KR102168574B1 - 대기압 플라즈마 공정을 이용한 용액공정 금속산화물 tft의 제조방법 - Google Patents

대기압 플라즈마 공정을 이용한 용액공정 금속산화물 tft의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용액 공정을 이용하여 제조된 금속 산화물 반도체 박막 트랜지스터(TFT)의 온/오프(on/off) 전류비 및 문턱전압을 비롯한 전기적 특성을 대기압 플라즈마 공정 후처리에 의해 간단하면서 효과적으로 제어할 수 있는 대기압 플라즈마 공정을 이용하여 우수한 전기적 특성을 갖는 용액공정 금속산화물 반도체 박막 트랜지스터 (TFT)의 제조방법을 제공할 수 있다.

Description

대기압 플라즈마 공정을 이용한 용액공정 금속산화물 TFT의 제조방법 {Method For Controlling Electrical Properties of Solution Metal Oxide TFT by Atmospheric Pressure Plasma Process}
본 발명은 대기압 플라즈마 공정을 이용하여 우수한 전기적 특성을 갖는 용액공정 금속산화물 반도체 박막 트랜지스터 (TFT)의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용액 공정을 이용하여 제조된 금속 산화물 반도체 박막 트랜지스터(TFT)의 온/오프(on/off) 전류비 및 문턱전압을 비롯한 전기적 특성을 대기압 플라즈마 공정 후처리에 의해 간단하면서 효과적으로 제어할 수 있는 대기압 플라즈마 공정을 이용하여 우수한 전기적 특성을 갖는 용액공정 금속산화물 반도체 박막 트랜지스터 (TFT)의 제조방법에 관한 것이다.
금속 산화물 반도체 박막 트랜지스터 (TFT)는 광학적으로 투명하며, 우수한 안정성 및 높은 이동도를 비롯한 우수한 전기적 특성을 보이기 때문에, 미래 디스플레이의 스위칭 소자로서 각광받아 왔다. 이에 우수한 산화물 반도체 박막을 형성하기 위한 다양한 기술들이 연구되어 왔으며, 이중에서 용액 공정을 이용하여 산화물 반도체 TFT를 제조하는 방법은 롤투롤(roll to roll) 공정이나 잉크젯(inkjet) 공정 등의 기술에 접목하여 저렴하고 빠른 공정을 가능하게 하기 때문에 큰 각광을 받아왔다. 다만, 이러한 용액 공정을 이용하여 제조된 산화물 반도체 TFT는 트랩, 결함 등의 문제로 인하여 기존 스퍼터링(sputtering)을 비롯한 진공공정을 이용하여 제조된 산화물 반도체 TFT 대비 낮은 전기적 특성을 보여왔다.
최근 수용액 기반의 InOx 산화물 반도체 TFT가 제안되었다. 순수한 물을 용매로 사용하는 이들 방법은 일반적인 용액 공정과 다르게 굉장히 우수한 이동도를 갖는 용액 공정 InO 산화물 반도체 TFT 구현을 가능케 했다. 그러나, Zn, Ga 등을 제외한 In 만을 사용하여야 하기 때문에, 온/오프(on/off) 전류비, 문턱접압(threshold voltage) 조절의 문제가 존재했다.
일반적으로 이러한 온/오프(on/off) 전류비 및 문턱전압을 조절하기 위해서는 용액 공정 산화물 반도체의 전하농도를 조절해야 한다. 최근, 이러한 전하 농도를 조절하기 위한 직접적인 방법으로 In-O 결합 대비 훨씬 강한 Ga-O 결합을 형성시켜 산소 공공(oxygen vacancy) 발생을 억제하는 Ga 첨가 방법이 널리 사용되고 있다.
그러나, Ga의 첨가는 TFT의 이동도를 저하시키고 용액 제조에 복잡한 과정이 추가되기 때문에 비용이 높아지는 단점이 있다.
기타 방법으로 진공 플라즈마를 후 처리로 이용하는 간접적인 방법이 있으나, 용액 공정 산화물 반도체 TFT는 대기 조건에서 만들어지는 부분에서 장점을 얻기 때문에 진공 플라즈마 후처리 공정의 적용이 힘들다는 단점이 있다.
따라서 수용액 기반의 산화물 반도체 TFT가 별도의 추가 공정없이 대기 조건에서 제조되면서도 전기적 특성을 유지할 수 있도록 한 기술에 대한 연구 및 개발이 요구되는 실정이다.
한국 특허공개공보 제10-2010-0057023호 (2010.05.28) 한국 등록특허공보 제10-0305877호 (2001.08.02)
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 용액공정으로 제작된 금속산화물 TFT에 대기압 플라즈마 후처리를 통해 간단하면서 효과적으로 온/오프(on/off) 전류비(current ratio) 및 문턱전압을 포함하여 전기적 특성을 조절할 수 있는 대기압 플라즈마 공정을 이용하여 우수한 전기적 특성을 갖는 용액공정 금속산화물 반도체 박막 트랜지스터 (TFT)의 제조방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 대기압 플라즈마 공정을 이용하여 우수한 전기적 특성을 갖는 용액공정 금속산화물 반도체 박막 트랜지스터 (TFT)의 제조방법은,
(1) 금속 산화물을 포함하는 전구체 용액을 제조하는 단계;
(2) 상기 전구체 용액을 기판 상에 도포하여 산화물 박막을 형성시키는 단계;
(3) 상기 산화물 박막을 어닐링(annealing)하는 단계;
(4) 상기 산화물 박막을 대기압 플라즈마(atmospheric plasma)를 이용하여 표면 처리하는 단계;
(5) 상기 대기압 플라즈마 공정 진행동안 상기 기판의 온도를 제어하는 단계; 및
(6) 표면 처리된 상기 산화물 박막에 소스와 드레인 전극을 형성시키는 단계;를 포함할 수 있다.
따라서, 기존의 용액 기반의 TFT에서 진공 플라즈마 적용의 난점을 극복하기 위하여 용액공정으로 제작된 금속산화물 TFT에 특정 조건의 대기압 플라즈마 후처리를 통해 간단하면서 효과적으로 온/오프(on/off) 전류비(current ratio) 및 문턱전압 등의 우수한 전기적 특성을 조절할 수 있다.
본 발명의 하나의 바람직한 예에서, 상기 기판의 온도는 150 내지 350℃ 범위에서 제어되도록 수행될 수 있다.
본 발명의 하나의 바람직한 예에서, 상기 대기압 플라즈마에 의한 표면 처리 과정은 플라즈마 소스 전력 500 내지 900 Watt 크기로 1 내지 15분 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 하나의 바람직한 예에서, 상기 전구체 용액은 0.1 내지 0.3M 농도를 갖을 수 있다.
본 발명의 하나의 바람직한 예에서, 상기 어닐링 과정은 150 내지 350℃ 범위에서 수행될 수 있다.
본 발명의 하나의 바람직한 예에서, 상기 금속 산화물은 Al, Fe, Sn, Ca, Si, Ge, Se, Sb, Te, Bi, As, B, Zn 및 Ga 중 어느 하나 이상의 무기입자를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은 전술한 제조방법으로 제조된 박막 트랜지스터를 제공한다.
본 발명의 하나의 바람직한 예에서, 상기 박막 트랜지스터는 온/오프 전류비(on/off current ratio)가 103 내지 109 범위 및 이동도(field-effect mobility)가 26.5 이하 cm2 V-1·S-1 범위를 갖을 수 있다.
본 발명의 하나의 바람직한 예에서, 상기 박막은 10nm 이하의 두께를 갖을 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 박막 트랜지스터(TFT)를 포함하는 전자 소자를 제공한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 대기압 플라즈마 공정을 이용한 용액공정 금속산화물 TFT의 전기적 특성 제어방법은 종래 용액 공정으로 제작된 금속산화물 반도체 TFT의 on/off 전류비 및 문턱전압을 간단하면서도 효과적으로 제어할 수 있다. 즉, 대기압 플라즈마 공정은 기존의 Zn, Ga 등을 넣어 전기적 특성을 제어하는 방법과는 달리 이동도에 크게 영향을 주지 않으면서 On/off 전류비 및 문턱전압을 제어할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 대기압 플라즈마 후처리를 포함한 전기적 특정 조절 방법의 공정 흐름을 나타낸 도면이다;
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 대기압 플라즈마 후처리 시간에 따른 전기적 특성 변화를 나타내는 그래프이다;
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 대기압 플라즈마 후처리 시간에 따른 이동도의 변화를 나타낸 그래프이다;
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 대기압 플라즈마 후처리 시간에 따른 활성 에너지 변화를 나타내는 그래프이다;
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 대기압 플라즈마 후처리 시간에 따른 투명도 변화를 나타내는 그래프이다;
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 XPS를 사용하여 대기압 플라즈마 공정 시간에 따른 InOx 박막의 oxygen vacancy 변화를 나타낸 그래프이다;
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 UV-Visible spectroscopy 분석을 통한 광(optical) 밴드갭의 변화를 통해 전하 농도의 변화를 나타내는 그래프이다;
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 대기압 플라즈마 후처리에서 시간이 미치는 영향을 나타내는 그래프이다;
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 대기압 플라즈마 후처리에서 기판 온도가 미치는 영향을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 구현예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 구현예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 여기서 소개되는 구현예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 각 장치의 구성요소를 명확하게 표현하기 위하여 상기 구성요소의 폭이나 두께 등의 크기를 다소 확대하여 나타냈다. 전체적으로 도면 설명 시 관찰자 시점에서 설명하였고, 일 요소가 다른 요소 위에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 요소가 다른 요소 위에 바로 위치하거나 또는 그들 요소들 사이에 추가적인 요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다. 또한, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 사상을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그리고, 복수의 도면들 상에서 동일 부호는 실질적으로 서로 동일한 요소를 지칭한다.
한편, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 기술되는 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또, 방법 또는 제조 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
상술한 바와 같이, 종래에는 용액 기반의 산화물 반도체 TFT의 경우에 낮은 전기적 특성을 나타내므로 이를 보완하기 위하여 진공 공정으로 제조되는 TFT의 경우에 별도로 고가의 진공 플라즈마 장치를 통하 공정이 추가하여야 하는 문제점이 있었다. 또한, Zn, Ga 등의 원소를 첨가하여 전하 농도를 조절하는 방법도 고려할 수 있으나 이 경우에 실제 기술에 요구되는 이동도에 상당히 미치지 못하는 특성을 나타내는 문제점이 있었다.
이에 본 발명에서는 특정 조건의 대기압 플라즈마 기술을 간단히 용함으로써, 고이동도를 가지면서 전기적 특성을 제어할 수 있도록 하여 전술한 문제점의 해결을 모색하였다.
도 1에는 본 발명에 따른 대기압 플라즈마 후처리를 포함하는 전기적 특성 조절 방법의 공정 흐름을 나타낸 도면이 도시되어 있다.
본 발명에 따르면, 금속 산화물을 포함하는 전구체 용액을 제조하는 과정, 상기 전구체 용액을 기판 상에 도포하여 산화물 박막을 형성시키는 과정, 상기 산화물 박막을 가열(annealing)하는 과정, 상기 산화물 박막을 대기압 플라즈마(atmospheric plasma)를 이용하여 표면 처리하는 과정, 상기 대기압 플라즈마 공정 진행동안 상기 기판의 온도를 제어하는 과정 및 표면 처리된 상기 산화물 박막에 소스와 드레인 전극을 형성시키는 과정으로 이루어져 있다.
먼저, 반도체 박막을 형성시키기 위하여 상기 전구체 용액을 제조하고 이를 상기 기판 상에 도포 및 건조하여 산화물 박막을 형성시킨다.
여기서, 상기 전구체 용액은 특별히 한정되는 것은 아니며, Al, Fe, Sn, Ca, Si, Ge, Se, Sb, Te, Bi, As, B, Zn 및 Ga 중 어느 하나의 무기입자를 포함할 수 있고, 예를 들어, 인듐(In)을 기반으로 하는 산화물로서 용매에 용해시켜 조건에 따라서 소정의 농도를 갖도록 제조될 수 있다.
특히, 상기 전구체 용액은 금속염 또는 금속 할로젠화물을 이용할 경우에 용이하게 다양한 용매에 용질을 용해하는 것이 가능하게 되고, 또한 높은 전자 전달 특성이 얻어지기 쉽다. 금속염으로서는, 황산염, 인산염, 탄산염, 아세트산염, 옥살산염 등, 금속 할로젠화물로서는 염화물, 아이오딘화물, 브로민화물 등을 들 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서의 용액은, 용액 중에 금속 산화물 입자 등의 불용물을 포함하지 않는 용액을 이용하는 것이 바람직하다. 용액 중에 금속 산화물 입자 등의 불용물을 포함하지 않는 용액을 이용함으로써 금속 산화물 반도체막을 형성했을 때의 표면 거칠기가 작아져, 면내 균일성이 우수한 금속 산화물 반도체막을 형성할 수 있다.
본 발명에 있어서의 용액에 이용하는 용매는, 용질로서 이용하는 아연 및 주석을 함유하는 화합물이 용해되는 것이면 특별히 제한되는 바는 아니며, 예를 들면, 물, 알코올 용매(메탄올, 에탄올, 프로판올, 에틸렌글라이콜등), 아마이드 용매(폼아마이드, N,N-다이메틸폼아마이드 등), 케톤 용매(아세톤, N-메틸피롤리돈, 설포레인, N,N-다이메틸이미다졸리딘온 등), 에터 용매(테트라하이드로퓨란, 메톡시에탄올 등), 나이트릴 용매(아세토나이트릴 등), 복소환식 화합물(피리딘, 싸이아졸 등), 그 외 상기 이외의 헤테로 원자 함유 용매 등을 들 수 있다. 특히 용해성, 도포성의 관점에서 메탄올, 메톡시에탄올, 또는 물을 이용하는 것이 바람직하다.
또, 상기 전구체 용액을 상기 기판 상에 도포하는 방법으로는 예를 들면, 스프레이 코트법, 스핀 코트법, 블레이드 코트법, 딥 코트법, 캐스트법, 롤 코트법, 바 코트법, 다이 코트법, 미스트법, 잉크젯법, 디스펜서법, 스크린 인쇄법, 볼록판 인쇄법, 및 오목판 인쇄법 등을 들 수 있다. 특히, 미세 패턴을 용이하게 형성하는 관점에서, 잉크젯법, 디스펜서법, 볼록판 인쇄법, 및 오목판 인쇄법으로부터 선택되는 적어도 1종의 도포법을 이용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 이러한 산화물 반도체막의 두께는 특별히 한정되는 것은 아니나, 상기 반도체 박막의 두께가 감소할수록 전기적 특성의 변화가 크지만 상기 반도체 박막의 두께가 10nm 이하인 경우에 전기적 특성에 큰 영향을 미치는 것은 아니므로 상기 반도체 박막의 두께가 대략 10nm 이하인 경우가 바람직하다.
상기 기판은 특별히 한정되는 것은 아니며, 단층 또는 적층 구조도 가능하며, 예를 들어, 예를 들면, YSZ(Yttria-Stabilized Zirconia; 이트륨 안정화 지르코늄), 유리 등의 무기 기판, 수지 기판, 혹은, 그 복합 재료 등을 이용할 수 있다. 그 중에서도 경량인 점 및 가요성을 갖는 점에서 수지 기판 또는 그 복합 재료가 바람직하다. 구체적으로는, 폴리뷰틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리뷰틸렌나프탈레이트, 폴리스타이렌, 폴리카보네이트, 폴리설폰, 폴리에터설폰, 폴리아릴레이트, 알릴다이글라이콜카보네이트, 폴리아마이드, 폴리이미드, 폴리아마이드이미드, 폴리에터이미드, 폴리벤즈아졸, 폴리페닐렌설파이드, 폴리사이클로올레핀, 노보넨 수지, 폴리클로로트라이플루오로에틸렌 등의 불소 수지, 액정 폴리머, 아크릴 수지, 에폭시 수지, 실리콘 수지, 아이오노머 수지, 사이아네이트 수지, 가교 푸마르산 다이에스터, 환상 폴리올레핀, 방향족 에터, 말레이미드-올레핀, 셀룰로스, 에피설파이드 화합물 등의 합성 수지 기판, 산화 규소 입자와의 복합 플라스틱 재료, 금속 나노 입자, 무기 산화물 나노입자, 무기 질화물 나노 입자 등과의 복합 플라스틱 재료, 카본 섬유, 카본 나노 튜브와의 복합 플라스틱 재료, 유리 플레이크, 유리 파이버, 유리 비즈와의 복합 플라스틱 재료, 점토 광물이나 운모 파생 결정 구조를 갖는 입자와의 복합 플라스틱 재료, 얇은 유리와 상기 단독 유기 재료의 사이에 적어도 1회의 접합 계면을 갖는 적층 플라스틱 재료, 무기층과 유기층을 교대로 적층함으로서, 적어도 1회 이상의 접합 계면을 갖는 배리어 성능을 갖는 복합 재료, 스테인리스 기판 혹은 스테인리스와 이종(異種) 금속을 적층한 금속 다층 기판, 알루미늄 기판 혹은 표면에 산화 처리(예를 들면 양극 산화 처리)를 실시함으로써 표면의 절연성을 향상시킨 산화 피막이 부착된 알루미늄 기판 등을 이용할 수 있다. 또, 수지 기판은 내열성, 치수 안정성, 내용제성, 전기 절연성, 가공성, 저통기성, 또는 저흡습성 등이 우수한 것이 바람직하다. 상기 수지 기판은, 수분이나 산소의 투과를 방지하기 위한 가스 배리어층이나, 수지 기판의 평탄성이나 하부 전극과의 밀착성을 향상시키기 위한 언더코트층 등을 구비하고 있어도 된다.
이 후, 상기 산화물 박막을 가열(annealing)하는 과정이 수행된다. 여기서, 가열 처리에 의하여 도포막을 건조시키는 경우에 도포막의 유동성을 저감시켜, 최종적으로 얻어지는 금속 산화물 반도체막의 평탄성을 향상시킬 수 있다. 또, 적절한 건조 온도(200℃ 이상 300℃ 이하)를 선택함으로써, 최종적으로, 보다 전자 전달 특성이 높은 금속 산화물 반도체막이 얻어지기 쉽다. 이 때, 바람직하게는 상기 가열 온도는 150 내지 350℃ 일 수 있고 더욱 바람직하게는, 상기 가열 온도는 200 내지 300℃에서 수행될 수 있다.
가열 처리의 방법은 특별히 한정되지 않고, 핫플레이트 가열, 전기로(電氣爐) 가열, 적외선 가열, 마이크로파 가열 등으로부터 선택할 수 있다.
그 다음, 상기 산화물 박막을 대기압 플라즈마(atmospheric plasma)를 이용하여 표면 처리하되, 상기 대기압 플라즈마 공정 진행동안 상기 기판의 온도를 제어하는 과정이 수행된다.
본 발명에 따르면, 상기 대기압 플라즈마 공정은 플라즈마 소스 전력 이 대략 500 내지 900W 범위에서 1 내지 15분 동안 수행될 수 있다. 이때, 본 발명에 따르면 상기 플라즈마 소스 전력이 500 내지 800W에서 1분 내지 10분 동안 수행될 수 있고, 더욱 바람직하게는 플라즈마 소스 전력이 500 내지 700W에서 1 내지 7분 동안 수행될 수 있다.
여기서, 상기 기판의 온도를 200℃, 대기압 플라즈마의 후처리 시간을 7 분으로 고정하는 경우 파워가 미치는 영향을 나타내는 도 2에 따르면, 대기압 플라즈마 파워가 올라갈수록 우수한 효과를 보였으나, 다른 공정 조건과 비교하여 영향이 크지는 않았다.
또, 상기 기판의 온도를 200℃, 대기압 플라즈마의 파워를 9kV로 고정하는 경우 후처리 시간이 미치는 영향을 나타내는 도 8에 따르면, 시간이 지남에 따라 영향이 크게 나타난 효과를 보였다. 산화물 반도체에서는 캐리어 농도(carrier concentration)가 줄면 이동도가 줄어드는 것이 일반적이며, 시간에 따른 이동도(field-effect mobility)의 감소를 보이는 것으로 확인되었다. 그러나 Ga이나 Zn 등의 불순물을 넣는 것 대비 이동도의 감소는 매우 적었으며, 대기압 플라즈마 후처리 공정 7 분 이상부터는 비슷한 효과를 보이는 것으로 확인되었다.
이 때, 상기 기판의 온도는 150 내지 350℃ 범위로 유지될 수 있고, 바람직하게는 150 내지 250℃로 유지하는 것이 적합하다.
본 발명에 따르면, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 기판의 온도가 150℃인 경우에 대기압 플라즈마 효과가 적게 나타나나, 상기 기판의 온도가 200℃ 이상부터 on/off 전류비 및 Von (=Vgs value)이 변하는 것을 알 수 있다. 특히, 상기 기판의 온도가 250℃의 경우에 on/off 전류비 및 Von 값이 크게 변하지만 이동도 또한 감소하므로 상기 기판의 온도는 200℃가 가장 적절하다.
이와 관련하여, 본 발명에 따른 대기압 플라즈마 공정 시간에 따른 박막의 산소 공공(oxygen vacancy) 및 전하 농도 변화를 살펴보면, 본원발명의 도 6(a) 내지 도6(c)에 도시된 바와 같이, 상기 대기압 플라즈마 공정 시간이 각각 0min(untreated), 3min 및 7min으로 증가함에 따라 산소 공공(oxygen vacancy)이 감소하는 것을 확인할 수 있고, 이러한 산화물 반도체에서 산소 공공(oxygen vacancy)의 감소는 전하 농도의 감소를 의미한다.
이러한 대기압 플라즈마 공정에 따른 산소 공공 감소는 InOx 박막의 상기 캐리어 농도의 감소를 나타내는 바, 이는 본원발명의 도 4에 나타난 바와 같이, 대기압 플라즈마 공정 시간에 따라서 활성 에너지(activation energy)가 거의 수평하게 이동하며 증가하는 것을 확인할 수 있고, 상기 활성 에너지는 10V의 Vgs(게이트-소스 전압)와 온도에 따른 이동도 및 절대온도(T)의 함수 값을 나타내는 도 3의 그래프로부터 구해질 수 있다.
또, 도 7에 도시된 바와 같이, 실제로 광(optical) 밴드갭을 보았을 때, 공정 시간에 따라 광(optical) 밴드갭이 감소하는 것을 확인할 수 있고, 이에 대기압 플라즈마 공정이 진행될 때 시간 경과에 따라 전하 농도가 감소하는 것으로 예측할 수 있다.
이는 UV-Visible spectroscopy 분석을 통한 광(optical) 밴드갭의 변화를 살펴본 원리를 기반한 것으로, Bustein-Moss effect에 의해 축퇴(degeneration)된 반도체에서는 전하 농도가 증가할수록 광(optical) 밴드갭이 증가하게 되므로 InOx는 축퇴(degeneration)된 반도체가 아니지만, 트랩들이 존재하고 트랩 레벨에 일반적으로 페르미 에너지가 위치하기 때문에 전하 농도가 변하면 Bustein-Moss effect와 유사한 현상이 나타나야 함에 기반을 둔 것이다.
한편, 대기압 플라즈마 후처리 시간에 따른 투명도(optical transmittance) 변화를 나타내는 도 5의 그래프에 나타난 바와 같이, InOx에서 optical 밴드갭 경향으로 볼 때, 전술한 바와 같이, 대기압 플라즈마 처리에 따라 InOx에서 광(optical) 밴드갭 변화가 이루어지는 것을 알 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
<실시예 1> 박막 트랜지스터의 제조
하기 표 1에 따라, In(NO)3·H2O를 DI water에 넣어 0.15 M의 전구체 용액을 제조하고 48시간 동안 교반 하였다. 그 후, 5,000rpm의 스핀 코팅을 이용하여 절연체 박막 위에 10nm 두께의 InOx 박막을 형성시키고 튜브로(tube furnace)에서 250℃에서 8시간 동안 가열하였다.
그 다음, 대기압 플라즈마를 이용하여 후처리 공정을 진행하되, 700W 전력으로 7분 동안 진행하였다. 이 때, 기판의 온도는 200℃로 유지하였다.
그 후, 후처리된 반도체 박막 상에 소스 및 드레인 전극을 형성하여 간이형 박막 트랜지스터(TFT)를 제조하였다.
구분 용액 농도(M) 전력(W) 박막 두께(nm) APP
시간(min) 		기판 온도(℃)
실시예 1 0.15 700 10 7 200
실시예 2 0.1 700 10 7 200
실시예 3 0.3 700 10 7 200
실시예 4 0.15 700 10 1 200
실시예 5 0.15 700 10 3 200
실시예 6 0.15 700 10 5 200
실시예 7 0.15 700 10 7 150
실시예 8 0.15 700 10 7 250
실시예 9 0.15 700 10 8 200
비교예 1 0.15 700 10 0 200
비교예 2 0.15 700 10 7 130
비교예 3 0.05 700 10 7 200
<실시예 2~8>
상기 표 1에 따른 조건을 달리한 점을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 박막 트랜지스터를 제조하였다.
[비교예]
<비교예 1~3>
상기 표 1에 따른 조건을 달리한 점을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 박막 트랜지스터를 제조하였다.
[실험예]
상기 실시예 1~8 및 비교예 1~3에서 제조된 간이형 박막 트랜지스터를 이용하여 트랜지스터 특성에 대한 평가를 실시하여 그 결과를 하기 표 2에 나타냈다.
구분 이동도
(cm2 V-1·S-1)<σ>		 온/오프 전류비 턴온 전압(V) <σ>
실시예 1 22.1<0.14> 4.5 X 106 -1.9 <0.49>
실시예 2 22.9<0.12> 4.0 X 106 -1.6 <0.29>
실시예 3 23.1<0.14> 4.3 X 106 -1.8 <0.35>
실시예 4 24.3 <0.25> 1.3 X 104 -10.7 <1.69>
실시예 5 23.7 <0.31> 3.7 X 104 -5.8 <1.20>
실시예 6 22.7 <0.14> 4.1 X 105 -2.8 <0.51>
실시예 7 24.1<0.11> 5.8 X 103 -10.9 <0.29>
실시예 8 22.7<0.14> 4.4 X 106 -1.9 <0.41>
실시예 9 22.3<0.12> 4.1 X 106 -2.1 <0.43>
비교예 1 27.7 <0.55> 3.0 X 102 -15.4 <3.05>
비교예 2 27.9 <0.49> 4.0 X 102 -15.4 <1.05>
비교예 3 28.1 <0.44> 4.1 X 102 -13.4 <0.53>
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1에 따라 제조된 TFT의 경우에 가장 우수한 전기적 특성을 나타냈으며, 대기압 플라즈마 처리 시간이 증가할수록 전기적 특성이 향상되는 것을 알 수 있다. 다만, 상기 대기압 플라즈마가 진행되지 않거나 대기압 플라즈마 과정 중에 기판의 온도가 150℃ 이하인 비교예 1 및 비교예 2의 경우에 전기적 특성이 저하되는 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명에 따른 대기압 플라즈마 공정(atmospheric plasma process, APP)은 대략 소스 전력 700W로 약 7분간 수행하고 이 때 기판의 온도가 200℃ 유지하도록 하는 경우, 온/오프 전류비(on/off ratio)가 ~103 내지 ~109 범위 및 이동도(field-effect mobility)가 26.5 이하 cm2 V-1·S-1 범위를 유지하는 것을 알 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. (1) 금속 산화물을 포함하는 전구체 용액을 제조하는 단계;
    (2) 상기 전구체 용액을 기판 상에 도포하여 산화물 박막을 형성시키는 단계;
    (3) 상기 산화물 박막을 어닐링(annealing)하는 단계;
    (4) 상기 산화물 박막을 대기압 플라즈마(atmospheric plasma)를 이용하여 표면 처리하는 단계;
    (5) 상기 대기압 플라즈마 공정 진행동안 상기 기판의 온도를 제어하는 단계; 및
    (6) 표면 처리된 상기 산화물 박막에 소스와 드레인 전극을 형성시키는 단계;를 포함하며,
    상기 대기압 플라즈마에 의한 표면 처리 과정은 500 내지 900W 크기로 1 내지 15분 동안 수행하며, 기판온도는 150~350℃이며,
    상기 박막 트랜지스터는 온/오프 전류비(on/off current ratio)가 103내지 109범위 및 이동도(field-effect mobility)가 22.1~24.3㎠ V-1·S-1범위를 갖는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 공정을 이용한 용액공정 금속산화물 박막 트랜지스터(TFT)의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 어닐링 과정은 150 내지 350℃ 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 공정을 이용한 용액공정 금속산화물 박막 트랜지스터(TFT)의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 Al, Fe, Sn, Ca, Si, Ge, Se, Sb, Te, Bi, As, B, Zn 및 Ga 중 적어도 어느 하나의 무기입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 공정을 이용한 용액공정 금속산화물 박막 트랜지스터(TFT)의 제조방법.
  6. 제 1 항에 따른 제조방법으로 제조된 박막 트랜지스터.
  7. 삭제
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 박막은 10nm 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터.
  9. 제 6 항에 따른 상기 박막 트랜지스터(TFT)를 포함하는 전자 소자.
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