 3 , ZdSnO 4 , Method for producing an oxide thin film, characterized in that formed using any one material selected from CuAlO 2 , CuGaO 2 and NiO or a compound of the materials.
기판 위에 채널막을 형성하는 단계;
상기 기판을 액체질소를 사용하여 -150℃ 내지 -200℃로 냉각시키는 단계; 그리고
냉각시킨 상기 기판을 100℃ 내지 200℃로 가열하는 열처리 단계를 포함하는 반도체 소자 제조방법.In the semiconductor device manufacturing method comprising a channel film,
Forming a channel film on the substrate;
Cooling the substrate to -150 ° C to -200 ° C using liquid nitrogen; And
A semiconductor device manufacturing method comprising a heat treatment step of heating the cooled substrate to 100 ℃ to 200 ℃.
상기 채널막은 산화물 박막을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.10. The method of claim 9,
The channel film is a semiconductor device manufacturing method, characterized in that formed using an oxide thin film.
상기 산화물 박막의 에너지 밴드갭을 감소시키는 단계를 포함하고,
상기 산화물 박막의 에너지 밴드갭을 감소시키는 단계는 상기 기판을 -150℃ 내지 -200℃로 냉각시키는 단계를 포함하고,
상기 산화물 박막의 에너지 밴드갭을 감소시키는 단계는 냉각시킨 상기 기판을 100℃ 내지 200℃로 가열하는 열처리 단계를 더 포함하는 산화물 박막 제조방법.Forming an oxide thin film on the substrate; And
Reducing the energy band gap of the oxide thin film,
Reducing the energy bandgap of the oxide thin film comprises cooling the substrate to -150 ° C to -200 ° C,
Reducing the energy band gap of the oxide thin film further comprises a heat treatment step of heating the cooled substrate to 100 ℃ to 200 ℃.
상기 기판 위에 게이트 절연층을 형성하는 단계;
상기 기판 위에 채널층을 형성하는 단계; 그리고
상기 기판 위에 소오스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 채널층을 형성하는 단계는 상기 기판 위에 산화물 박막을 형성하고, 상기 산화물 박막의 산소 정공 농도를 증가시키는 단계를 포함하고,
상기 산소 정공의 농도를 증가시키는 단계는 상기 기판을 -150℃ 내지 -200℃로 냉각시키는 단계를 포함하고,
상기 산소 정공의 농도를 증가시키는 단계는 냉각시킨 상기 기판을 100℃ 내지 200℃로 가열하는 열처리 단계를 더 포함하는 박막 트랜지스터 제조방법.Forming a gate electrode over the substrate;
Forming a gate insulating layer on the substrate;
Forming a channel layer on the substrate; And
Forming a source electrode and a drain electrode on the substrate;
The forming of the channel layer may include forming an oxide thin film on the substrate and increasing an oxygen hole concentration of the oxide thin film,
Increasing the concentration of oxygen holes includes cooling the substrate to -150 ° C to -200 ° C,
The increasing the concentration of the oxygen hole further comprises a heat treatment step of heating the cooled substrate to 100 ℃ to 200 ℃.
상기 기판을 냉각시키는 단계는 액체질소, 액체헬륨, 액체산소 또는 액체수소를 냉매로 사용하는 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터 제조방법.
The method of claim 13,
The cooling of the substrate may include using liquid nitrogen, liquid helium, liquid oxygen, or liquid hydrogen as a refrigerant.
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| KR1020110051718A KR101262325B1 (en) | 2011-05-30 | 2011-05-30 | A method of making oxide thin film and a method of making thin film transistor |
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|---|---|---|---|---|
| JP2006026487A (en) * | 2004-07-14 | 2006-02-02 | Kankyo Device Kenkyusho:Kk | Method of improving activity of catalyst and performance of semiconductor and method of manufacturing catalyst having improved activity, semiconductor having improved performance and wet solar cell |
| JP2011003775A (en) * | 2009-06-19 | 2011-01-06 | Fujifilm Corp | Thin-film transistor manufacturing device, method of manufacturing oxide semiconductor thin film, method of manufacturing thin-film transistor, oxide semiconductor thin film, thin-film transistor, and light-emitting device |
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