KR101850510B1 - 산화물 반도체의 전구체 조성물 및 이를 이용한 박막 트랜지스터 표시판의 제조 방법 - Google Patents

산화물 반도체의 전구체 조성물 및 이를 이용한 박막 트랜지스터 표시판의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

산화물 반도체의 전구체 조성물을 제공한다. 본 발명의 한 실시예에 따른 산화물 반도체의 전구체 조성물은 금속 이온과 유기 리간드에 의해 형성된 금속 착화합물을 포함하고, 하기 화학식 (1)로 표시된다.
MAn 화학식 (1)
여기서, M은 금속 이온이며 A는 알파 치환된 카르복실레이트(α-substituted carboxylate)를 포함하며, n은 자연수이다.

Description

산화물 반도체의 전구체 조성물 및 이를 이용한 박막 트랜지스터 표시판의 제조 방법{precursor composition for oxide semiconductor and manufacturing method of thin film transistor array panel using the same}
본 발명은 산화물 반도체의 전구체 조성물 및 이를 이용한 박막 트랜지스터 표시판의 제조 방법에 관한 것이다.
액정 표시 장치는 현재 가장 널리 사용되고 있는 평판 표시 장치 중 하나로서, 전극이 형성되어 있는 두 장의 기판과 그 사이에 삽입되어 있는 액정층으로 이루어지며, 전극에 전압을 인가하여 액정층의 액정 분자들을 재배열시킴으로써 투과되는 빛의 양을 조절하여 영상을 표시하는 장치이다.
일반적으로, 액정 표시 장치는 각 화소를 스위칭하기 위한 박막 트랜지스터를 포함한다. 박막 트랜지스터는 스위칭 신호를 인가 받는 게이트 전극과, 데이터 전압이 인가되는 소스 전극과, 데이터 전극을 출력하는 드레인 전극을 삼단자로 하여 스위칭 소자를 이룬다. 또한 이러한 박막 트랜지스터는 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극과 중첩되어 있는 액티브층을 채널층으로 포함하며, 액티브층은 반도체 재료로서 비정질 실리콘이 주로 사용되고 있다.
그러나, 디스플레이의 대형화가 이루어짐에 따라 초고속 구동이 가능한 박막 트랜지스터의 개발이 절실해지고 있다. 특히 액티브층으로 현재 주로 사용되고 있는 비정질 실리콘은 전자 이동도가 낮고 화학 기상 증착법(Chemical vapor deposition; CVD), 스퍼터링 방법 등을 적용하기 위한 고가의 진공 공정 기반의 증착 장비들을 필요로 한다.
따라서, 전자 이동도가 높고 코팅 공정 또는 초저가 프린팅 공정을 통하여 진행하기 위해 용액 공정이 가능한 산화물 반도체 재료의 개발이 요구되고 있다.
그러나, 산화물 반도체를 용액 공정으로 형성하기 위해서는 400도 이상의 고온에서 열처리를 필요로 하여 에너지 소모가 크다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 저온 공정으로 박막 트랜지스터 특성을 가질 수 있는 산화물 반도체의 전구체 조성물 및 이를 이용한 박막 트랜지스터 표시판의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 산화물 반도체의 전구체 조성물은 금속 이온과 유기 리간드에 의해 형성된 금속 착화합물을 포함하고, 하기 화학식 (1)로 표시된다.
MAn 화학식 (1)
여기서, M은 금속 이온이며 A는 알파 치환된 카르복실레이트(α-substituted carboxylate)를 포함하며, n은 자연수이다.
상기 화학식 (1)에서 A는 알파 치환된 아미노산(α-substituted amino acid), 알파 치환된 히드록시산(α-substituted hydroxyl acid), 알파 치환된 케토산(α-substituted keto acid), 및 알파 치환된 티오산(α-substituted thio acid) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 화학식 (1)은 하기 화학식 (2)로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
Figure 112011020929514-pat00001
화학식 (2)
여기서, M은 금속 이온이고, X는 NH2, OH, O, SH 중 적어도 하나이며, R은 수소(H) 또는 알킬 그룹(alkyl group)이고, n은 1 내지 3일 수 있다.
상기 금속 이온은 Zinc(Zn), Tin(Sn), Indium(In), Galium(Ga), lithium(Li), sodium(Na), potassium(K), rubidium(Rb), cesium(Cs), beryllium(Be), aluminum(Al), barium(Ba), zirconium(Zr), hafnium(Hf), vanadium(V), yttrium(Y), niobium(Nb), tantalum(Ta), chromium(Cr), molybdenum(Mo), tungsten(W), manganese(Mn), technetium(Tc), rhenium(Re), iron(Fe), ruthenium(Ru), osmium(Os), cobalt(Co), rhodium(Rh), iridium(Ir), nickel(Ni), palladium(Pd), platinum(Pt), gold(Au), mercury(Hg), boron(B), thallium(Tl), silicon(Si), phosphorus(P), arsenic(As), lanthanum(La), cerium(Ce), gadolinium(Gd), Neodymiun(Nd), Tellurium(Te), Scandium(Sc), Polonium(Po), Praseodymiun(Pr), Terbium(Tb), Dysprosium(Dy), Holmium(Ho), Europium(Eu), Erbium(Er), 및 Ytterbium(Yb) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 금속 이온과 상기 유기 리간드의 몰 비율은 1:0.2 내지 1:10일 수 있다.
상기 알파 치환된 아미노산(α-substituted amino acid)은 알라닌(alanine), 세린(serine), 글리신(glycine), 시스테인(cysteine), 프롤린(proline), 및 사르코신(sarcosine) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 알파 치환된 히드록시산(α-substituted hydroxyl acid)은 2-히드록시 아세트산(2-hydroxy acetic acid) 또는 젖산(lactic acid)을 포함할 수 있다.
상기 알파 치환된 케토산(α-substituted keto acid)은 피루브산(pyruvic acid) 또는 글리옥실산(glyoxylic acid)을 포함할 수 있다.
상기 알파 치환된 티오산(α-substituted thio acid)은 티오락트산(thiolactic acid) 또는 티오글리콜산(thioglycolic acid)을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 트랜지스터 표시판의 제조 방법은 금속 이온과 유기 리간드에 의해 형성된 금속 착화합물 및 용매를 포함하는 금속 화합물 용액을 준비하는 단계; 상기 금속 화합물 용액을 기판 상에 코팅하는 단계; 및 상기 금속 화합물 용액을 열처리하는 단계를 포함하고, 상기 금속 착화합물은 하기 화학식 (1)로 표시된다.
MAn 화학식 (1)
여기서, M은 금속 이온이며 A는 알파 치환된 카르복실레이트(α-substituted carboxylate)를 포함하며, n은 자연수이다.
상기 금속 화합물 용액을 열처리하는 단계 이전에 상기 금속 화합물 용액을 전처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 금속 화합물 용액을 전처리하는 단계는 자외선을 조사하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 금속 화합물 용액을 열처리하는 단계는 250도 이하의 온도에서 수행할 수 있다.
상기 화학식 (1)에서 A는 알파 치환된 아미노산(α-substituted amino acid), 알파 치환된 히드록시산(α-substituted hydroxyl acid), 알파 치환된 케토산(α-substituted keto acid), 및 알파 치환된 티오산(α-substituted thio acid) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 화학식 (1)은 하기 화학식 (2)로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
Figure 112011020929514-pat00002
화학식 (2)
여기서, M은 금속 이온이고, X는 NH2, OH, O, SH 중 적어도 하나이며, R은 수소(H) 또는 알킬 그룹(alkyl group)이고, n은 1 내지 3일 수 있다.
상기 금속 이온은 Zinc(Zn), Tin(Sn), Indium(In), Galium(Ga), lithium(Li), sodium(Na), potassium(K), rubidium(Rb), cesium(Cs), beryllium(Be), aluminum(Al), barium(Ba), zirconium(Zr), hafnium(Hf), vanadium(V), yttrium(Y), niobium(Nb), tantalum(Ta), chromium(Cr), molybdenum(Mo), tungsten(W), manganese(Mn), technetium(Tc), rhenium(Re), iron(Fe), ruthenium(Ru), osmium(Os), cobalt(Co), rhodium(Rh), iridium(Ir), nickel(Ni), palladium(Pd), platinum(Pt), gold(Au), mercury(Hg), boron(B), thallium(Tl), silicon(Si), phosphorus(P), arsenic(As), lanthanum(La), cerium(Ce), gadolinium(Gd), Neodymiun(Nd), Tellurium(Te), Scandium(Sc), Polonium(Po), Praseodymiun(Pr), Terbium(Tb), Dysprosium(Dy), Holmium(Ho), Europium(Eu), Erbium(Er), 및 Ytterbium(Yb) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 금속 이온과 상기 유기 리간드의 몰 비율이 1:0.2 내지 1:10이 되도록 형성할 수 있다.
상기 알파 치환된 아미노산(α-substituted amino acid)은 알라닌(alanine), 세린(serine), 글리신(glycine), 시스테인(cysteine), 프롤린(proline), 및 사르코신(sarcosine) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 알파 치환된 히드록시산(α-substituted hydroxyl acid)은 2-히드록시 아세트산(2-hydroxy acetic acid) 또는 젖산(lactic acid)을 포함할 수 있다.
상기 알파 치환된 케토산(α-substituted keto acid)은 피루브산(pyruvic acid) 또는 글리옥실산(glyoxylic acid)을 포함할 수 있다.
상기 알파 치환된 티오산(α-substituted thio acid)은 티오락트산(thiolactic acid) 또는 티오글리콜산(thioglycolic acid)을 포함할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 한 실시예에 따르면, 금속 이온과 유기 리간드에 의해 형성된 금속 착화합물을 포함하는 산화물 반도체의 전구체를 사용함으로써 250도 이하의 저온에서 공정을 수행함에 따라 에너지를 저감하고, 높은 신뢰성을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 박막 트랜지스터 표시판의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 트랜지스터 표시판의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막 트랜지스터 표시판에 포함되는 산화물 반도체의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막 트랜지스터의 전달 곡선(transfer curve)을 나타내는 그래프이다.
첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 박막 트랜지스터 표시판의 단면도이다.
도 1을 참고하면, 박막 트랜지스터 표시판(100)은 절연 기판(110), 게이트 전극(120), 게이트 절연막(130), 소스 전극(144), 드레인 전극(146), 및 산화물 반도체층(150)을 포함한다.
절연 기판(110) 위에 게이트 신호를 전달하는 게이트 배선의 일부인 게이트 전극(120)이 배치되어 있다. 상기 절연 기판(110)으로는 유리 기판이나 플라스틱 기판 등을 사용할 수 있다. 게이트 전극(120)은 알루미늄(Al)과 알루미늄 합금 등 알루미늄 계열의 금속, 은(Ag)과 은 합금 등 은 계열의 금속, 구리(Cu)와 구리 합금 등 구리 계열의 금속, 몰리브덴(Mo)과 몰리브덴 합금 등 몰리브덴 계열의 금속, 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 등으로 이루어질 수 있다.
또한, 게이트 전극(120)은 물리적 성질이 다른 두 개의 도전막(미도시)을 포함하는 다중막 구조를 가질 수 있다. 이 중 한 도전막은 신호 지연이나 전압 강하를 줄일 수 있도록 낮은 비저항(resistivity)의 금속, 예를 들면 알루미늄 계열 금속, 은 계열 금속, 구리 계열 금속 등으로 이루어진다. 이와는 달리, 다른 도전막은 다른 물질, 특히 산화 아연(ZnO), ITO(indium tin oxide) 및 IZO(indium zinc oxide)와의 접촉 특성이 우수한 물질, 이를테면 몰리브덴 계열 금속, 크롬, 티타늄, 탄탈륨 등으로 이루어진다. 이러한 조합의 좋은 예로는 크롬 하부막과 알루미늄 상부막, 알루미늄 하부막과 몰리브덴 상부막, 또는 티타늄 하부막과 구리 상부막을 들 수 있다.
다만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 게이트 전극(120)은 다양한 여러 가지 금속과 도전체로 만들어질 수 있다.
절연 기판(110) 및 게이트 전극(120)을 포함하는 게이트 배선의 위에는 게이트 절연막(130)이 형성되어 있다. 게이트 절연막(130)은 산화 규소(SiOx), 질화 규소(SiNx) 또는 산질화 규소(SiON) 등으로 형성될 수 있다. 또한 게이트 절연막(130)은 산화 규소와 질화 규소가 적층된 다층막 구조를 가질 수 있다. 이 경우 절연 기판(110)의 상부에는 질화 규소층이 형성되고 상기 질화 규소층의 상부에 산화 규소층이 형성됨으로써 산화 규소층이 후술할 산화물 반도체층과 접할 수 있다.
산질화 규소 단일막을 사용하는 경우에도 산화물 반도체 층과 인접할수록 산질화 규소에서 산소의 조성비가 높아지도록 산소 농도에 분포를 가지게 할 수 있다. 이렇듯 산화물 반도체 층과 산화 규소 층이 접하게 되는 경우 산화물 반도체 내의 산소 결핍(oxygen deficiency) 농도를 일정하게 유지할 수 있게 되어 채널층의 열화를 방지할 수 있다.
게이트 절연막(130) 위에는 데이터 배선에 포함되는 소스 전극(144) 및 드레인 전극(146)이 배치되어 있다. 또한 소스 전극(144) 및 드레인 전극(146)의 상부에는 산화물 반도체층(150)이 배치되어 있다. 도시되어 있지는 않으나, 산화물 반도체층(150)의 상부에는 보호층이 배치될 수 있다. 본 실시예에서는 게이트 전극(120), 게이트 절연막(130), 소스 전극(144) 및 드레인 전극(146), 산화물 반도체층(150)이 순서대로 적층되어 있으나, 배치 순서나 위치가 다르게 형성될 수 있다.
소스 전극(144) 및 드레인 전극(146)은 서로 이격되어 형성되며 산화물 반도체층(150)과 적어도 일부가 중첩하게 된다. 즉, 소스 전극(144)은 산화물 반도체층(150)과 적어도 일부분이 중첩되고, 드레인 전극(146)은 산화물 박막 트랜지스터의 채널부를 중심으로 소스 전극(144)과 대향하며 산화물 반도체층(150)과 적어도 일부분이 중첩된다.
소스 전극(144) 및 드레인 전극(146)은 산화물 반도체층(150)과 직접 접촉하여 오믹 콘택(Ohmic contact)을 형성하는 물질로 구성될 수 있는데, 산화물 반도체층(150)을 구성하는 물질보다 일함수(work function)가 작은 물질로 이루어지면 두 층간에 오믹 콘택이 이루어질 수 있다. 한편, 실시예에 따라서는 소스 전극(144) 및 드레인 전극(146)과 산화물 반도체층(150)이 중첩하는 영역에만 형성되어 있는 저항성 접촉층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 저항성 접촉층은 오믹 콘택이 이루어지도록 도움을 주는 역할을 수행한다.
소스 전극(144) 및 드레인 전극(146)은 게이트 전극(120)과 마찬가지로 알루미늄(Al)과 알루미늄 합금 등 알루미늄 계열의 금속, 은(Ag)과 은 합금 등 은 계열의 금속, 구리(Cu)와 구리 합금 등 구리 계열의 금속, 몰리브덴(Mo)과 몰리브덴 합금 등 몰리브덴 계열의 금속, 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 등으로 이루어질 수 있다. 또한 산화 아연(ZnO), ITO(indium tin oxide) 및 IZO(indium zinc oxide)과 같은 투명 도전성 물질로 이루어질 수도 있다.
또한, 데이터 배선은 서로 다른 두 개의 도전막(미도시)을 포함하는 다중막 구조를 가질 수 있으며, 이러한 조합의 예로는 Mo(Mo 합금)/Al(Al 합금), Ti(Ti 합금)/Al(Al 합금), Ta(Ta 합금)/Al(Al 합금), Ni(Ni 합금)/Al(Al 합금), Co(Co 합금)/Al(Al 합금), Ti(Ti 합금)/Cu(Cu 합금), Cu(Cu 합금)/Mn(Mn 합금) 등과 같은 이중막 또는 Ti(Ti 합금)/Al(Al 합금)/Ti(Ti 합금), Ta(Ta 합금)/ Al(Al 합금)/Ta(Ta 합금), Ti(Ti 합금)/Al(Al 합금)/TiN, Ta(Ta 합금)/Al(Al 합금)/TaN, Ni(Ni 합금)/Al(Al 합금)/Ni(Ni 합금), Co(Co 합금)/Al(Al 합금)/Co(Co 합금), Mo(Mo 합금)/Al(Al 합금)/Mo(Mo 합금) 등과 같은 삼중막을 들 수 있다.
특히 데이터 배선으로 Cu 또는 Cu 합금을 적용할 경우에는, 데이터 배선과 화소 전극(미도시)과의 오믹 콘택 특성은 큰 문제가 없기 때문에 데이터 배선으로 Cu 또는 Cu 합금막과 산화물 반도체층(150)의 사이에 Mo, Ti 또는 Ta를 포함하는 막이 적용된 이중막이 적용될 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 소스 전극(144) 및 드레인 전극(146)은 다양한 여러 가지 금속과 도전체로 만들어질 수 있다.
드레인 전극(146)은 화소 전극(도시하지 않음)과 전기적으로 연결될 수 있으며, 화소 전극에 인가된 전압에 의하여 전계가 형성되며, 그 전계에 따라서 계조 표현이 가능하도록 할 수 있다.
소스 전극(144) 및 드레인 전극(146)의 상부에는 금속 산화물을 포함하는 산화물 반도체층(150)이 형성되어 있다. 산화물 반도체층(150)은 금속 무기염(metal inorganic salt)을 더 포함할 수 있다. 산화물 반도체층(150)은 게이트 전극(120)과도 중첩되며, 산화물 반도체층(150)과 게이트 전극(120)의 사이에는 게이트 절연막(130)과 소스 전극(144) 및 드레인 전극(146)이 배치되어 있다.
산화물 반도체층(150)은 금속 이온과 유기 리간드에 의해 형성된 금속 착화합물을 포함하고, 하기 화학식 (1)로 표시되는 산화물 반도체의 전구체 조성물 및 용매를 포함하는 금속 화합물 용액을 코팅한 후 열처리하여 형성된다.
MAn 화학식 (1)
여기서, M은 금속 이온이며 A는 알파 치환된 카르복실레이트(α-substituted carboxylate)를 포함하며, n은 자연수이다.
상기 화학식 (1)에서 A는 알파 치환된 아미노산(α-substituted amino acid), 알파 치환된 히드록시산(α-substituted hydroxyl acid), 알파 치환된 케토산(α-substituted keto acid), 및 알파 치환된 티오산(α-substituted thio acid) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 알파 치환된 아미노산(α-substituted amino acid)은 알라닌(alanine), 세린(serine), 글리신(glycine), 시스테인(cysteine), 프롤린(proline), 및 사르코신(sarcosine) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 알파 치환된 히드록시산(α-substituted hydroxyl acid)은 2-히드록시 아세트산(2-hydroxy acetic acid) 또는 젖산(lactic acid)을 포함할 수 있다.
상기 알파 치환된 케토산(α-substituted keto acid)은 피루브산(pyruvic acid) 또는 글리옥실산(glyoxylic acid)을 포함할 수 있다.
상기 알파 치환된 티오산(α-substituted thio acid)은 티오락트산(thiolactic acid) 또는 티오글리콜산(thioglycolic acid)을 포함할 수 있다.
좀 더 구체적으로 상기 화학식 (1)은 하기 화학식 (2)로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
Figure 112011020929514-pat00003
화학식 (2)
여기서, M은 금속 이온이고, X는 NH2, OH, O, SH 중 적어도 하나이며, R은 수소(H) 또는 알킬 그룹(alkyl group)이고, n은 1 내지 3일 수 있다.
상기 금속 이온은 Zinc(Zn), Tin(Sn), Indium(In), Galium(Ga), lithium(Li), sodium(Na), potassium(K), rubidium(Rb), cesium(Cs), beryllium(Be), aluminum(Al), barium(Ba), zirconium(Zr), hafnium(Hf), vanadium(V), yttrium(Y), niobium(Nb), tantalum(Ta), chromium(Cr), molybdenum(Mo), tungsten(W), manganese(Mn), technetium(Tc), rhenium(Re), iron(Fe), ruthenium(Ru), osmium(Os), cobalt(Co), rhodium(Rh), iridium(Ir), nickel(Ni), palladium(Pd), platinum(Pt), gold(Au), mercury(Hg), boron(B), thallium(Tl), silicon(Si), phosphorus(P), arsenic(As), lanthanum(La), cerium(Ce), gadolinium(Gd), Neodymiun(Nd), Tellurium(Te), Scandium(Sc), Polonium(Po), Praseodymiun(Pr), Terbium(Tb), Dysprosium(Dy), Holmium(Ho), Europium(Eu), Erbium(Er), 및 Ytterbium(Yb) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 금속 이온과 상기 유기 리간드의 몰 비율은 1:0.2 내지 1:10일 수 있다. 상기 몰 비율의 범위를 벗어나면 박막 트랜지스터의 특성이 나빠진다.
상기 금속 화합물 용액은 안정제(stabilizer)를 더 포함할 수 있다. 상기 안정제는 다이케톤(diketone), 아미노 알코올(amino alcohol) 및 폴리아민(polyamine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함한다.
상기 용매로는 물, 에테르 및 알코올로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함한다.
한편, 도시되지는 않았으나 상기 산화물 반도체층(150)의 상부에는 보호막이 배치될 수 있다. 상기 보호막은 산화 규소(SiOx) 및 질화 규소(SiNx)가 적층된 다층막을 사용할 수 있으며, 산화 규소(SiOx)층이 산화물 반도체층(150)과 접하게 함으로써, 채널층의 열화를 방지할 수 있다.
이하에서는 도 2를 참조하여 본 발명의 다른 일 실시예에 대하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 트랜지스터 표시판의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 박막 트랜지스터 기판(200)은 절연 기판(210), 게이트 전극(220), 게이트 절연막(230), 소스 전극(244), 드레인 전극(246), 및 산화물 반도체층(250)을 포함한다.
절연 기판(210) 위에 게이트 신호를 전달하는 게이트 배선의 일부인 게이트 전극(220)이 배치되어 있다. 절연 기판(210) 및 게이트 전극(220)의 위에는 게이트 절연막(230)이 배치되어 있다. 게이트 절연막(230)의 상부에는 게이트 전극(220)과 중첩되도록 산화물 반도체층(250)이 배치되어 있다. 산화물 반도체층(250)의 상부에는 소스 전극(244) 및 드레인 전극(246)이 배치되어 있다. 소스 전극(244) 및 드레인 전극(246)은 산화물 반도체층(250)과 적어도 일부가 중첩하고 서로 이격되어 형성된다. 즉, 산화물 반도체층(250)은 상기 게이트 절연막(230)과 상기 소스 전극(244) 및 드레인 전극(246)의 사이에 배치되어 있다. 소스 전극(244) 및 드레인 전극(246)의 상부에는 산화 규소층을 포함하는 보호막(미도시)이 배치될 수 있다.
본 실시예의 구성 요소인 절연 기판(210), 게이트 전극(220), 게이트 절연막(230), 소스 전극(244), 드레인 전극(246), 및 산화물 반도체층(250)에 대한 자세한 설명은 앞선 실시예에서 설명한 바와 동일하므로 생략한다.
이상의 실시예들에서는 게이트 전극이 산화물 반도체층 아래에 배치된 바텀 게이트 구조(bottom gate structure)에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 게이트 전극이 산화물 반도체층 위에 배치된 탑 게이트 구조(top gate structure)에서도 적용될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 박막 트랜지스터 기판의 제조 과정을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막 트랜지스터 표시판에 포함되는 산화물 반도체의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
본 실시예에 따른 박막 트랜지스터 표시판의 제조 방법은 금속 이온 및 유기 리간드에 의해 형성된 금속 착화합물 및 용매를 포함하는 금속 화합물 용액을 준비하는 단계(S1), 상기 금속 화합물 용액을 기판 위에 코팅하는 단계(S2), 상기 금속 화합물 용액을 전처리하는 단계(S3) 및 상기 금속 화합물 용액을 열처리하는 단계(S4)를 포함한다.
금속 화합물 용액을 준비하는 단계(S1)에서는 소정의 용매에 금속 이온염 화합물을 첨가하여 교반한다. 상기 금속 이온염 화합물은 금속 이온과 유기 리간드에 의해 형성된 금속 착화합물이고, 하기 화학식 (1)로 표시되는 산화물 반도체의 전구체이다.
MAn 화학식 (1)
여기서, M은 금속 이온이며 A는 알파 치환된 카르복실레이트(α-substituted carboxylate)를 포함하며, n은 자연수이다.
상기 화학식 (1)에서 A는 알파 치환된 아미노산(α-substituted amino acid), 알파 치환된 히드록시산(α-substituted hydroxyl acid), 알파 치환된 케토산(α-substituted keto acid), 및 알파 치환된 티오산(α-substituted thio acid) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 알파 치환된 아미노산(α-substituted amino acid)은 알라닌(alanine), 세린(serine), 글리신(glycine), 시스테인(cysteine), 프롤린(proline), 및 사르코신(sarcosine) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 알파 치환된 히드록시산(α-substituted hydroxyl acid)은 2-히드록시 아세트산(2-hydroxy acetic acid) 또는 젖산(lactic acid)을 포함할 수 있다.
상기 알파 치환된 케토산(α-substituted keto acid)은 피루브산(pyruvic acid) 또는 글리옥실산(glyoxylic acid)을 포함할 수 있다.
상기 알파 치환된 티오산(α-substituted thio acid)은 티오락트산(thiolactic acid) 또는 티오글리콜산(thioglycolic acid)을 포함할 수 있다.
좀 더 구체적으로 상기 화학식 (1)은 하기 화학식 (2)로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
Figure 112011020929514-pat00004
화학식 (2)
여기서, M은 금속 이온이고, X는 NH2, OH, O, SH 중 적어도 하나이며, R은 수소(H) 또는 알킬 그룹(alkyl group)이고, n은 1 내지 3일 수 있다.
상기 금속 이온은 Zinc(Zn), Tin(Sn), Indium(In), Galium(Ga), lithium(Li), sodium(Na), potassium(K), rubidium(Rb), cesium(Cs), beryllium(Be), aluminum(Al), barium(Ba), zirconium(Zr), hafnium(Hf), vanadium(V), yttrium(Y), niobium(Nb), tantalum(Ta), chromium(Cr), molybdenum(Mo), tungsten(W), manganese(Mn), technetium(Tc), rhenium(Re), iron(Fe), ruthenium(Ru), osmium(Os), cobalt(Co), rhodium(Rh), iridium(Ir), nickel(Ni), palladium(Pd), platinum(Pt), gold(Au), mercury(Hg), boron(B), thallium(Tl), silicon(Si), phosphorus(P), arsenic(As), lanthanum(La), cerium(Ce), gadolinium(Gd), Neodymiun(Nd), Tellurium(Te), Scandium(Sc), Polonium(Po), Praseodymiun(Pr), Terbium(Tb), Dysprosium(Dy), Holmium(Ho), Europium(Eu), Erbium(Er), 및 Ytterbium(Yb) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 금속 이온과 상기 유기 리간드의 몰 비율이 1:0.2 내지 1:10이되도록 형성할 수 있다. 상기 몰 비율의 범위를 벗어나면 박막 트랜지스터의 특성이 나빠진다.
상기 용매로는 물, 에테르 및 알코올로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 사용한다.
다음으로, 상기 금속 화합물 용액을 기판 상에 코팅하는 단계(S2)를 수행한다. 상기 기판으로는 박막 트랜지스터 기판에서 채널층이 형성되지 않은 기판을 사용할 수 있다. 즉, 상기 기판은 절연 기판 상에 게이트 전극, 게이트 절연막, 소스 전극 및 드레인 전극이 형성된 기판일 수 있다. 또는 상기 기판은 절연 기판 상에 게이트 전극 및 게이트 절연막이 형성된 기판일 수 있다. 본 발명은 이에 한정되지 않으며 제조하고자 하는 박막 트랜지스터의 구조에 따라 상기 기판의 구조는 달라질 수 있다.
상기 코팅하는 단계(S2)는 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 바 코팅(bar coating), 스크린 프린팅(screen printing), 슬라이드 코팅(slide coating), 롤 코팅(roll coating), 스프레이 코팅(spray coating), 슬롯 코팅(slot coating), 딥-펜(dip-pen), 잉크젯(ink jet), 나노 디스펜싱(nano dispensing) 중 하나의 방법을 이용할 수 있다.
다음으로, 금속 화합물 용액으로 코팅된 기판을 전처리 하는 단계(S3)를 포함한다. 상기 전처리 단계(S3)는 자외선(ultraviolet rays)에 소정의 시간 동안 노출하는 과정을 수행한다. 이 때, 상기 금속 착화합물의 리간드 구조가 일부 깨져 금속 산화물을 형성한다.
다음으로, 금속 화합물 용액으로 코팅된 기판을 열처리 하는 단계(S4)를 수행한다. 상기 열처리하는 단계(S4)는 섭씨 250도 이하의 온도 범위 내에서 실시된다.
열처리 온도가 섭씨 100도 보다 작은 경우에는 금속 산화물의 형성이 원활하게 이루어지지 않으며 제조된 산화물 반도체층이 박막 트랜지스터의 채널층으로서의 역할을 잘 할 수 없게 된다. 열처리 온도가 섭씨 250도 보다 높은 경우에는 박막 트랜지스터 기판의 전체 공정 과정에서 사용되는 온도 범위를 벗어나게 되며 저온 공정이 가능한 장점을 잃게 된다.
상기 열처리 단계(S4)를 수행함으로써, 상기 금속 화합물 용액의 용매와 안정제 등 기타 첨가제는 제거되면서 금속 산화물을 포함하는 산화물 반도체층이 형성된다.
열처리 단계(S4) 후에는 형성된 산화물 반도체층을 식각하여 원하는 위치에만 남기는 공정을 수행할 수 있다. 산화물 반도체층을 식각함에 있어서는 다양한 방식으로 식각(건식 식각, 습식 식각 등)할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 산화물 반도체층 위에 감광막을 적층하고, 감광막을 마스크 등으로 노광하고 현상하여 특정 패턴을 형성하고, 패터닝된 감광막을 기초로 식각액을 제공하여 습식 식각하여 원하는 패턴을 형성할 수 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명의 박막 트랜지스터의 제조 방법을 보다 자세히 설명하나 본 발명의 범주가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
용매인 에탄올에 염화인듐(InCl3)과 글리신(Glycine)을 첨가한 후 일정 시간동안 교반하여 금속 화합물 용액을 준비하였다.
유리 기판 상에 Mo/ITO 금속으로 게이트, 산화규소로 게이트 절연막을 형성하고, ITO로 소스-드레인을 패터닝하여 형성한 다음 상기 ITO 소스-드레인 상에 상기 금속 화합물 용액을 스핀코팅으로 코팅하였다. 다음으로 자외선에 대략 20분 동안 노출하였다. 그 다음으로, 섭씨 250도에서 1시간 동안 열처리하였다. 그 다음으로 실온에서 약 10분 동안 냉각하여 산화인듐을 포함하는 산화물 박막이 형성되었으며, 상기 산화물 박막을 채널층으로 하여 박막 트랜지스터가 제조되었다.
실시예 2
용매인 에탄올에 염화인듐(InCl3)과 세린(Serine)을 첨가한 후 일정 시간동안 교반하여 금속 화합물 용액을 준비하였다.
상기 실시예 1과 동일한 조건으로 진행하여 산화인듐을 포함하는 산화물 박막이 형성되었으며, 상기 산화물 박막을 채널층으로 하여 박막 트랜지스터가 제조되었다.
특성 측정
도 4는 실시예 1 및 실시예 2에 의해 제조된 박막 트랜지스터의 전달 곡선(transfer curve)을 나타내는 그래프이다. 게이트 전압(Vg)의 인가에 따라 산화인듐을 포함하는 산화물 반도체층을 통하여 흐르는 전류(Id)를 나타낸다.
도 4를 참고하면, 산화물 반도체의 전구체가 글리신(Glycine)을 포함한 경우에 박막 트랜지스터의 전하 이동도는 0.1cm2/Vs, 107 이상의 on-off 전류 비율을 나타내고, 산화물 반도체의 전구체가 세린(Serine)을 포함한 경우에 박막 트랜지스터의 전하 이동도는 0.58cm2/Vs, 107 이상의 on-off 전류 비율을 나타냈다.
도 4의 그래프에는 나타내지 않았지만, 다른 실시예로 산화물 반도체의 전구체에 프롤린(Proline)을 포함하여 박막 트랜지스터를 제조한 경우에 전하 이동도는 2.2cm2/Vs, 107 이상의 on-off 전류 비율을 나타냈다.
이와 같이, 본 실시예에 의해 제조된 산화물 반도체층은 박막 트랜지스터(TFT)의 채널 영역을 이루는데 적절한 성능을 가지고 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
110, 210 절연 기판 120, 220 게이트 전극
130, 230 게이트 절연막 144, 244 소스 전극
146, 246 드레인 전극 150, 250 산화물 반도체층

Claims (21)

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  10. 금속 이온과 유기 리간드에 의해 형성된 금속 착화합물 및 용매를 포함하는 금속 화합물 용액을 준비하는 단계;
    상기 금속 화합물 용액을 기판 상에 코팅하는 단계;
    자외선을 조사하여 상기 금속 화합물 용액을 전처리하는 단계, 그리고
    상기 금속 화합물 용액을 열처리하는 단계를 포함하고,
    상기 금속 착화합물은 하기 화학식 (1)로 표시되는 박막 트랜지스터 표시판의 제조 방법:
    MAn 화학식 (1)
    (M은 금속 이온이며, A는 알라닌(alanine), 세린(serine), 글리신(glycine), 시스테인(cysteine), 프롤린(proline), 및 사르코신(sarcosine) 중 적어도 하나를 포함하는 알파 치환된 아미노산(α-substituted amino acid)이며, n은 자연수임).
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제10항에서,
    상기 금속 화합물 용액을 열처리하는 단계는 섭씨 250도 이하의 온도에서 수행하는 박막 트랜지스터 표시판의 제조 방법.
  14. 삭제
  15. 제13항에서,
    상기 화학식 (1)은 하기 화학식 (2)로 표시되는 화합물을 포함하는 박막 트랜지스터 표시판의 제조 방법:
    Figure 112017096258192-pat00006
    화학식 (2)
    (M은 금속 이온이고, X는 NH2, OH, O, SH 중 적어도 하나이며, R은 수소(H) 또는 알킬 그룹(alkyl group)이고, n은 1 내지 3이다).
  16. 제15항에서,
    상기 금속 이온은 Zinc(Zn), Tin(Sn), Indium(In), Galium(Ga), lithium(Li), sodium(Na), potassium(K), rubidium(Rb), cesium(Cs), beryllium(Be), aluminum(Al), barium(Ba), zirconium(Zr), hafnium(Hf), vanadium(V), yttrium(Y), niobium(Nb), tantalum(Ta), chromium(Cr), molybdenum(Mo), tungsten(W), manganese(Mn), technetium(Tc), rhenium(Re), iron(Fe), ruthenium(Ru), osmium(Os), cobalt(Co), rhodium(Rh), iridium(Ir), nickel(Ni), palladium(Pd), platinum(Pt), gold(Au), mercury(Hg), boron(B), thallium(Tl), silicon(Si), phosphorus(P), arsenic(As), lanthanum(La), cerium(Ce), gadolinium(Gd), Neodymiun(Nd), Tellurium(Te), Scandium(Sc), Polonium(Po), Praseodymiun(Pr), Terbium(Tb), Dysprosium(Dy), Holmium(Ho), Europium(Eu), Erbium(Er), 및 Ytterbium(Yb) 중에서 적어도 하나를 포함하는 박막 트랜지스터 표시판의 제조 방법.
  17. 제16항에서,
    상기 금속 이온과 상기 유기 리간드의 몰 비율이 1:0.2 내지 1:10이 되도록 형성하는 박막 트랜지스터 표시판의 제조 방법.
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  21. 삭제
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