KR101433857B1 - 과산화수소를 이용한 산화물 박막 형성 방법 및 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법 - Google Patents

과산화수소를 이용한 산화물 박막 형성 방법 및 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 과산화수소를 이용하여 산화물 박막을 형성하는 방법 및 산화물 박막 트랜지스터를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 형성 방법은, 전구체 물질을 용매에 용해시킨 전구체 용액에 과산화수소를 혼합하는 단계; 상기 과산화수소 혼합 후 기 결정된 시간 내에 상기 과산화수소가 혼합된 전구체 용액을 기판에 도포하는 단계; 상기 기판을 제 1 온도에서 열처리하는 단계; 및 상기 기판을 제 2 온도에서 열처리하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

과산화수소를 이용한 산화물 박막 형성 방법 및 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법{METHOD FOR FORMING OXIDE THIN FILM AND METHOD FOR FABRICATING OXIDE THIN FILM TRANSISTOR EMPLOYING HYDROGEN PEROXIDE}
본 발명은 과산화수소를 이용하여 산화물 박막을 형성하는 방법 및 산화물 박막 트랜지스터를 제조하는 방법에 관한 것이다.
디스플레이 패널의 스위칭 소자로 a-Si:H 기반의 박막 트랜지스터가 사용되고 있다. 그러나, 이 소자는 이동도와 투과율이 낮고, 생산비용이 높다는 단점을 가지고 있다. 이로 인해, 최근 높은 이동도, 고 투과율 및 원가 절감을 달성할 수 있는 산화물 박막 트랜지스터가 차세대 스위칭 소자로 주목받고 있다.
산화물 박막 트랜지스터는 진공 증착, 프린팅 기법, 용액 공정 등으로 제조될 수 있다. 이 중 용액 공정은 진공 증착의 고비용과 낮은 생산성을 극복할 수 있는 저비용의 단순화된 공정 기법으로 소개되고 있다.
하지만, 용액 공정은 부재료로 유기물을 사용하는 특성 때문에 박막 내 결함 발생률이 높아 소자의 전기적 성능 및 동작 신뢰성이 저하되는 단점을 갖는다. 박막의 질 개선 및 소자의 신뢰성 확보를 위해 오존을 이용한 열처리, 진공을 이용한 열처리, 자외선 조사 등의 여러 가지 기법들이 연구되고 있으나, 이러한 방법들은 후공정 비용을 증가시키고 생산성 저하를 야기하는 단점을 갖는다.
본 발명의 실시예는 저비용으로 결함이 적은 고품질의 박막을 형성하고, 전기적 성능 및 신뢰성이 우수한 산화물 박막 트랜지스터를 제조할 수 있는 산화물 박막 형성 방법 및 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 형성 방법은, 전구체 물질을 용매에 용해시킨 전구체 용액에 과산화수소를 혼합하는 단계; 상기 과산화수소 혼합 후 기 결정된 시간 내에 상기 과산화수소가 혼합된 전구체 용액을 기판에 도포하는 단계; 상기 기판을 제 1 온도에서 열처리하는 단계; 및 상기 기판을 제 2 온도에서 열처리하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 전구체 물질은: 인듐 화합물, 갈륨 화합물, 아연 화합물, 주석 화합물, 지르코늄 화합물, 알루미늄 화합물, 네오디뮴 화합물, 탄탈륨 화합물, 타이타늄 화합물, 바륨 화합물, 란사늄 화합물, 망간 화합물, 크롬 화합물, 스트론튬 화합물, 이트륨 화합물 및 세륨 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 용매는: 2-메속시에탄올(2-methoxyethanol), 이소프로판올(isopropanol), 디메틸포름아마이드(dimethylformamide), 에탄올(ethanol), 탈이온수(deionized water), 메탄올(methanol), 아세틸아세톤(acetylacetone), 디메틸아민보란(dimethylamineborane) 및 아세토니트릴(acetonitrile) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 산화물 박막 형성 방법은, 상기 전구체 용액에 과산화수소를 혼합하는 단계 전에, 상기 전구체 용액에 아세트산(CH3COOH), 질산(HNO3), 모노-에탄올아민(mono-ethanolamine), 디-에탄올아민(di-ethanolamine), 트리-에탄올아민(tri-ethanolamine), 아세틸아세토네이트(acetylacetonate), 에틸렌다이아민(ethylenediamine), 테트라메틸에틸렌다이아민(tetramethlyethylendiamine), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol, C2H6O2) 및 글리세롤(glycerol, C3H8O3) 중 적어도 하나를 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 전구체 용액에 과산화수소를 혼합하는 단계는: 상기 전구체 물질과 상기 과산화수소 간의 몰 비율이 1:1이 되도록 상기 전구체 용액에 상기 과산화수소를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 과산화수소가 혼합된 전구체 용액을 기판에 도포하는 단계는: 상기 과산화수소가 상기 전구체 용액과 반응하여 침전을 형성하기 전에, 상기 과산화수소가 혼합된 전구체 용액을 상기 기판에 도포하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 기판을 제 1 온도에서 열처리하는 단계는: 상기 기판을 100℃에서 30분 동안 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 기판을 제 2 온도에서 열처리하는 단계는: 상기 기판을 450℃에서 2시간 동안 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 산화물 박막 형성 방법은, 상기 기판을 450℃에서 2시간 동안 열처리하는 단계 전에, 상기 기판을 300℃에서 5분 동안 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법은, 전구체 물질을 용매에 용해시킨 전구체 용액에 과산화수소를 혼합하는 단계; 상기 과산화수소 혼합 후 기 결정된 시간 내에 게이트 및 게이트 절연층이 구비된 기판에 상기 과산화수소가 혼합된 전구체 용액을 도포하고, 열처리하여 채널층을 형성하는 단계; 및 소스 및 드레인을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 전구체 용액은 인듐 나이트레이트 하이드로스(Indium nitrate hydrous), 갈륨 나이트레이트 하이드로스(Gallium nitrate hydrous) 및 진크 아세테이트 디하이드레이트(Zinc acetate dihydrate)를 2-메속시에탄올에 용해시켜 제조될 수 있다.
상기 인듐 나이트레이트 하이드로스, 상기 갈륨 나이트레이트 하이드로스 및 상기 진크 아세테이트 디하이드레이트 간의 몰 비율은 5:1:2일 수 있다.
상기 용매와 상기 전구체 물질 간의 몰 비율은 1:0.3일 수 있다.
상기 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법은, 상기 전구체 용액에 과산화수소를 혼합하는 단계 전에, 상기 전구체 용액에 모노-에탄올아민 및 아세트산을 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 채널층을 형성하는 단계는: 상기 과산화수소 혼합 후 1시간 내에 상기 과산화수소가 혼합된 전구체 용액을 상기 기판에 도포하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 채널층을 형성하는 단계는: 상기 기판을 100℃에서 30분 동안 열처리하여 상기 과산화수소를 활성화시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 채널층을 형성하는 단계는: 상기 과산화수소를 활성화시키는 단계 후, 상기 기판을 300℃에서 5분 동안 열처리하여 전구체 용액을 겔 상태로 변환시키는 단계; 및 상기 기판을 450℃에서 2시간 동안 열처리하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 채널층을 형성하는 단계는: 상기 기판에 상기 과산화수소가 혼합된 전구체 용액을 도포하는 단계; 상기 기판을 100℃에서 30분 동안 열처리하여 상기 과산화수소를 활성화시키는 단계; 상기 기판을 300℃에서 5분 동안 열처리하여 전구체 용액을 겔 상태로 변환시키는 단계; 상기 과산화수소가 혼합된 전구체 용액의 도포, 상기 과산화수소의 활성화 및 상기 겔 상태로의 변환을 반복하는 단계; 및 상기 기판을 450℃에서 2시간 동안 열처리하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 채널층을 형성하는 단계는: 상기 기판에 상기 과산화수소가 혼합된 전구체 용액을 도포하는 단계; 상기 기판을 100℃에서 30분 동안 열처리하여 상기 과산화수소를 활성화시키는 단계; 상기 기판을 300℃에서 5분 동안 열처리하여 전구체 용액을 겔 상태로 변환시키는 단계; 전구체 용액을 상기 기판에 도포하는 단계; 상기 기판을 300℃에서 5분 동안 열처리하여 전구체 용액을 겔 상태로 변환시키는 단계; 및 상기 기판을 450℃에서 2시간 동안 열처리하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법은, 상기 채널층 위에 패시베이션층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 박막 내에 발생하는 결함들을 감소시키고, 낮은 온도에서 유기물을 분해 제거하여 박막의 질을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고가의 장비를 도입하지 않고도 높은 품질의 박막을 얻을 수 있어, 산화물 박막 트랜지스터의 전기적 성능 및 동작 신뢰성을 개선시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 형성 방법을 설명하는 예시적인 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법을 설명하는 예시적인 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 산화물 박막 트랜지스터의 예시적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 과산화수소를 이용하여 산화물 박막 트랜지스터를 제조하는 용액 공정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5 내지 도 7은 각각 과산화수소를 이용하지 않고 제조된 산화물 박막 트랜지스터와 과산화수소를 이용하여 제조된 산화물 박막 트랜지스터의 전계 효과 이동도(Field effect mobility), 트랜지스터 점멸비(On-Off current ratio) 및 문턱전압이하에서의 기울기(Subthreshold Swing)를 비교한 그래프이다.
도 8 내지 도 10은 각각 과산화수소를 이용하지 않고 제조된 트랜지스터, 과산화수소를 0.01 몰만큼 혼합하여 제조된 트랜지스터 및 과산화수소를 0.08 몰만큼 혼합하여 제조된 트랜지스터의 전압-전류 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11은 음의 전압이 지속적으로 인가되는 환경에서, 과산화수소를 이용하지 않고 제조된 트랜지스터, 과산화수소를 0.01 몰만큼 혼합하여 제조된 트랜지스터 및 과산화수소를 0.08 몰만큼 혼합하여 제조된 트랜지스터의 문턱전압 변화(delta Vth)를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 추가된 과산화수소가 고분자 유기 화합물인 모노에탄올아민(MEA)를 분해시켜 제거하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 13 및 도 14는 각각 과산화수소가 혼합되지 않은 용액 및 과산화수소가 혼합된 용액에 대하여 고분자 유기물 잔존 여부와 고상화 온도 변화를 TG-DSC(ThermoGravimetry-Differential Scanning Calorimetry)를 통해 분석한 그래프이다.
도 15 내지 도 17은 각각 과산화수소가 혼합되지 않은 전구체 용액으로 두 개의 채널층을 형성한 산화물 박막 트랜지스터, 과산화수소가 혼합된 전구체 용액으로 최하층을 형성하고 과산화수소가 혼합되지 않은 전구체 용액으로 최상층을 형성한 산화물 박막 트랜지스터, 그리고 과산화수소가 혼합된 전구체 용액으로 두 개의 채널층을 형성한 산화물 박막 트랜지스터의 단면도와 전압-전류 특성 그래프를 나타낸다.
도 18은 박막 증착 시 과산화수소를 이용하는 실시예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적인 사전들에 의해 정의된 용어들은 관련된 기술 그리고/혹은 본 출원의 본문에 의미하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있고, 그리고 여기서 명확하게 정의된 표현이 아니더라도 개념화되거나 혹은 과도하게 형식적으로 해석되지 않을 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다' 및/또는 이 동사의 다양한 활용형들 예를 들어, '포함', '포함하는', '포함하고', '포함하며' 등은 언급된 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 본 명세서에서 '및/또는' 이라는 용어는 나열된 구성들 각각 또는 이들의 다양한 조합을 가리킨다.
본 발명의 실시예는 산화물 박막 형성 시 과산화수소를 이용하여, 저비용으로 고품질의 박막을 얻고 동작 성능 및 신뢰성이 높은 산화물 박막 트랜지스터를 제조할 수 있다.
이하, 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 형성 방법을 설명하는 예시적인 흐름도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 산화물 박막 형성 방법(100)은, 전구체 용액에 과산화수소를 혼합하는 단계(S110), 과산화수소 혼합 후 기 결정된 시간 내에 상기 과산화수소가 혼합된 전구체 용액을 기판에 도포하는 단계(S120), 상기 기판을 제 1 온도에서 열처리하는 단계(S130), 및 상기 기판을 제 2 온도에서 열처리하는 단계(S140)를 포함할 수 있다.
상기 전구체 용액은 산화물 박막을 구성하는 금속의 전구체 물질을 용매에 용해시켜 제조될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 전구체 물질은 인듐 화합물, 갈륨 화합물, 아연 화합물, 주석 화합물, 지르코늄 화합물, 알루미늄 화합물, 네오디뮴 화합물, 탄탈륨 화합물, 타이타늄 화합물, 바륨 화합물, 란사늄 화합물, 망간 화합물, 크롬 화합물, 스트론튬 화합물, 이트륨 화합물 및 세륨 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
상기 인듐 화합물은 인듐 클로라이드(Indium chloride), 인듐 클로라이드 테트라하이드레이트(Indium chloride tetrahydrate), 인듐 플루라이드(Indium fluoride), 인듐 플루라이드 트리하이드레이트(indium fluoride trihydrate), 인듐 하이드록사이드(Indium hydroxide), 인듐 니트레이트 하이드레이트(Indium nitrate hydrate), 인듐 아세테이트 하이드레이트(Indium acetate hydrate), 인듐 아세틸아세토네이트(Indium acetylacetonate) 및 인듐 아세테이트(Indium acetate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
상기 갈륨 화합물은 갈륨 나이트레이트(Gallium nitrate), 갈륨 포스포하이드(Gallium phosphide), 갈륨(II) 클로라이드(Gallium(II) chloride), 갈륨(III) 아세틸아세토네이트(Gallium(III) acetylacetonate), 갈륨(III) 브로마이드(Gallium(III) bromide), 갈륨(III) 클로라이드(Gallium(III) chloride), 갈륨(III) 플로라이드(Gallium(III) fluoride), 갈륨(III) 이오다이드(Gallium(III) iodide), 갈륨(III) 나이트레이트 하이드레이트(Gallium(III) nitrate hydrate), 갈륨(III) 설페이트(Gallium(III) sulfate) 및 갈륨(III) 설페이트 하이드레이트(Gallium(III) sulfate hydrate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
상기 아연 화합물은 아연 시트레이트 디하이드레이트(Zinc citrate dihydrate), 아연 아세테이트(Zinc acetate), 아연 아세테이트 디하이드레이트(Zinc acetate dihydrate), 아연 아세틸아세토네이트 하이드레이트(Zinc acetylacetonate hydrate), 아연 아크릴레이트(Zinc acrylate), 아연 클로라이드(Zinc chloride), 아연 디에틸디씨오카바메이트(Zinc diethyldithiocarbamate), 아연 디메틸디씨오카바메이트(Zinc dimethyldithiocarbamate), 아연 플루라이드(Zinc fluoride), 아연 플루라이드 하이드레이트(Zinc fluoride hydrate), 아연 헥사플루로아세틸아세토네이트 디하이드레이트(Zinc hexafluoroacetylacetonate dihydrate), 아연 메타아크릴레이트(Zinc methacrylate), 아연 니트레이트 헥사하이드레이트(Zinc nitrate hexahydrate), 아연 니트레이트 하이드레이트(Zinc nitrate hydrate), 아연 트리플루로메탄술포네이트(Zinc trifluoromethanesulfonate), 아연 운데실레네이트(Zinc undecylenate), 아연 트리플루로아세테이트 하이드레이트(Zinc trifluoroacetate hydrate), 아연 테트라플루로보레이트 하이드레이트(Zinc tetrafluoroborate hydrate) 및 아연 퍼클로레이트 헥사하이드레이트(Zinc perchlorate hexahydrate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
상기 주석 화합물은 틴(II) 클로라이드(Tin(II) chloride), 틴(II) 이오다이드(Tin(II) iodide), 틴(II) 클로라이드 디하이드레이트(Tin(II) chloride dihydrate), 틴(II) 브로마이드(Tin(II) bromide), 틴(II) 플루라이드(Tin(II) fluoride), 틴(II) 옥살레이트(Tin(II) oxalate), 틴(II) 설파이드(Tin(II) sulfide), 틴(II) 아세테이트(Tin(II) acetate), 틴(IV) 클로라이드(Tin(IV) chloride), 틴(IV) 클로라이드 펜타하이드레이트(Tin(IV) chloride pentahydrate), 틴(IV) 플루라이드(Tin(IV) fluoride), 틴(IV) 이오다이드(Tin(IV) iodide), 틴(IV) 설파이드(Tin(IV) sulfide) 및 틴(IV) 터트-부톡사이드(Tin(IV) tert-butoxide) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
상기 지르코늄 화합물은 지르코늄 아세테이트(Zirconium acetate), 지르코늄 나이트레이트(Zirconium nitrate), 지르코늄(II) 하이드라이드(Zirconium(II) hydride), 지르코늄(IV) 아세테이트 하이드록사이드(Zirconium(IV) acetate hydroxide), 지르코늄(IV) 아세틸아세토네이트(Zirconium(IV) acetylacetonate), 지르코늄(IV) 브톡사이드 솔루션(Zirconium(IV) butoxide solution), 지르코늄(IV) 카바이드(Zirconium(IV) carbide), 지르코늄(IV) 클로라이드(Zirconium(IV) chloride), 지르코늄(IV) 에톡사이드(Zirconium(IV) ethoxide), 지르코늄(IV) 플루라이드(Zirconium(IV) fluride), 지르코늄(IV) 플루라이드 하이드레이트(Zirconium(IV) fluride hydrate), 지르코늄(IV) 하이드록사이드(Zirconium(IV) hydroxide), 지르코늄(IV) 이오다이드(Zirconium(IV) iodide), 지르코늄(IV) 설페이트 하이드레이트(Zirconium(IV) sulfate hydrate) 및 지르코늄(IV) 터트-부톡사이드(Zirconium(IV) tert-butoxide) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
상기 알루미늄 화합물은 알루미늄 아세테이트(Aluminum acetate), 알루미늄 아세틸아세토네이트(Aluminum acetylacetonate), 알루미늄 보레이트(Aluminum borate), 알루미늄 브로마이드(Aluminum bromide), 알루미늄 카바이드(Aluminum carbide), 알루미늄 클로라이드(Aluminum chloride), 알루미늄 클로라이드 헥사하이드레이트(Aluminum chloride hexahydrate), 알루미늄 클로라이드 하이드레이트(Aluminum chloride hydrate), 알루미늄 에톡사이드(Aluminum ethoxide), 알루미늄 플로라이드(Aluminum fluoride), 알루미늄 하이드록사이드 하이드레이트(Aluminum hydroxide hydrate), 알루미늄 이오다이드(Aluminum iodide), 알루미늄 이소프로포사이드(Aluminum isopropoxide), 알루미늄 나이트레이트 넌어하이드레이트(Aluminum nitrate nonahydrate), 알루미늄 나이트레이트(Aluminum nitride), 알루미늄 포스포헤이트(Aluminum phosphate), 알루미늄 설페이트(Aluminum sulfate), 알루미늄 설페이트 헥사데카하이드레이트(Aluminum sulfate hexadecahydrate), 알루미늄 설페이트 하이드레이트(Aluminum sulfate hydrate) 및 알루미늄 터트-브톡사이드(Aluminum tert-butoxide) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
상기 네오디뮴 화합물은 네오디뮴(II) 이오다이드(Neodymium(II) iodide), 네오디뮴(III) 아세테이트 하이드레이트(Neodymium(III) acetate hydrate), 네오디뮴(III) 아세틸아세토네이트 하이드레이트(Neodymium(III) acetylacetonate hydrate), 네오디뮴(III) 브로마이드(Neodymium(III) bromide), 네오디뮴(III) 브로마이드 하이드레이트(Neodymium(III) bromide hydrate), 네오디뮴(III) 카보네이트 하이드레이트(Neodymium(III) carbonate hydrate), 네오디뮴(III) 클로라이드(Neodymium(III) chloride), 네오디뮴(III) 클로라이드 헥사하이드레이트(Neodymium(III) chloride hexahydrate), 네오디뮴(III) 플로라이드(Neodymium(III) fluoride), 네오디뮴(III) 하이드록사이드 하이드레이트(Neodymium(III) hydroxide hydrate), 네오디뮴(III) 이오다이드(Neodymium(III) iodide), 네오디뮴(III) 이소프로포사이드(Neodymium(III) isopropoxide), 네오디뮴(III) 나이트레이트 헥사하이드레이트(Neodymium(III) nitrate hexahydrate), 네오디뮴(III) 나이트레이트 하이드레이트(Neodymium(III) nitrate hydrate), 네오디뮴(III) 옥살레이트 하이드레이트(Neodymium(III) oxalate hydrate), 네오디뮴(III) 포스포헤이트 하이드레이트(Neodymium(III) phosphate hydrate), 네오디뮴(III) 설페이트(Neodymium(III) sulfate) 및 네오디뮴(III) 설페이트 하이드레이트(Neodymium(III) sulfate hydrate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
상기 탄탈륨 화합물은 탄탈륨 브로마이드(Tantalium bromide), 탄탈륨 클로라이드(Tantalium chloride) 및 탄탈륨 플루라이드(Tantalium fluoride) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
상기 타이타늄 화합물은 타이타늄 브로마이드(Titanium bromide), 타이타늄 클로라이드(Titanium chloride) 및 타이타늄 플루라이드(Titanium fluoride) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
상기 바륨 화합물은 바륨 아세테이트(Barium acetate), 바륨 아세틸아세토네이트(Barium acetylacetonate), 바륨 브로마이드(Barium bromide), 바륨 클로라이드(Barium chloride), 바륨 플루라이드(Zirconium fluoride), 바륨 헥사프루오로아세틸아세토네이트(Barium hexafluoroacetylacetonate), 바륨 하드록사이드 (Barium hydroxide) 및 바륨 나이트레이트(Barium nitrate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
상기 란사늄 화합물은 란사늄 아세테이트(Lanthanum acetate), 란사늄 아세틸아세토네이트(Lanthanum acetylacetonate), 란사늄 브로마이드(Lanthanum bromide), 란사늄 클로라이드 (Lanthanum chloride), 란사늄 하드록사이드 (Lanthanum hydroxide), 란사늄 플루라이드(Lanthanum fluoride) 및 란사늄 나이트레이트(Lanthanum nitrate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
상기 망간 화합물은 망간 아세테이트(Manganese acetate), 망간 아세틸아세토네이트(Manganese acetylacetonate), 망간 브로마이드(Manganese bromide), 망간 클로라이드 (Manganese chloride), 망간 플루라이드(Manganese fluoride) 및 망간 나이트레이트(Manganese nitrate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
상기 크롬 화합물은 크롬 아세테이트(Chromium acetate), 크롬 아세틸아세토네이트(Chromium acetylacetonate), 크롬 브로마이드(Chromium bromide), 크롬 클로라이드(Chromium chloride), 크롬 플루라이드(Chromium fluoride) 및 크롬 나이트레이트(Chromium nitrate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
상기 스트론튬 화합물은 스트론튬 아세테이트(Strontium acetate), 스트론튬 아세틸아세토네이트(Strontium acetylacetonate), 스트론튬 브로마이드(Strontium bromide), 스트론튬 클로라이드(Strontium chloride), 스트론튬 플루라이드(Strontium fluoride), 스트론튬 하드록사이드 (Strontium Hydroxide) 및 스트론튬 나이트레이트(Strontium nitrate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
상기 이트륨 화합물은 이트륨 아세테이트(Yttrium acetate), 이트륨 아세틸아세토네이트(Yttrium acetylacetonate), 이트륨 클로라이드(Yttrium chloride), 이트륨 플루라이드(Yttrium fluride) 및 이트륨 나이트레이트(Yttrium nitrate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
상기 세륨 화합물은 세륨(III) 아세테이트 하이드레이트(Cerium(III) acetate hydrate), 세륨(III) 아세틸아세토네이트 하이드레이트(Cerium(III) acetylacetonate hydrate), 세륨(III) 브로마이드(Cerium(III) bromide), 세륨(III) 카보네이트 하이드레이트(Cerium(III) carbonate hydrate), 세륨(III) 클로라이드(Cerium(III) chloride), 세륨(III) 클로라이드 헵타하이드레이트(Cerium(III) chloride heptahydrate), 세륨(III) 플로라이드(Cerium(III) fluoride), 세륨(III) 이오다이드(Cerium(III) iodide), 세륨(III) 나이트레이트 헥사하이드레이트(Cerium(III) nitrate hexahydrate), 세륨(III) 옥살레이트 하이드레이트(Cerium(III) oxalate hydrate), 세륨(III) 설페이트(Cerium(III) sulfate), 세륨(III) 설페이트 하이드레이트(Cerium(III) sulfate hydrate), 세륨(III) 설페이트 옥타하이드레이트(Cerium(III) sulfate octahydrate), 세륨(IV) 플로라이드(Cerium(IV) fluoride), 세륨(IV) 하이드록사이드(Cerium(IV) hydroxide), 세륨(IV) 설페이트(Cerium(IV) sulfate), 세륨(IV) 설페이트 하이드레이트(Cerium(IV) sulfate hydrate) 및 세륨(IV) 설페이트 테트라하이드레이트(Cerium(IV) sulfate tetrahydrate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
상기 용매는 2-메속시에탄올(2-methoxyethanol), 이소프로판올(isopropanol), 디메틸포름아마이드(dimethylformamide), 에탄올(ethanol), 탈이온수(deionized water), 메탄올(methanol), 아세틸아세톤(acetylacetone), 디메틸아민보란(dimethylamineborane) 및 아세토니트릴(acetonitrile) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
일 실시예에 따르면, 상기 산화물 박막 형성 방법(100)은, 상기 전구체 용액에 과산화수소를 혼합하는 단계(S110) 전에, 상기 전구체 용액에 안정화제를 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 안정화제는 아세트산(CH3COOH), 질산(HNO3), 모노-에탄올아민(mono-ethanolamine), 디-에탄올아민(di-ethanolamine), 트리-에탄올아민(tri-ethanolamine), 아세틸아세토네이트(acetylacetonate), 에틸렌다이아민(ethylenediamine), 테트라메틸에틸렌다이아민(tetramethlyethylendiamine), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol, C2H6O2) 및 글리세롤(glycerol, C3H8O3) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
일 실시예에 따르면, 상기 전구체 용액에 과산화수소를 혼합하는 단계(S110)는, 용질인 전구체 물질과 과산화수소 간의 몰 비율이 1:1이 되도록 전구체 용액에 과산화수소를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
과산화수소가 혼합된 전구체 용액은 과산화수소 혼합 후 기 결정된 시간 내에 기판에 도포될 수 있다. 이는 과산화수소와 전구체 용액 간의 반응에 의해 침전이 발생하는 것을 방지하기 위한 것으로, 일 실시예에 따르면 상기 과산화수소가 혼합된 전구체 용액은 1시간 이내에 기판에 도포될 수 있다.
기판을 제 1 온도에서 열처리하는 단계(S130)에서, 상기 제 1 온도는 전구체 용액에 혼합된 과산화수소를 활성화시킬 수 있는 온도로 설정될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 기판을 제 1 온도에서 열처리하는 단계(S130)는 상기 기판을 100℃에서 30분 동안 열처리하는 단계를 포함할 수 있으나, 이 단계는 100℃보다 낮은 온도에서도 수행될 수 있다.
기판을 제 2 온도에서 열처리하는 단계(S140)는 기판에 도포된 전구체 용액으로부터 용매를 증발시키고 산화물 박막을 형성하는 단계이다.
일 실시예에 따르면, 기판을 제 2 온도에서 열처리하는 단계(S140)는 상기 기판을 450℃에서 2시간 동안 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 산화물 박막 형성 방법(100)은, 기판을 제 2 온도에서 열처리하는 단계(S140) 전에, 상기 기판을 제 2 온도보다 낮은 온도에서 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 산화물 박막 형성 방법(100)은, 기판을 450℃에서 2시간 동안 열처리하는 단계 전에, 상기 기판을 300℃에서 5분 동안 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법을 설명하는 예시적인 흐름도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 산화물 박막 트랜지스터의 예시적인 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법(200)은, 전구체 용액에 과산화수소를 혼합하는 단계(S210), 과산화수소 혼합 후 기 결정된 시간 내에 게이트(320) 및 게이트 절연층(330)이 구비된 기판(310)에 상기 과산화수소가 혼합된 전구체 용액을 도포하고, 열처리하여 채널층(340)을 형성하는 단계(S220), 및 소스(350) 및 드레인(360)을 형성하는 단계(S230)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 채널층(340)은 인듐, 갈륨 및 아연을 기반으로 하는 산화물 박막일 수 있다. 이 경우, 상기 전구체 용액은 금속 전구체 물질로 인듐 나이트레이트 하이드로스(Indium nitrate hydrous), 갈륨 나이트레이트 하이드로스(Gallium nitrate hydrous) 및 진크 아세테이트 디하이드레이트(Zinc acetate dihydrate)를 용매에 용해시켜 제조될 수 있다. 상기 용매는 2-메속시에탄올이 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전구체 용액에 용해된 인듐 나이트레이트 하이드로스, 갈륨 나이트레이트 하이드로스 및 진크 아세테이트 디하이드레이트 간의 몰 비율은 5:1:2일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
또한, 상기 전구체 용액에서 용매와 용질 간의 몰 비율은 1:0.3일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
일 실시예에 따르면, 상기 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법(200)은 전구체 용액의 응집 및 침전을 방지하기 위해, 전구체 용액에 과산화수소를 혼합하는 단계(S210) 전에, 상기 전구체 용액에 모노-에탄올아민을 안정화제로 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법(200)은 용해도 및 반응성 향상을 위해, 전구체 용액에 과산화수소를 혼합하는 단계(S210) 전에, 아세트산을 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
과산화수소가 혼합된 전구체 용액은, 상기 과산화수소가 전구체 용액과 반응하여 침전을 형성하기 전에 기판에 도포될 수 있다. 예를 들어, 상기 과산화수소가 혼합된 전구체 용액은 과산화수소 혼합 후 1시간 내에 기판에 도포될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 채널층(340)을 형성하는 단계(S220)는 기판을 100℃에서 30분 동안 열처리하여 과산화수소를 활성화시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 채널층을 형성하는 단계(S220)는 열처리를 통해 과산화수소를 활성화시킨 후, 기판을 300℃에서 5분 동안 열처리하여 전구체 용액을 겔 상태로 변환시키는 단계, 및 기판을 450℃에서 2시간 동안 열처리하여 박막의 밀도를 높이는 단계를 포함할 수 있다.
전술한 실시예는 과산화수소가 혼합된 전구체 용액을 이용하여 하나의 채널층을 형성하였으나, 다른 실시예에 따르면 상기 채널층은 복수 개가 적층식으로 구성될 수도 있다.
예를 들어, 상기 채널층을 형성하는 단계(S220)는, 기판에 과산화수소가 혼합된 전구체 용액을 도포하는 단계, 상기 기판을 제 1 온도에서 열처리하여 과산화수소를 활성화시키는 단계, 상기 기판을 제 2 온도에서 열처리하여 전구체 용액을 겔 상태로 변환시키는 단계, 상기 과산화수소가 혼합된 전구체 용액의 도포, 상기 과산화수소의 활성화 및 겔 상태로의 변환을 층의 개수만큼 반복하는 단계, 및 상기 기판을 제 3 온도에서 열처리하여 산화물 박막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 과산화수소가 혼합된 전구체 용액은 적층되는 다수의 층 중 일부(예컨대, 최하층)만을 형성하기 위해 사용되고, 나머지 층은 과산화수소가 혼합되지 않은 전구체 용액을 사용하여 형성될 수도 있다.
예를 들어, 상기 채널층을 형성하는 단계(S220)는, 기판에 과산화수소가 혼합된 전구체 용액을 도포하는 단계, 상기 기판을 제 1 온도에서 열처리하여 과산화수소를 활성화시키는 단계, 상기 기판을 제 2 온도에서 열처리하여 전구체 용액을 겔 상태로 변환시키는 단계, 과산화수소가 혼합되지 않은 전구체 용액을 기판에 도포하는 단계, 상기 기판을 제 2 온도에서 열처리하여 전구체 용액을 겔 상태로 변환시키는 단계, 및 상기 기판을 제 3 온도에서 열처리하여 산화물 박막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 소스 및 드레인을 형성하는 단계(S230)는, 스퍼터링을 이용하여 소스(350) 및 드레인(360)을 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 소스(350) 및 드레인(360)은 알루미늄으로 만들어질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법(100)은, 채널층(340) 위에 패시베이션층(370)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하에서는 과산화수소를 이용하여 산화물 박막 트랜지스터를 제조하는 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 과산화수소를 이용하여 산화물 박막 트랜지스터를 제조하는 용액 공정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 과산화수소를 이용한 용액 공정으로 인듐갈륨진크옥사이드(Indium Gallium Zinc Oxide, IGZO) 박막을 갖는 트랜지스터를 제조하였다. 출발 물질로 인듐 나이트레이트 하이드로스, 갈륨 나이트레이트 하이드로스 및 진크 아세테이트 디하이드레이트를 선택하여 금속 이온을 기준으로 5:1:2의 몰 비율로 2-메속시에탄올에 용해시켰다. 이 때, 용매에 대한 용질의 비율은 0.3이 되도록 하였다. 또한, 용액의 응집 및 침전을 막기 위해 안정제로 모노에탄올아민을 첨가하였으며, 용해도 및 반응성 향상을 위해 아세트산을 첨가하였다.
준비된 용액을 온도 70℃로 설정된 핫 플레이트 위에서 마그네틱 바를 이용하여 350 rpm으로 1시간 동안 교반하였다. 그 뒤, 오염 물질의 제거를 위해 0.2 μm의 필터를 통해 불순물을 걸러내었다. 최종적으로 얻어진 용액을 24시간 방치하여 용액의 안정도를 확보하였다.
그러고 나서, 이 용액에 30% 과산화수소를 용매에 대한 금속 이온들의 몰 비율만큼 첨가하였다. 즉, 용매에 대한 30% 과산화수소의 몰 비율은 0.3이며, 이 실시예에서 사용된 과산화수소는 0.08 몰이었다. 과산화수소를 첨가한 뒤 1시간 내에 용액을 기판에 도포하였다.
준비된 기판은 붕소 원자가 도핑된 P-type 실리콘(heavily boron doped Si)이며, 게이트 절연층으로 사용하기 위해 기판 위에는 실리콘 옥사이드(SiO2)층이 120 nm 두께로 형성되었다.
기판은 사용 전 아세톤과 메탄올로 초음파 세척을 각각 30분씩 실시하였고, 수산화나트륨(NaOH) 용액에 기판을 30분간 담가 기판 표면을 친수성 처리하였다. 그 후, DI-water로 기판을 세척하고, N2를 이용하여 기판 표면의 오염물질을 제거하였다.
이와 같이 사전 처리된 기판 위에 과산화수소가 혼합된 용액을 주사기를 이용해 도포하였다. 기판 위에 도포된 용액을 원하는 두께로 균일하게 분산시키기 위해 스핀 코팅을 실시하였다. 스핀 코팅은 500 rpm으로 10초, 1500 rpm으로 15초, 3000 rpm으로 25초, 1500 rpm으로 15초, 그리고 500 rpm으로 10초 순서로 5 단계에 걸쳐 진행되었다.
그러고 나서, 과산화수소의 활성화를 위해 100℃에서 30분간 열처리를 실시하였으며, 그 후 박막의 밀도를 높이기 위해 단계적으로 300℃에서 5분, 그리고 450℃에서 2시간 동안 열처리를 실시하였다.
이와 같이 형성된 박막에 스퍼터링을 통해 알루미늄으로 소스 전극 및 드레인 전극을 증착시켜 산화물 박막 트랜지스터를 완성하였다.
본 발명의 실시예에 따라 제조된 산화물 박막 트랜지스터의 전기적 성능을 확인하기 위해, 전구체 용액에 과산화수소를 혼합하지 않고 제조된 산화물 박막 트랜지스터를 준비하였다.
도 5 내지 도 7은 각각 과산화수소를 이용하지 않고 제조된 산화물 박막 트랜지스터와 과산화수소를 이용하여 제조된 산화물 박막 트랜지스터의 전계 효과 이동도(Field effect mobility), 트랜지스터 점멸비(On-Off current ratio) 및 문턱전압이하에서의 기울기(Subthreshold Swing)를 비교한 그래프이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 과산화수소를 이용하지 않고 제조된 트랜지스터에 비해 과산화수소를 0.08 몰만큼 혼합하여 제조된 트랜지스터는 전계 효과 이동도가 0.37 cm2/Vs에서 0.97 cm2/Vs로 향상되었고, 트랜지스터 점멸비가 1.71×106에서 5.17×107 으로 향상되었으며, 문턱전압이하에서의 기울기가 0.86 V/dec에서 0.58 V/dec로 개선되었다.
도 8 내지 도 10은 각각 과산화수소를 이용하지 않고 제조된 트랜지스터, 과산화수소를 0.01 몰만큼 혼합하여 제조된 트랜지스터 및 과산화수소를 0.08 몰만큼 혼합하여 제조된 트랜지스터의 전압-전류 특성을 나타내는 그래프이며, 도 11은 음의 전압이 지속적으로 인가되는 환경에서 상기 트랜지스터들의 문턱전압 변화(delta Vth)를 나타내는 그래프이다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 과산화수소를 이용하지 않고 제조된 트랜지스터에 비해 과산화수소를 혼합하여 제조된 트랜지스터는 문턱전압의 변화량(도 8 내지 도 10에서 화살표 간의 간격)이 현저히 줄어들었다.
특히, 도 11을 참조하면, 용액에 과산화수소를 0.08 몰만큼 혼합하여 제조된 트랜지스터는 문턱전압의 변화량이 0에 가까워 신뢰성이 크게 향상되었음을 확인할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 과산화수소를 이용하여 제조된 산화물 박막 트랜지스터는 과산화수소를 이용하지 않고 제조된 트랜지스터에 비해 그 전기적 성능 및 신뢰성이 크게 향상됨을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 용액에 추가된 과산화수소는 크게 3 가지 메커니즘으로 박막 내 결함을 감소시킨다.
첫 번째 결함 감소 메커니즘은 과산화수소의 분해 과정에서 발생하는 산소에 기인한다. 과산화수소의 분해 시 발생하는 산소 원자들은 금속 이온과 산소 이온의 결합 구조를 보여주는 격자계에서 산소 원자의 소실로 인한 산소 공공 결함(Oxygen vacancy defects)을 채워주어 해당 결함을 감소시킬 수 있다.
두 번째 결함 감소 메커니즘은 과산화수소의 강한 산화력에 기인한다. 금속 원자와 산소 원자가 격자 내에서 결합하지 못하고 이온 상태로 격자 사이의 공간에서 존재할 때, 강한 산화력을 가진 과산화수소가 이 이온들을 산화시키거나 환원시켜 격자 구조 원자로 복원시키거나 휘발시킬 수 있다.
세 번째 결함 감소 메커니즘은 본 발명의 가장 지배적인 결함 감소 메커니즘으로서, 용액 공정 중 부재료로 사용되는 유기물들을 저온에서 분해시켜 제거하는 것이다. 용액 공정 중 사용되는 용매, 안정제 및 pH 조절제는 최소 150℃가 넘는 온도에서 휘발되는 고분자 유기 화합물이다. 과산화수소는 이러한 유기물을 분해하는 능력을 가지고 있다. 특히, 과산화수소의 열분해(Pyrolysis) 과정에서 발생하는 수산화 라디칼(hydroxyl radicals)은 아래의 표 1과 같이 두 번째로 강한 산화력을 갖는 산화제이다.
산화제(Oxidant) 산화력(Oxidation Potential, V)
불소(Fluorine) 3.0
수산화 라디칼(Hydroxyl radical) 2.8
오존(Ozone) 2.1
과산화수소(Hydrogen peroxide) 1.8
과망간산칼륨(Potassium permanganate) 1.7
이산화염소(Chlorine dioxide) 1.5
염소(chlorine) 1.4
수산화 라디칼은 고분자 유기 화합물을 저분자 휘발성 물질로 분해하여 100℃ 이하에서 제거시킬 수 있다. 용액 공정 시 첨가되는 유기 화합물은 박막 내 여러 물질들 간의 상호 작용으로 인하여 본래의 휘발 온도보다 훨씬 높은 200℃ 이상에서 휘발되어, 박막의 격자 구조를 훼손시키고 결함을 야기한다. 하지만, 용액에 과산화수소를 혼합하여 박막을 형성하는 경우, 100℃ 이하의 온도에서도 유기 화합물을 휘발시킬 수 있어 고온의 열처리에 따른 박막 내 결함을 사전에 방지할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 추가된 과산화수소가 고분자 유기 화합물인 모노에탄올아민(MEA)를 분해시켜 제거하는 과정을 나타내는 도면이다.
용액의 응집 및 침전을 막기 위한 안정제로 사용되는 모노에탄올아민은 박막에 결함을 유발하는 주요 원인으로 지목되는 고분자 유기 화합물이다. 용액에 혼합된 과산화수소는 열분해를 통해 수산화 라디칼을 생성하여 화학적으로 고분자 유기 화합물을 분해한다.
도 12를 참조하면, 모노에탄올아민은 열분해를 통해 과산화수소로부터 생성된 수산화 라디칼에 의해 저분자 물질인 NH3와 CO2로 분해되고, 이 물질들은 다시 H2O, O2, CO2 및 N2로 분해되어 제거될 수 있다.
도 13 및 도 14는 각각 과산화수소가 혼합되지 않은 용액 및 과산화수소가 혼합된 용액에 대하여 고분자 유기물 잔존 여부와 고상화 온도 변화를 TG-DSC(ThermoGravimetry-Differential Scanning Calorimetry)를 통해 분석한 그래프이다.
도 13을 참조하면, 과산화수소가 혼합되지 않은 용액은 235℃까지 유기물이 잔존하여 고상화(densification) 온도가 높은 것을 확인할 수 있다. 반면, 도 14를 참조하면, 과산화수소가 혼합된 용액은 낮은 온도에서 유기물이 모두 분해되어 132℃에서 고상화가 진행되는 것을 알 수 있다. 고상화가 더 낮은 온도에서 시작된다는 것은 고분자 유기물의 고온 휘발 시 발생하는 결함을 줄일 수 있다는 것을 의미한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 과산화수소가 혼합된 전구체 용액을 이용하여 복수의 층으로 구성된 적층식 채널층을 형성할 수 있다.
도 15 내지 도 17은 각각 과산화수소가 혼합되지 않은 전구체 용액으로 두 개의 채널층을 형성한 산화물 박막 트랜지스터, 과산화수소가 혼합된 전구체 용액으로 최하층을 형성하고 과산화수소가 혼합되지 않은 전구체 용액으로 최상층을 형성한 산화물 박막 트랜지스터, 그리고 과산화수소가 혼합된 전구체 용액으로 두 개의 채널층을 형성한 산화물 박막 트랜지스터의 단면도와 전압-전류 특성 그래프를 나타낸다.
도 15를 참조하면, 과산화수소를 이용하지 않고 제조된 다층 구조의 산화물 박막 트랜지스터는 문턱전압의 변화가 커 소자의 신뢰성이 낮은 반면, 도 16 및 도 17에 도시된 바와 같이, 과산화수소를 이용하여 제조된 다층 구조의 산화물 박막 트랜지스터들은 도 15에 도시된 트랜지스터에 비해 문턱전압의 변화가 작아 음의 전압 스트레스에 대하여 보다 우수한 신뢰성을 갖는 것을 알 수 있다.
위에서는 용액 공정으로 박막 형성 시 과산화수소를 이용하는 실시예에 대하여 설명하였으나, 상기 과산화수소는 용액 공정 외에 진공 증착으로 박막을 형성하는 경우에도 이용될 수 있다.
도 18은 박막 증착 시 과산화수소를 이용하는 실시예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 18에 도시된 바와 같이, 기판 처리 장치(400)는 기판(430) 상에 박막(450)을 증착시키는 챔버(410)를 포함할 수 있다. 상기 챔버(410)는 내부에 박막(450)의 재료로 사용될 타겟 금속(440)을 구비하며, 상기 타겟 금속(440)과 기판(430)은 직류 전원(420)에 연결될 수 있다.
이 실시예에 따르면, 진공 증착을 통해 기판(430) 상에 박막(450)이 증착될 때 챔버(410) 내에 과산화수소가 기체 상태로 공급될 수 있다. 챔버(410)에 공급된 과산화수소는 박막(450) 내에 발생하는 결함들을 감소시켜 박막의 질을 개선시킬 수 있다.
이상, 기판 상에 박막 형성 시 과산화수소를 이용하는 산화물 박막 형성 방법 및 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법이 설명되었다. 상기 산화물 박막 형성 방법 및 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법에 따르면, 저비용으로 결함이 적은 고품질의 박막을 얻을 수 있어, 소자의 동작 성능 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
100: 산화물 박막 형성 방법
200: 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법
300: 산화물 박막 트랜지스터
400: 기판 처리 장치

Claims (20)

  1. 전구체 물질을 용매에 용해시킨 전구체 용액에 과산화수소를 혼합하는 단계;
    상기 과산화수소 혼합 후 상기 과산화수소가 혼합된 전구체 용액을 기판에 도포하는 단계;
    상기 기판을 제 1 온도에서 열처리하는 단계; 및
    상기 기판을 제 2 온도에서 열처리하는 단계;
    를 포함하는 산화물 박막 형성 방법으로,
    상기 전구체 물질은 인듐 나이트레이트 하이드로스(Indium nitrate hydrous), 갈륨 나이트레이트 하이드로스(Gallium nitrate hydrous) 및 진크 아세테이트 디하이드레이트(Zinc acetate dihydrate)를 포함하는 산화물 박막 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전구체 물질은:
    주석 화합물, 지르코늄 화합물, 알루미늄 화합물, 네오디뮴 화합물, 탄탈륨 화합물, 타이타늄 화합물, 바륨 화합물, 란사늄 화합물, 망간 화합물, 크롬 화합물, 스트론튬 화합물, 이트륨 화합물 및 세륨 화합물 중 적어도 하나를 더 포함하는 산화물 박막 형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 용매는:
    2-메속시에탄올(2-methoxyethanol), 이소프로판올(isopropanol), 디메틸포름아마이드(dimethylformamide), 에탄올(ethanol), 탈이온수(deionized water), 메탄올(methanol), 아세틸아세톤(acetylacetone), 디메틸아민보란(dimethylamineborane) 및 아세토니트릴(acetonitrile) 중 적어도 하나를 포함하는 산화물 박막 형성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전구체 용액에 과산화수소를 혼합하는 단계 전에,
    상기 전구체 용액에 아세트산(CH3COOH), 질산(HNO3), 모노-에탄올아민(mono-ethanolamine), 디-에탄올아민(di-ethanolamine), 트리-에탄올아민(tri-ethanolamine), 아세틸아세토네이트(acetylacetonate), 에틸렌다이아민(ethylenediamine), 테트라메틸에틸렌다이아민(tetramethlyethylendiamine), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol, C2H6O2) 및 글리세롤(glycerol, C3H8O3) 중 적어도 하나를 첨가하는 단계를 더 포함하는 산화물 박막 형성 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전구체 용액에 과산화수소를 혼합하는 단계는:
    상기 전구체 물질과 상기 과산화수소 간의 몰 비율이 1:1이 되도록 상기 전구체 용액에 상기 과산화수소를 혼합하는 단계를 포함하는 산화물 박막 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 과산화수소가 혼합된 전구체 용액을 기판에 도포하는 단계는:
    상기 과산화수소가 상기 전구체 용액과 반응하여 침전을 형성하기 전에, 상기 과산화수소가 혼합된 전구체 용액을 상기 기판에 도포하는 단계를 포함하는 산화물 박막 형성 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판을 제 1 온도에서 열처리하는 단계는:
    상기 기판을 100℃에서 30분 동안 열처리하는 단계를 포함하는 산화물 박막 형성 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판을 제 2 온도에서 열처리하는 단계는:
    상기 기판을 450℃에서 2시간 동안 열처리하는 단계를 포함하는 산화물 박막 형성 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 기판을 450℃에서 2시간 동안 열처리하는 단계 전에,
    상기 기판을 300℃에서 5분 동안 열처리하는 단계를 더 포함하는 산화물 박막 형성 방법.
  10. 전구체 물질을 용매에 용해시킨 전구체 용액에 과산화수소를 혼합하는 단계;
    상기 과산화수소 혼합 후 게이트 및 게이트 절연층이 구비된 기판에 상기 과산화수소가 혼합된 전구체 용액을 도포하고, 열처리하여 채널층을 형성하는 단계; 및
    소스 및 드레인을 형성하는 단계;
    를 포함하는 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법으로,
    상기 전구체 용액은 인듐 나이트레이트 하이드로스(Indium nitrate hydrous), 갈륨 나이트레이트 하이드로스(Gallium nitrate hydrous) 및 진크 아세테이트 디하이드레이트(Zinc acetate dihydrate)를 2-메속시에탄올에 용해시켜 제조되는 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 인듐 나이트레이트 하이드로스, 상기 갈륨 나이트레이트 하이드로스 및 상기 진크 아세테이트 디하이드레이트 간의 몰 비율은 5:1:2인 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 용매와 상기 전구체 물질 간의 몰 비율은 1:0.3인 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 전구체 용액에 과산화수소를 혼합하는 단계 전에,
    상기 전구체 용액에 모노-에탄올아민 및 아세트산을 첨가하는 단계를 더 포함하는 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 채널층을 형성하는 단계는:
    상기 과산화수소 혼합 후 1시간 내에 상기 과산화수소가 혼합된 전구체 용액을 상기 기판에 도포하는 단계를 포함하는 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 채널층을 형성하는 단계는:
    상기 기판을 100℃에서 30분 동안 열처리하여 상기 과산화수소를 활성화시키는 단계를 포함하는 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 채널층을 형성하는 단계는:
    상기 과산화수소를 활성화시키는 단계 후,
    상기 기판을 300℃에서 5분 동안 열처리하여 전구체 용액을 겔 상태로 변환시키는 단계; 및
    상기 기판을 450℃에서 2시간 동안 열처리하는 단계;
    를 포함하는 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법.
  18. 제 10 항에 있어서,
    상기 채널층을 형성하는 단계는:
    상기 기판에 상기 과산화수소가 혼합된 전구체 용액을 도포하는 단계;
    상기 기판을 100℃에서 30분 동안 열처리하여 상기 과산화수소를 활성화시키는 단계;
    상기 기판을 300℃에서 5분 동안 열처리하여 전구체 용액을 겔 상태로 변환시키는 단계;
    상기 과산화수소가 혼합된 전구체 용액의 도포, 상기 과산화수소의 활성화 및 상기 겔 상태로의 변환을 반복하는 단계; 및
    상기 기판을 450℃에서 2시간 동안 열처리하는 단계;
    를 포함하는 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법.
  19. 제 10 항에 있어서,
    상기 채널층을 형성하는 단계는:
    상기 기판에 상기 과산화수소가 혼합된 전구체 용액을 도포하는 단계;
    상기 기판을 100℃에서 30분 동안 열처리하여 상기 과산화수소를 활성화시키는 단계;
    상기 기판을 300℃에서 5분 동안 열처리하여 전구체 용액을 겔 상태로 변환시키는 단계;
    전구체 용액을 상기 기판에 도포하는 단계;
    상기 기판을 300℃에서 5분 동안 열처리하여 전구체 용액을 겔 상태로 변환시키는 단계; 및
    상기 기판을 450℃에서 2시간 동안 열처리하는 단계;
    를 포함하는 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법.
  20. 제 10 항에 있어서,
    상기 채널층 위에 패시베이션층을 형성하는 단계를 더 포함하는 산화물 박막 트랜지스터 제조 방법.
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