KR101440905B1 - 산화물 박막 조성물, 산화물 박막 형성 방법 및 산화물 반도체 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산화물 박막 조성물, 산화물 박막 형성 방법 및 산화물 반도체 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 조성물은, 산화물 전구체; 발열 반응을 유발하는 첨가제; 및 상기 산화물 전구체 및 상기 첨가제를 용해시키는 용매;를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 산화물 박막 조성물, 산화물 박막 형성 방법 및 산화물 반도체 제조 방법에 관한 것이다.
최근 Si 기반 반도체 소자를 대신할 산화물 반도체에 대한 연구가 진행되고 있다. 산화물 반도체는 기판에 금속 산화물로 이루어진 박막이 형성된 반도체로서, 기존의 a-Si 기반 반도체 소자에 비해 전기적 광학적 특성이 우수하고 생산비가 저렴하여 디스플레이 패널의 TFT로 사용될 수 있다.
이러한 산화물 반도체의 제조 시, 기존의 진공증착을 이용하여 산화물 박막을 증착하는 대신 용액 공정을 통해 기판에 산화물 박막을 형성하는 경우, 제조비가 절감될 수 있고 잉크젯 공정 등을 이용하여 기판의 일부 영역에 선택적으로 박막을 형성할 수 있다.
하지만, 용액 공정은 박막의 품질을 위해 500℃ 이상의 고온 열처리를 수반하며, 이로 인해 기판이 유리나 플라스틱으로 구성된 경우 기판의 특성이 변화하게 되는 문제가 발생하게 된다.
본 발명의 일 실시예는, 용액 공정 시 기존의 열처리 온도보다 낮은 온도에서 산화물 박막을 형성할 수 있는 산화물 박막 조성물, 산화물 박막 형성 방법 및 산화물 반도체 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예는, 용액 공정으로 산화물 박막 형성 시 기판의 성질을 변화시키지 않는 산화물 박막 조성물, 산화물 박막 형성 방법 및 산화물 반도체 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예는, 용액 공정 시 기존보다 낮은 온도에서 열처리를 하여도 전기적 특성이 우수한 반도체 소자를 제조할 수 있는 산화물 박막 조성물, 산화물 박막 형성 방법 및 산화물 반도체 제조 방법을 제조하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 조성물은, 산화물 전구체; 발열 반응을 유발하는 첨가제; 및 상기 산화물 전구체 및 상기 첨가제를 용해시키는 용매;를 포함할 수 있다.
상기 산화물 전구체는: 인듐화합물, 아연화합물, 주석화합물, 갈륨화합물, 하프늄화합물, 마그네슘화합물, 알루미늄화합물, 이트륨화합물, 탄탈륨화합물, 타이타늄화합물, 지르코늄화합물, 바륨화합물, 란사늄화합물, 망간화합물, 텅스텐화합물, 몰리브덴화합물, 세륨화합물, 크롬화합물, 스칸디움화합물, 실리콘화합물, 네오디뮴화합물 및 스트론튬화합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 화합물;을 포함할 수 있다.
상기 첨가제는: 아세틸아세톤(Acetylacetone, C5H8O2), 시트릭에이시드(Citric acid, C6H8O7), 암모니아 하이드록사이드(Ammonium hydroxide, NH4OH), 나이트릭에이시드(Nitric acid, HNO3), 암모늄나이트레이트(Ammonium nitrate, NH4NO3), 이미다졸(Imidazole, C3H4N2), 나이트로글리세린(Nitroglycerine, C3H5(NO3)3), 아세토아세타닐라이드(Acetoacetanilide, CH3COCH2CONHC6H5), 하이드로클로라이드(Hydrochloride, C6H5NH3Cl), 암모늄포메이트(Ammonium formate, HCO2NH4), 암모늄바이카보네이트(Ammonium bicarbonate, NH4HCO3), 암모늄아세테이트(Ammonium acetate, CH3CO2NH4), 암모늄옥살레이트모노하이드레이트(Ammonium oxalate monohydrate, (NH4)2C2O4·H2O), 하이드라진아세테이트(Hydrazine acetate, H2NNH2·CH3CO2H), 하이드라진모노하이드레이트(Hydrazine monohydrate, NH2NH2·H2O) 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
상기 산화물 전구체와 상기 첨가제 간의 몰비는 1:0.1 내지 1:5일 수 있다.
상기 산화물 전구체는 인듐 나이트레이트 하이드레이트(Indium nitrate hydrate, In(NO3)3·H2O)이며, 상기 첨가제는 아세틸아세톤(Acetylacetone, C5H8O2) 및 암모니아 하이드록사이드(Ammonium hydroxide, NH4OH)일 수 있다.
상기 인듐 나이트레이트 하이드레이트와 상기 아세틸아세톤과 상기 암모니아 하이드록사이드 간의 몰비는 1:2:0.25일 수 있다.
상기 산화물 전구체는 인듐 나이트레이트 하이드레이트(Indium nitrate hydrate, In(NO3)3·H2O)이며, 상기 첨가제는 나이트릭에이시드(Nitric acid, HNO3)일 수 있다.
상기 인듐 나이트레이트 하이드레이트와 상기 나이트릭에이시드 간의 몰비는 1:4.1일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 형성 방법은, 산화물 전구체 및 발열 반응을 유발하는 첨가제를 용해시킨 용액을 기판에 도포하는 단계; 및 상기 용액이 도포된 기판을 100℃ 내지 250℃로 열처리하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 용액 내 상기 산화물 전구체와 상기 첨가제 간의 몰비는 1:0.1 내지 1:5일 수 있다.
상기 산화물 전구체는 인듐 나이트레이트 하이드레이트(Indium nitrate hydrate, In(NO3)3·H2O)이며, 상기 첨가제는 아세틸아세톤(Acetylacetone, C5H8O2) 및 암모니아 하이드록사이드(Ammonium hydroxide, NH4OH)이며, 상기 용액 내 상기 인듐 나이트레이트 하이드레이트와 상기 아세틸아세톤과 상기 암모니아 하이드록사이드 간의 몰비는 1:2:0.25일 수 있다.
상기 산화물 전구체는 인듐 나이트레이트 하이드레이트(Indium nitrate hydrate, In(NO3)3·H2O)이며, 상기 첨가제는 나이트릭에이시드(Nitric acid, HNO3)이며, 상기 용액 내 상기 인듐 나이트레이트 하이드레이트와 상기 나이트릭에이시드 간의 몰비는 1:4.1일 수 있다.
상기 기판은 실리콘 기판, 유리 기판 또는 플렉시블 기판을 포함할 수 있다.
상기 열처리하는 단계는: 상기 기판을 제 1 온도로 제 1 시간 동안 열처리하는 단계; 및 상기 기판을 제 2 온도로 제 2 시간 동안 열처리하는 단계를 포함하고, 상기 제 1 온도는 상기 제 2 온도보다 낮으며, 상기 제 1 시간은 상기 제 2 시간보다 짧을 수 있다.
상기 제 1 온도는 120℃이고, 상기 제 1 시간은 5 분이며, 상기 제 2 온도는 200℃이고, 상기 제 2 시간은 1 시간일 수 있다.
상기 열처리하는 단계는: 퍼니스, 핫 플레이트 또는 RTA(Rapid Thermal Annealing) 장비를 이용하여 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 반도체 제조 방법은, 불순물이 도핑된 기판에 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층 위에 산화물 전구체 및 발열 반응을 유발하는 첨가제를 용해시킨 용액을 도포하는 단계; 상기 용액이 도포된 기판을 100℃ 내지 250℃로 열처리하여 산화물 박막을 형성하는 단계; 및 상기 산화물 박막 위에 전극을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 절연층을 형성하는 단계는: 붕소 이온이 도핑된 Si 기판에 SiO2를 열적으로 성장시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 용액 내 상기 산화물 전구체와 상기 첨가제 간의 몰비는 1:0.1 내지 1:5일 수 있다.
상기 산화물 전구체는 인듐 나이트레이트 하이드레이트(Indium nitrate hydrate, In(NO3)3·H2O)이며, 상기 첨가제는 아세틸아세톤(Acetylacetone, C5H8O2) 및 암모니아 하이드록사이드(Ammonium hydroxide, NH4OH)이며, 상기 용액 내 상기 인듐 나이트레이트 하이드레이트와 상기 아세틸아세톤과 상기 암모니아 하이드록사이드 간의 몰비는 1:2:0.25일 수 있다.
상기 산화물 전구체는 인듐 나이트레이트 하이드레이트(Indium nitrate hydrate, In(NO3)3·H2O)이며, 상기 첨가제는 나이트릭에이시드(Nitric acid, HNO3)이며, 상기 용액 내 상기 인듐 나이트레이트 하이드레이트와 상기 나이트릭에이시드 간의 몰비는 1:4.1일 수 있다.
상기 용액을 도포하는 단계는: 상기 절연층 위에 상기 용액을 스핀 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 열처리하여 산화물 박막을 형성하는 단계는: 상기 기판을 120℃로 5 분 동안 열처리하는 단계; 및 상기 기판을 200℃로 1 시간 동안 열처리하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 전극을 형성하는 단계는: 상기 산화물 박막 위에 금속을 스퍼터링하여 소스 전극 및 드레인 전극을 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 용액 공정 시 기존의 열처리 온도보다 낮은 온도에서 산화물 박막을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 용액 공정으로 산화물 박막 형성 시 기판의 성질을 변화시키지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 용액 공정 시 기존보다 낮은 온도에서 열처리를 하여도 전기적 특성이 우수한 반도체 소자를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 형성 방법을 설명하는 예시적인 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 반도체 제조 방법을 설명하는 예시적인 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 산화물 반도체의 예시적인 단면도이다.
도 4는 첨가제를 사용하지 않고 제조된 산화물 반도체와 본 발명의 실시예에 따라 첨가제를 사용하여 제조된 산화물 반도체의 이동도(mobility)를 나타내는 그래프이다.
도 5는 첨가제를 사용하지 않고 제조된 산화물 반도체의 스위칭 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6 내지 도 11은 본 발명의 다양한 실시예에 따라 첨가제를 사용하여 제조된 산화물 반도체의 스위칭 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12는 첨가제를 사용하지 않고 제조된 산화물 반도체의 출력 특성을 나타내는 그래프이다.
도 13 내지 도 18은 본 발명의 다양한 실시예에 따라 첨가제를 사용하여 제조된 산화물 반도체의 출력 특성을 나타내는 그래프이다.
도 19는 첨가제를 넣지 않은 경우와 본 발명의 다양한 실시예에 따라 첨가제를 넣은 경우 소자의 이동도, S.S.(Subthreshold Switching), VTH, 온/오프 비, 및 VH를 나타낸 표이다.
도 20은 첨가제를 사용하지 않은 경우 산화물 전구체의 온도 변화에 따른 질량 변화와 발열량을 나타내는 그래프이다.
도 21 내지 도 27은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 첨가제를 사용한 경우 산화물 전구체의 온도 변화에 따른 질량 변화와 발열량을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 반도체 제조 방법을 설명하는 예시적인 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 산화물 반도체의 예시적인 단면도이다.
도 4는 첨가제를 사용하지 않고 제조된 산화물 반도체와 본 발명의 실시예에 따라 첨가제를 사용하여 제조된 산화물 반도체의 이동도(mobility)를 나타내는 그래프이다.
도 5는 첨가제를 사용하지 않고 제조된 산화물 반도체의 스위칭 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6 내지 도 11은 본 발명의 다양한 실시예에 따라 첨가제를 사용하여 제조된 산화물 반도체의 스위칭 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12는 첨가제를 사용하지 않고 제조된 산화물 반도체의 출력 특성을 나타내는 그래프이다.
도 13 내지 도 18은 본 발명의 다양한 실시예에 따라 첨가제를 사용하여 제조된 산화물 반도체의 출력 특성을 나타내는 그래프이다.
도 19는 첨가제를 넣지 않은 경우와 본 발명의 다양한 실시예에 따라 첨가제를 넣은 경우 소자의 이동도, S.S.(Subthreshold Switching), VTH, 온/오프 비, 및 VH를 나타낸 표이다.
도 20은 첨가제를 사용하지 않은 경우 산화물 전구체의 온도 변화에 따른 질량 변화와 발열량을 나타내는 그래프이다.
도 21 내지 도 27은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 첨가제를 사용한 경우 산화물 전구체의 온도 변화에 따른 질량 변화와 발열량을 나타내는 그래프이다.
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 일 실시예는, 낮은 온도에서 발열 반응을 일으키는 첨가제를 사용함으로써, 용액 공정으로 산화물 박막 형성 시 저온의 열처리로도 전기적 특성이 우수한 반도체 소자를 제조할 수 있다.
이하, 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 형성 방법을 설명하는 예시적인 흐름도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 형성 방법(100)은, 산화물 전구체 및 발열 반응을 유발하는 첨가제를 용액을 기판에 도포하는 단계(S110), 및 상기 용액이 도포된 기판을 100℃ 내지 250℃로 열처리하는 단계(S120)를 포함할 수 있다.
상기 기판에 도포되는 용액은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 박막 조성물로서, 상기 산화물 박막 조성물은 산화물 전구체, 발열 반응을 유발하는 첨가제, 및 상기 산화물 전구체와 상기 첨가제를 용해시키는 용매를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 전구체는, 인듐화합물, 아연화합물, 주석화합물, 갈륨화합물, 하프늄화합물, 마그네슘화합물, 알루미늄화합물, 이트륨화합물, 탄탈륨화합물, 타이타늄화합물, 지르코늄화합물, 바륨화합물, 란사늄화합물, 망간화합물, 텅스텐화합물, 몰리브덴화합물, 세륨화합물, 크롬화합물, 스칸디움화합물, 실리콘화합물, 네오디뮴화합물 및 스트론튬화합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 화합물을 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 산화물 전구체는 인듐화합물, 아연화합물 및 갈륨화합물을 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 상기 아연화합물과 상기 인듐화합물 간의 몰비는 1:0.1 내지 0.1:1일 수 있으며, 상기 아연화합물과 상기 갈륨화합물 간의 몰비는 1:0.1 내지 1:1일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 첨가제는, 아세틸아세톤(Acetylacetone, C5H8O2), 시트릭에이시드(Citric acid, C6H8O7), 암모니아 하이드록사이드(Ammonium hydroxide, NH4OH), 나이트릭에이시드(Nitric acid, HNO3), 암모늄나이트레이트(Ammonium nitrate, NH4NO3), 이미다졸(Imidazole, C3H4N2), 나이트로글리세린(Nitroglycerine, C3H5(NO3)3), 아세토아세타닐라이드(Acetoacetanilide, CH3COCH2CONHC6H5), 하이드로클로라이드(Hydrochloride, C6H5NH3Cl), 암모늄포메이트(Ammonium formate, HCO2NH4), 암모늄바이카보네이트(Ammonium bicarbonate, NH4HCO3), 암모늄아세테이트(Ammonium acetate, CH3CO2NH4), 암모늄옥살레이트모노하이드레이트(Ammonium oxalate monohydrate, (NH4)2C2O4·H2O), 하이드라진아세테이트(Hydrazine acetate, H2NNH2·CH3CO2H), 하이드라진모노하이드레이트(Hydrazine monohydrate, NH2NH2·H2O) 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산화물 전구체와 상기 첨가제 간의 몰비는 1:0.1 내지 1:5일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기판은 실리콘 기판, 유리 기판 또는 플렉시블 기판을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열처리를 하는 단계(S120)는, 기판을 제 1 온도로 제 1 시간 동안 열처리하는 단계, 및 상기 기판을 제 2 온도로 제 2 시간 동안 열처리하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제 1 온도는 제 2 온도보다 낮으며, 상기 제 1 시간은 상기 제 2 시간보다 짧을 수 있다.
상기 열처리는 퍼니스, 핫 플레이트 또는 RTA(Rapid Thermal Annealing) 장비를 이용하여 수행될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 반도체 제조 방법을 설명하는 예시적인 흐름도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 산화물 반도체의 예시적인 단면도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 반도체 제조 방법(200)은, 불순물이 도핑된 기판(310)에 절연층(320)을 형성하는 단계(S210), 상기 절연층(320) 위에 산화물 전구체 및 발열 반응을 유발하는 첨가제를 용해시킨 용액을 도포하는 단계(S220), 상기 용액이 도포된 기판을 100℃ 내지 250℃로 열처리하여 산화물 박막(330)을 형성하는 단계(S230), 및 상기 산화물 박막(330) 위에 전극(341, 342)을 형성하는 단계(S240)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 절연층(320)을 형성하는 단계(S210)는, 붕소 이온이 도핑된 Si 기판에 SiO2를 열적으로 성장시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용액 내 산화물 전구체와 첨가제 간의 몰비는 1:0.1 내지 1:5일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용액을 도포하는 단계(S220)는, 절연층(320) 위에 용액을 스핀 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열처리하여 산화물 박막(330)을 형성하는 단계(S230)는, 기판을 120℃로 5 분 동안 열처리하는 단계, 및 상기 기판을 200℃로 1 시간 동안 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전극을 형성하는 단계(S240)는, 상기 산화물 박막(330) 위에 금속을 스퍼터링하여 소스 전극(341) 및 드레인 전극(342)을 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
이하, 저온에서 발열 반응을 유발하는 첨가제를 사용하여 산화물 반도체(300) 시편을 제조하는 본 발명의 실시예를 설명한다.
인듐 나이트레이트 하이드레이트(Indium nitrate hydrate, In(NO3)3·H2O)를 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol, C3H8O2)에 용해시켜 용액을 제작하였다.
제작된 용액에 저온 발현을 위한 첨가제로 인듐 나이트레이트 하이드레이트 1몰 당 (i) 아세틸아세톤 2몰, (ii) 암모니아 하이드록사이드 0.25몰, (iii) 나이트릭에이시드 4.1몰, (iv) 아세틸아세톤 2몰과 암모니아 하이드록사이드 0.25몰, (v) 암모니아 하이드록사이드 0.25몰과 나이트릭에이시드 4.1몰, (vi) 아세틸아세톤 2몰과 암모니아 하이드록사이드 0.25몰과 나이트릭에이시드 4.1몰을 혼합시킨 6 개의 산화물 박막용 용액을 제작하였다.
제작된 산화물 박막용 용액은 마그네틱 바를 이용하여 400 rpm으로 24시간 동안 교반시켰다. 교반시킨 용액은 시린지 필터(syringe filter)를 이용하여 불순물을 걸러냈다.
제작된 산화물 박막용 용액을 도포하기 위한 시편은 다음과 같이 준비하였다.
P+ 이온이 도핑된 기판 위에 열적으로 SiO2가 성장된 기판을 준비하였다. 상기 기판은 <100> 방향의 Si 기판이며, 비저항(resistivity)은 0.001 내지 0.003 Ohm cm이다. 또한, SiO2의 두께는 1200 Å이다.
기판의 표면에 있을 수 있는 유기물과 불순물을 제거하기 위해, 아세톤, 메탄올, DI-water 순으로 초음파 세척을 각각 20분씩 실시한 후, N2 기체를 이용하여 블러링을 실시하였다.
그 뒤, 기판에 흡착되어 있는 유기물을 제거함과 동시에 표면에 다량의 OH-기들을 형성함으로써 친수성의 표면 박막을 형성하고 용액의 젖힘성을 증가시키기 위해, 파장 185 nm의 Deep UV 오존 발생기를 이용하여 20분간 표면처리를 실시하였다.
이와 같이 준비된 기판에 산화물 박막용 용액을 스핀 코팅 방법을 이용하여 도포하였다. 스핀 코팅은 500 rpm으로 5초, 3000 rpm으로 30초 동안 총 2 단계로 실시하였다.
코팅된 기판은 핫 플레이트에서 온도 120℃로 5분 동안 선 열처리를 실시하였고, 그 뒤 온도 200℃로 1시간 동안 대기분위기에서 열처리를 실시하였다.
그 뒤, 기판 위에 소스 전극과 드레인 전극을 형성하기 위해 스퍼터링 방법으로 알루미늄을 2000 Å 증착하였다.
이하, 전술한 실시예에 따라 제작된 시편의 분석에 대하여 설명한다.
도 4는 첨가제를 사용하지 않고 제조된 산화물 반도체와 본 발명의 실시예에 따라 첨가제를 사용하여 제조된 산화물 반도체의 이동도를 나타내는 그래프이다.
도 5는 첨가제를 사용하지 않고 제조된 산화물 반도체의 스위칭 특성을 나타내는 그래프이며, 도 6 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따라 첨가제를 사용하여 제조된 산화물 반도체의 스위칭 특성을 나타내는 그래프이다.
또한, 도 12는 첨가제를 사용하지 않고 제조된 산화물 반도체의 출력 특성을 나타내는 그래프이며, 도 13 내지 도 18은 본 발명의 실시예에 따라 첨가제를 사용하여 제조된 산화물 반도체의 출력 특성을 나타내는 그래프이다.
그리고, 도 19는 도 4 내지 도 18에 도시된 그래프를 기초로 소자의 이동도, S.S.(Subthreshold Switching), VTH, 온/오프 비, 및 VH를 나타낸 표이다.
도 19를 참조하면, 첨가제의 유무와 그 종류에 따라 소자의 특성이 크게 변하는 것을 알 수 있다. 특히, 첨가제로 나이트릭에이시드를 넣은 경우와 아세틸아세톤 및 암모니아 하이드록사이드를 넣은 경우, 소자의 특성에 주된 영향을 미치는 이동도가 크게 증가하는 것이 확인되었다.
이에 대해, 나이트릭에이시드가 첨가된 경우, 산화물 박막 형성에 있어서 NO3 - 기의 공급에 의한 박막의 산화속도 증가, 및 분해된 H+ 이온에 의한 반응성 향상으로 인해 소자 특성이 개선되었을 수 있다.
또한, 아세틸아세톤과 암모니아 하이드록사이드를 첨가한 경우에는, 아세틸아세톤이 연료로서 작용하고 암모니아 하이드록사이드가 연료를 연소시키기 위한 산화제로서 작용하였을 수 있으며, 인듐산화물이 갖고 있는 NO3 -의 결합에 의한 빠른 자기발열효과가 나타났을 수 있다.
나아가, 도 20은 첨가제를 사용하지 않은 경우 산화물 전구체의 온도 변화에 따른 질량 변화와 발열량을 나타내는 그래프이며, 도 21 내지 도 27은 본 발명의 실시예에 따른 첨가제를 사용한 경우 산화물 전구체의 온도 변화에 따른 질량 변화와 발열량을 나타내는 그래프이다.
도 20 내지 도 27에 도시된 바와 같이, 각각의 첨가제마다 질량의 변화폭이 상대적으로 다름을 알 수 있다. 특히, 도 24를 참조하면, 첨가제로 아세틸아세톤 및 암모니아 하이드록사이드를 사용한 소자의 경우, 130℃ 부근에서 급격한 질량 감소를 동반하면서 매우 높은 발열량을 나타냄을 확인할 수 있다. 이는 첨가제로 사용된 아세틸아세톤과 암모니아 하이드록사이드가 컴버스쳔에 의해 산화물 형성에 기여함으로써, 낮은 온도에서 우수한 소자 특성을 갖는 산화물 박막을 빠르게 형성하도록 도와주는 것을 나타낸다.
이상, 낮은 온도에서 발열 반응을 일으키는 첨가제를 사용하여, 용액 공정으로 산화물 박막 형성 시 저온의 열처리로도 전기적 특성이 우수한 반도체 소자를 제조할 수 있는 산화물 박막 조성물, 산화물 박막 형성 방법 및 산화물 반도체 제조 방법이 설명되었다.
상기 산화물 박막 조성물, 산화물 박막 형성 방법 및 산화물 반도체 제조 방법에 따르면, 용액 공정으로 산화물 박막 형성 시 기존보다 낮은 온도에서도 전기적 특성이 우수한 소자를 제조할 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예는, 용액 공정에서 고온의 열처리 과정을 제거함으로써 유리 기판이나 플렉서블 기판에서도 용액 공정으로 반도체 소자를 제조할 수 있다.
300: 산화물 반도체
310: 기판
320: 절연층
330: 산화물 박막
341: 소스 전극
342: 드레인 전극
310: 기판
320: 절연층
330: 산화물 박막
341: 소스 전극
342: 드레인 전극
Claims (24)
- 산화물 전구체;
발열 반응을 유발하는 첨가제; 및
상기 산화물 전구체 및 상기 첨가제를 용해시키는 용매;
를 포함하며,
상기 산화물 전구체와 상기 첨가제 간의 몰비는 1:0.1 내지 1:5인 산화물 박막 조성물. - 제 1 항에 있어서,
상기 산화물 전구체는:
인듐화합물, 아연화합물, 주석화합물, 갈륨화합물, 하프늄화합물, 마그네슘화합물, 알루미늄화합물, 이트륨화합물, 탄탈륨화합물, 타이타늄화합물, 지르코늄화합물, 바륨화합물, 란사늄화합물, 망간화합물, 텅스텐화합물, 몰리브덴화합물, 세륨화합물, 크롬화합물, 스칸디움화합물, 실리콘화합물, 네오디뮴화합물 및 스트론튬화합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 화합물;
을 포함하는 산화물 박막 조성물. - 제 1 항에 있어서,
상기 첨가제는:
아세틸아세톤(Acetylacetone, C5H8O2), 시트릭에이시드(Citric acid, C6H8O7), 암모니아 하이드록사이드(Ammonium hydroxide, NH4OH), 나이트릭에이시드(Nitric acid, HNO3), 암모늄나이트레이트(Ammonium nitrate, NH4NO3), 이미다졸(Imidazole, C3H4N2), 나이트로글리세린(Nitroglycerine, C3H5(NO3)3), 아세토아세타닐라이드(Acetoacetanilide, CH3COCH2CONHC6H5), 하이드로클로라이드(Hydrochloride, C6H5NH3Cl), 암모늄포메이트(Ammonium formate, HCO2NH4), 암모늄바이카보네이트(Ammonium bicarbonate, NH4HCO3), 암모늄아세테이트(Ammonium acetate, CH3CO2NH4), 암모늄옥살레이트모노하이드레이트(Ammonium oxalate monohydrate, (NH4)2C2O4·H2O), 하이드라진아세테이트(Hydrazine acetate, H2NNH2·CH3CO2H), 하이드라진모노하이드레이트(Hydrazine monohydrate, NH2NH2·H2O) 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 산화물 박막 조성물. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 산화물 전구체는 인듐 나이트레이트 하이드레이트(Indium nitrate hydrate, In(NO3)3·H2O)이며,
상기 첨가제는 아세틸아세톤(Acetylacetone, C5H8O2) 및 암모니아 하이드록사이드(Ammonium hydroxide, NH4OH)인 산화물 박막 조성물. - 제 5 항에 있어서,
상기 인듐 나이트레이트 하이드레이트와 상기 아세틸아세톤과 상기 암모니아 하이드록사이드 간의 몰비는 1:2:0.25인 산화물 박막 조성물. - 제 1 항에 있어서,
상기 산화물 전구체는 인듐 나이트레이트 하이드레이트(Indium nitrate hydrate, In(NO3)3·H2O)이며,
상기 첨가제는 나이트릭에이시드(Nitric acid, HNO3)인 산화물 박막 조성물. - 제 7 항에 있어서,
상기 인듐 나이트레이트 하이드레이트와 상기 나이트릭에이시드 간의 몰비는 1:4.1인 산화물 박막 조성물. - 산화물 전구체 및 발열 반응을 유발하는 첨가제를 용해시킨 용액을 기판에 도포하는 단계; 및
상기 용액이 도포된 기판을 100℃ 내지 250℃로 열처리하는 단계;
를 포함하며,
상기 용액 내 상기 산화물 전구체와 상기 첨가제 간의 몰비는 1:0.1 내지 1:5인 산화물 박막 형성 방법. - 삭제
- 제 9 항에 있어서,
상기 산화물 전구체는 인듐 나이트레이트 하이드레이트(Indium nitrate hydrate, In(NO3)3·H2O)이며,
상기 첨가제는 아세틸아세톤(Acetylacetone, C5H8O2) 및 암모니아 하이드록사이드(Ammonium hydroxide, NH4OH)이며,
상기 용액 내 상기 인듐 나이트레이트 하이드레이트와 상기 아세틸아세톤과 상기 암모니아 하이드록사이드 간의 몰비는 1:2:0.25인 산화물 박막 형성 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 산화물 전구체는 인듐 나이트레이트 하이드레이트(Indium nitrate hydrate, In(NO3)3·H2O)이며,
상기 첨가제는 나이트릭에이시드(Nitric acid, HNO3)이며,
상기 용액 내 상기 인듐 나이트레이트 하이드레이트와 상기 나이트릭에이시드 간의 몰비는 1:4.1인 산화물 박막 형성 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 기판은 실리콘 기판, 유리 기판 또는 플렉시블 기판을 포함하는 산화물 박막 형성 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 열처리하는 단계는:
상기 기판을 제 1 온도로 제 1 시간 동안 열처리하는 단계; 및
상기 기판을 제 2 온도로 제 2 시간 동안 열처리하는 단계를 포함하고,
상기 제 1 온도는 상기 제 2 온도보다 낮으며,
상기 제 1 시간은 상기 제 2 시간보다 짧은 산화물 박막 형성 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 제 1 온도는 120℃이고, 상기 제 1 시간은 5 분이며,
상기 제 2 온도는 200℃이고, 상기 제 2 시간은 1 시간인 산화물 박막 형성 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 열처리하는 단계는:
퍼니스, 핫 플레이트 또는 RTA(Rapid Thermal Annealing) 장비를 이용하여 열처리하는 단계를 포함하는 산화물 박막 형성 방법. - 불순물이 도핑된 기판에 절연층을 형성하는 단계;
상기 절연층 위에 산화물 전구체 및 발열 반응을 유발하는 첨가제를 용해시킨 용액을 도포하는 단계;
상기 용액이 도포된 기판을 100℃ 내지 250℃로 열처리하여 산화물 박막을 형성하는 단계; 및
상기 산화물 박막 위에 전극을 형성하는 단계;
를 포함하며,
상기 용액 내 상기 산화물 전구체와 상기 첨가제 간의 몰비는 1:0.1 내지 1:5인 산화물 반도체 제조 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 절연층을 형성하는 단계는:
붕소 이온이 도핑된 Si 기판에 SiO2를 열적으로 성장시키는 단계를 포함하는 산화물 반도체 제조 방법. - 삭제
- 제 17 항에 있어서,
상기 산화물 전구체는 인듐 나이트레이트 하이드레이트(Indium nitrate hydrate, In(NO3)3·H2O)이며,
상기 첨가제는 아세틸아세톤(Acetylacetone, C5H8O2) 및 암모니아 하이드록사이드(Ammonium hydroxide, NH4OH)이며,
상기 용액 내 상기 인듐 나이트레이트 하이드레이트와 상기 아세틸아세톤과 상기 암모니아 하이드록사이드 간의 몰비는 1:2:0.25인 산화물 반도체 제조 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 산화물 전구체는 인듐 나이트레이트 하이드레이트(Indium nitrate hydrate, In(NO3)3·H2O)이며,
상기 첨가제는 나이트릭에이시드(Nitric acid, HNO3)이며,
상기 용액 내 상기 인듐 나이트레이트 하이드레이트와 상기 나이트릭에이시드 간의 몰비는 1:4.1인 산화물 반도체 제조 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 용액을 도포하는 단계는:
상기 절연층 위에 상기 용액을 스핀 코팅하는 단계를 포함하는 산화물 반도체 제조 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 열처리하여 산화물 박막을 형성하는 단계는:
상기 기판을 120℃로 5 분 동안 열처리하는 단계; 및
상기 기판을 200℃로 1 시간 동안 열처리하는 단계;
를 포함하는 산화물 반도체 제조 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 전극을 형성하는 단계는:
상기 산화물 박막 위에 금속을 스퍼터링하여 소스 전극 및 드레인 전극을 증착하는 단계를 포함하는 산화물 반도체 제조 방법.
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| KR1020130036298A KR101440905B1 (ko) | 2013-04-03 | 2013-04-03 | 산화물 박막 조성물, 산화물 박막 형성 방법 및 산화물 반도체 제조 방법 |
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Citations (4)
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| KR20050122308A (ko) * | 2004-06-24 | 2005-12-29 | 김용성 | 산화아연 박막의 제조방법 |
| KR20110010435A (ko) * | 2009-07-24 | 2011-02-01 | 삼성전자주식회사 | 산화물 반도체 제조용 용액 |
| KR20110101058A (ko) * | 2010-03-05 | 2011-09-15 | 연세대학교 산학협력단 | 금속산화물 박막 및 그 제조 방법, 금속산화물 박막용 용액 |
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| KR20120077788A (ko) * | 2010-12-31 | 2012-07-10 | 연세대학교 산학협력단 | 산화물 박막용 조성물, 산화물 박막용 조성물 제조 방법, 산화물 박막용 조성물을 이용한 산화물 박막 및 전자소자 |
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