KR101570443B1 - 산화물 반도체 박막의 결정화 방법 - Google Patents
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Abstract
산화물 반도체 박막의 결정화 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 산화물 반도체 결정화 방법은 비정질 상태의 산화물 반도체 박막 상에 전도성 박막을 형성하는 단계; 및 표면에 상기 전도성 박막이 형성된 상태에서 전자빔을 조사하여 산화물 반도체 박막을 결정화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 전도성 박막은 투명전도성산화물 또는 금속박막이 될 수 있다.
본 발명에 따른 산화물 반도체 결정화 방법은 비정질 상태의 산화물 반도체 박막 상에 전도성 박막을 형성하는 단계; 및 표면에 상기 전도성 박막이 형성된 상태에서 전자빔을 조사하여 산화물 반도체 박막을 결정화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 전도성 박막은 투명전도성산화물 또는 금속박막이 될 수 있다.
Description
본 발명은 TFT(Thin Film Transistor) 등에서 소스 전극과 드레인 전극 사이에 형성되는 반도체 채널 등에 이용되는 산화물 반도체 박막의 결정화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전자빔 조사를 이용한 산화물 반도체 박막의 결정화 방법에 관한 것이다.
산화물 반도체 중에는 비정질 상태에서도 우수한 캐리어 이동도를 보이는 물질들이 존재하며, 예를 들어, ZnO, SnO2, In2O3와 같은 단원계 산화물과 In-Zn-oxide (IZO), In-Ga-Zn-oxide (IGZO), Zn-Sn-oxide(ZTO) 등과 같이 이원계 혹은 삼원계 산화물 등이 있다. 이들 산화물 반도체들의 경우, 상기와 같은 우수한 캐리어 이동도를 나타낼 수 있어, 소스 전극과 드레인 전극 사이의 채널 역할을 할 수 있다.
산화물 반도체의 경우에는 실리콘 반도체보다 높은 밴드갭을 가지고 있어서 동작이 이루어지지 않는 오프(OFF) 상태에서 off-current 값이 거의 0에 가깝기 때문에, 산화물 반도체가 반도체 채널로 적용될 경우, 전지와 같은 전원 사용 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
비정질 산화물의 경우, 결정질에 비하여 표면 조도가 매끄럽고 보다 균일한 조성의 박막을 형성할 수 있다. 하지만, 비정질 산화물은 결정학적으로 완벽하지 않은 상태이므로, 결합에 참여하지 않은 불포화 결합(dangling bond)이 다수 존재하며, 결정질에 비하여 상대적으로 엉성한 구조를 가져 수분, 산소, 수소 등의 외부 오염에 취약한 단점이 있다.
이에 따라, 비정질 산화물과 결정질 산화물의 장점을 취한 새로운 미세구조를 갖는 산화물, 즉 비정질 매트릭스 내부에 나노결정이 산재한 혼합구조의 박막이 요구된다. 산화물 반도체 결정화 기술로는 열처리 기술이 널리 이용되고 있다. 그러나 산화물 반도체 결정화를 위한 열처리는 일반적으로 600℃ 이상에서 수행되어야 하는 바, 양산공정 등에 적용하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제 10-2010-0038520호(2010.04.15. 공개)에 개시된 전자빔 후처리를 이용한 투명성 산화 전극 제조 방법이 있다.
본 발명의 목적은 산화물 반도체 박막을 효율적으로 결정화하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 산화물 반도체 박막의 결정화 방법은 비정질 상태의 산화물 반도체 박막 상에 전도성 박막을 형성하는 단계; 및 표면에 상기 전도성 박막이 형성된 상태에서 전자빔을 조사하여 산화물 반도체 박막을 결정화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 전도성 박막은 투명전도성산화물(TCO)로 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 전자빔 조사시 상기 투명전도성산화물도 함께 결정화될 수 있다.
또한, 상기 전도성 박막은 금속으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 산화물 반도체는 10~100nm 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전도성 박막은 10~200nm 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 산화물 반도체의 증착 및 전자빔 조사는 200℃ 이하의 온도에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 전자빔 조사는 0.1 kV ~ 5 kV로 빔에너지를 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 산화물 반도체는 Zn, Sn, In, Ga 및 Cu 중에서 선택되는 1종의 원소와 산소가 결합되어 형성되는 단원계 산화물 재질이거나 Zn, Sn, In, Ga 및 Cu 중에서 선택되는 2종 이상의 원소와 산소가 결합되어 형성되는 이원계 이상의 다중 산화물 재질일 수 있다.
본 발명에 따른 산화물 반도체 박막의 결정화 방법에 의하면, 결정화 대상이 되는 산화물 반도체 표면에 TCO, 금속 등으로 전도성 박막을 형성한 후에 결정화를 수행함으로써, 전자빔 조사시 산화물 반도체 표면에 전자가 누적됨으로써 전자빔 조사시 인가되는 전자와 산화물 반도체 표면에 누적된 전자간의 척력 발생을 방지할 수 있다. 이에 의하여 전자빔 조사에 의한 결정화 효과가 저하되는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 비정질 상태의 산화물 반도체 박막을 효율적으로 결정화할 수 있다.
도 1은 종래의 방법으로 전자빔 조사에 의한 결정화를 수행할 때의 표면 상태를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 전자빔 조사에 의한 결정화를 수행할 때의 표면 상태를 나타낸 것이다.
도 3은 비정질 구조를 갖는 산화물 반도체의 미세구조를 나타낸 것이다.
도 4는 비정질 매트릭스에 나노결정이 산재된 혼합 구조를 갖는 산화물 반도체의 미세 구조를 나타낸 것이다.
도 5 내지 도 8은 산화물 반도체 상에 전도성 박막을 형성한 후에 전자빔 조사를 수행하였을 때의 미세구조를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 전자빔 조사에 의한 결정화를 수행할 때의 표면 상태를 나타낸 것이다.
도 3은 비정질 구조를 갖는 산화물 반도체의 미세구조를 나타낸 것이다.
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도 5 내지 도 8은 산화물 반도체 상에 전도성 박막을 형성한 후에 전자빔 조사를 수행하였을 때의 미세구조를 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들 및 도면을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 산화물 반도체 박막의 결정화 방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 종래의 방법으로 전자빔 조사에 의한 결정화를 수행할 때의 표면 상태를 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 전자빔 조사에 의한 결정화를 수행할 때의 표면 상태를 나타낸 것이다.
도 1의 경우, 기판(110) 상에 비정질 상태의 산화물 반도체(120)를 형성한 상태에서 전자빔을 조사하게 되면 표면에 전자(e-)가 누적되게 된다. 이러한 전자의 누적은 주로 반도성 물질 혹은 절연성 물질에서 나타난다. 이러한 누적된 전자는 조사되는 전자빔과 척력 관계를 나타내게 된다. 따라서, 전자빔 조사시 결정화 효율이 저하될 수 있다.
그러나, 본 발명에서는 도 2에 도시된 예와 같이, 결정화 대상이 되는 비정질 상태의 산화물 반도체(120) 상에 전도성 박막(130)을 형성한다. 산화물 반도체(120) 표면에 전도성 박막(130)을 형성한 상태에서 전자빔 조사를 수행할 경우, 전도성 박막(120) 표면에 전자가 누적되지 않는다. 따라서, 종래와 같은 척력에 의한 전자빔 조사 효율 저하를 방지할 수 있어, 우수한 결정화 효율을 발휘할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 산화물 반도체 박막의 결정화 방법은 기판(110) 상에 증착된 비정질 상태의 산화물 반도체(120) 박막 상에 전도성 박막(130)을 형성한 후, 표면에 전도성 박막(130)이 형성된 상태에서 전자빔을 조사하여 산화물 반도체 박막(120)을 결정화한다.
기판(110)은 유리, 석영, 사파이어, 보로실리케이트, 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, PET(polyethylenceterephthalate), PEN(pilyethylenenaphthalate), PES(polyethersulfone), PI(polyimide), PC(polycarbonate), PTFE(polytetrafluoroethylene) 등을 제한없이 이용할 수 있다.
산화물 반도체(120)는 Zn, Sn, In, Ga 및 Cu 중에서 선택되는 1종의 원소와 산소가 결합되어 형성되는 단원계 산화물 재질(예를 들어, ZnO, SnO2, In2O3)이거나 Zn, Sn, In, Ga 및 Cu 중에서 선택되는 2종 이상의 원소와 산소가 결합되어 형성되는 이원계 이상의 다중 산화물 재질(예를 들어, In-Zn-oxide(IZO), In-Ga-Zn-oxide(IGZO), Zn-Sn-oxide(ZTO))일 수 있다.
전술한 바와 같이, 상온 등 200℃ 이하의 온도에서 산화물 반도체를 증착할 경우, 산화물 반도체는 도 3에 도시된 예와 같은 비정질 상태가 된다. 비정질 상태의 산화물은 결정학적으로 완벽하지 않은 상태이므로, 결합에 참여하지 않은 불포화 결합이 다수 존재하며, 결정질에 비하여 상대적으로 엉성한 구조를 가져 수분, 산소, 수소 등의 외부 오염에 취약한 단점이 있다. 이에 따라, 비정질 산화물과 결정질 산화물의 장점을 모두 갖는 새로운 미세구조, 즉 도 4에 도시된 예와 같은 비정질 매트릭스(601) 내부에 나노결정(602, 확대한 상태)이 산재한 혼합 구조를 갖는 산화물 반도체 박막이 요구된다.
전도성 박막(130)은 ITO, FTO, AZO 등과 같은 투명전도성산화물(TCO)로 형성될 수 있다.
이 경우, 투명전도성산화물 역시도 비정질 상태로 증착되므로, 전자빔 조사에 의하여 산화물 반도체와 함께 결정화될 수 있다.
또한, 전도성 박막은 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 금(Au), 백금(Pt) 등과 같은 금속으로 형성될 수 있다.
한편, 전자빔 조사는 산화물 반도체의 미세구조가 비정질 매트릭스 내에 나노결정이 산재하도록 수행되 것이 바람직하다.
이를 위하여, 전자빔 조사는 0.1 kV ~ 5 kV로 빔에너지를 조절하는 것이 바람직하다. 빔에너지가 0.1kV 미만일 경우, 나노 결정 형성이 거의 이루어지지 않을 수 있다. 반대로, 빔에너지가 5kV를 초과하는 경우, 지나친 결정화로 인하여 전기적 특성이 저하될 수 있다.
전자빔 조사 시간은 수십초 ~ 20분 정도가 될 수 있으며, 전자빔 조사시 진공은 대략 1 x 10-5 ~ 1 x 10-3로 유지될 수 있으며, 아르곤 분위기나 아르곤에 일정량의 산소가 혼합된 분위기 하에서 수행될 수 있다.
한편, 산화물 반도체는 10~100nm 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 산화물 반도체의 두께가 10nm 미만으로 형성할 경우 저항이 높아지는 문제점이 발생할 수 있다. 반대로, 산화물 반도체의 두께가 100nm를 초과하는 경우, 투명성이 저하될 수 있다.
또한, 전도성 박막은 10~200nm 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 전도성 박막이 200nm를 초과하는 두께로 형성될 경우, 투명성이 저하될 수 있고, 또한 전자빔 조사에 의한 산화물 반도체 결정화 효율이 저하될 수 있다. 반대로, 전도성 박막의 두께가 10nm 미만의 두께로 형성될 경우, 역시 저항이 높아지는 문제점이 발생할 수 있다.
한편, 산화물 반도체의 증착, 전도성 박막의 증착은 RF 스퍼터링, DC 스퍼터링, 화학기상증착(CVD), 저압 화학기상증착(LPCVD), 플라즈마 화학기상증착(PECVD), 진공증착(Vacuum Evaporation) 등 공지된 다양한 방법이 이용될 수 있다. 이들 방법에 의하여, 산화물 반도체 및 전도성 박막의 증착을 200℃ 이하의 저온에서 수행할 수 있고, 그 결과 산화물 반도체의 증착 및 결정화 전체 공정을 200℃ 이하, 보다 바람직하게는 20~100℃의 온도에서 수행할 수 있어, 양산공정에 쉽게 적용할 수 있으며, 산화물 반도체가 적용되는 소자 제조 비용을 낮출 수 있다.
도 5 내지 도 8은 산화물 반도체 상에 전도성 박막을 형성한 후에 전자빔 조사를 수행하였을 때의 미세구조를 나타낸 것이다.
보다 구체적으로, 도 5는 실리콘 웨이퍼 상에 게이트 산화물(SiO2)을 형성하고, 그 위에 IGZO 박막과 ITO 박막을 형성한 후, 1.5kV의 빔 에너지로 10분간 전자빔 조사를 수행하였을 때의 미세구조를 나타내는 TEM 사진이다.
도 6은 도 5의 ITO와 IGZO 계면을 확대한 TEM 사진이고, 도 7은 도 5의 IGZO 부분을 확대한 TEM 사진이다. 도 6을 참조하면, ITO는 완전한 결정구조를 형성하고 있으며, 또한 도 6 및 도 7을 참조하면, IGZO는 비정질 매트릭스 내 나노결정이 혼재한 미세구조를 나타내었음을 알 수 있다.
도 8은 도 5의 IGZO 부분에 대한 회절 패턴을 나타낸 것이다. 도 8을 참조하면, 스팟 패턴(spot pattern)들이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 IGZO 박막 내부에 나노결정이 형성되어 있는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 산화물 반도체 박막의 결정화 방법에 의하면, 결정화 대상이 되는 산화물 반도체 표면에 투명전도성산화물, 금속 등으로 전도성 박막을 형성한 후에 결정화를 수행함으로써, 전자빔 조사시 산화물 반도체 표면에 전자가 누적됨으로써 전자빔 조사시 인가되는 전자와 산화물 반도체 표면에 누적된 전자 간의 척력 발생을 방지할 수 있어, 전자빔 조사에 의한 결정화 효과가 저하되는 것을 방지할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
110 : 기판
120 : 산화물 반도체 박막
130 : 전도성 박막
120 : 산화물 반도체 박막
130 : 전도성 박막
Claims (10)
- 비정질 상태의 산화물 반도체 박막 상에 전도성 박막을 형성하는 단계; 및
상기 전도성 박막의 노출된 표면에 전자빔을 조사하여 산화물 반도체 박막을 결정화하는 단계;를 포함하고,
상기 전자빔 조사는 상기 산화물 반도체의 미세구조가 비정질 매트릭스 내에 나노결정이 산재하도록 수행되는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 박막의 결정화 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 전도성 박막은 투명전도성산화물(TCO)로 형성되는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 박막의 결정화 방법.
- 제2항에 있어서,
상기 전자빔 조사시 상기 투명전도성산화물도 함께 결정화되는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 박막의 결정화 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 전도성 박막은 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 박막의 결정화 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 산화물 반도체는 10~100nm 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 박막의 결정화 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 전도성 박막은 10~200nm 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 박막의 결정화 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 산화물 반도체의 증착 및 전자빔 조사는 200℃ 이하의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 박막의 결정화 방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 전자빔 조사는 0.1 kV ~ 5 kV로 빔에너지를 조절하는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 박막의 결정화 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 산화물 반도체는 Zn, Sn, In, Ga 및 Cu 중에서 선택되는 1종의 원소와 산소가 결합되어 형성되는 단원계 산화물 재질이거나 Zn, Sn, In, Ga 및 Cu 중에서 선택되는 2종 이상의 원소와 산소가 결합되어 형성되는 이원계 이상의 다중 산화물 재질인 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 박막의 결정화 방법.
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