KR102169628B1 - 산화물 반도체 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산화물 반도체 형성방법을 제공한다. 이 산화물 반도체 형성방법은 금속 원자를 포함한 화합물 및 용매를 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계, 상기 혼합 용액에 기판을 담그는 단계, 상기 혼합 용액에 초음파를 조사하여 상기 기판 상에 산화물 반도체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 산화물 반도체 형성방법에 관한 것으로써, 특히 초음파 조사를 통한 용액원료 기반의 산화물 반도체 형성방법에 관한 것이다.
산화물 반도체를 활성층으로 하는 박막트랜지스터는 저온, 저비용 공정이 가능하면서도 높은 이동도 특성을 얻을 수 있어 능동 구동형 디스플레이의 백플레인 소자로써 각광받고 있다.
종래에는 스퍼터링 증착법(sputtering deposition), 펄스 레이져 증착법(pulsed laser deposition), 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition), 원자 층 증착법(atomic layer deposition) 등 진공 증착 방법이 산화물 반도체를 형성하기 위해 많이 쓰여 왔다. 그러나 이들 진공 증착 장비 자체가 고가이며, 운용, 설치 및 유지보수에 매우 많은 비용이 들어가는 문제가 있다. 이러한 고가의 증착 방법과 달리 용액 원료를 기반으로 하는 산화물 반도체 형성 방법은 저렴한 비용으로 공정이 가능한 장점을 가져 많은 연구, 개발이 진행되고 있다. 하지만 진공 증착한 산화물 반도체에 비해서 용액 공정 기반의 산화물 반도체는 그 전기적 성능 및 신뢰성이 떨어지며 더 높은공정 온도를 필요로 하는 것이 일반적이다.
또한 종래의 기술은 낮은 온도에서 고이동도를 얻기 위하여 인듐원소를 첨가한다. 그러나 인듐은 희귀 원료로 그 가격이 높아 전체 공정 비용을 증가시키는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 낮은 공정 온도에서 더 우수한 성능 및 신뢰성의 산화물 반도체 형성방법을 제공하는 데 있다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 산화물 반도체 형성방법이 제시된다.
본 발명에 따른 산화물 반도체 형성방법은 금속 원자를 포함한 화합물 및 용매를 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계, 상기 혼합 용액에 기판을 담그는 단계, 상기 혼합 용액에 초음파를 조사하여 상기 기판 상에 산화물 반도체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 산화물 반도체 형성방법은 용액원료에 초음파를 조사하면 공동형상(cavitation)에 의해 기포가 생기고, 기포가 사라져 없어질 때 내부는 국소적으로 매우 높은 온도와 압력을 받아 산화물 반도체 형성이 촉진된다. 그 결과, 인듐 원소의 첨가 없이 낮은 공정 온도에서 더 높은 이동도와 전기적 신뢰성이 우수한 산화물 반도체를 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 산화물 반도체의 형성 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 형성 방법으로 형성된 산화물 반도체를 포함한 박막 트랜지스터의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 형성 방법으로 형성된 박막 트랜지스터와 초음파를 조사하지 않고 형성된 박막 트랜지스터의 전달 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 형성 방법으로 형성된 박막 트랜지스터와 초음파를 조사하지 않고 형성된 박막 트랜지스터의 이동도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 형성 방법으로 형성된 박막 트랜지스터와 초음파를 조사하지 않고 형성된 박막 트랜지스터의 문턱 전압을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 형성 방법으로 형성된 산화물 반도체를 포함한 박막 트랜지스터의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 형성 방법으로 형성된 박막 트랜지스터와 초음파를 조사하지 않고 형성된 박막 트랜지스터의 전달 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 형성 방법으로 형성된 박막 트랜지스터와 초음파를 조사하지 않고 형성된 박막 트랜지스터의 이동도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 형성 방법으로 형성된 박막 트랜지스터와 초음파를 조사하지 않고 형성된 박막 트랜지스터의 문턱 전압을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 산화물 반도체 형성방법을 나타내는 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명과 종래 기술과 비교한 이점은 첨부된 도면을 참조한 상세한 설명과 특허청구범위를 통하여 명백하게 될 것이다. 특히, 본 발명은 특허청구범위에서 잘 지적되고 명백하게 청구된다. 그러나, 본 발명은 첨부된 도면과 관련해서 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있다. 도면에 있어서 동일한 참조부호는 다양한 도면을 통해서 동일한 구성요소를 나타낸다
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 산화물 반도체의 형성 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 산화물 반도체의 형성 방법을 나타내는 순서도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 산화물 반도체의 형성방법은 금속 화합물 또는 분자를 준비하는 단계(1), 준비된 화합물을 용매와 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계(2), 제조된 혼합 용액을 배쓰에 넣는 단계(3), 배쓰 안에 기판을 담그는 단계(4), 초음파를 조사하는 단계(5), 및 기판을 꺼내 세정하는 단계(6)를 포함할 수 있다.
산화물 반도체는 아연, 인듐, 갈륨, 주석, 알루미늄 중 적어도 하나 이상을 포함하는 산화물로 형성될 수 있다. 산화물 반도체는 상술한 산화물에 다양한 원소를 도핑 또는 화합물의 형태로 첨가하여 형성될 수 있다. 예컨대, 산화물 반도체는 상술한 산화물에 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 붕소(B), 니켈(Ni) 등의 원소를 도핑 또는 화합물의 형태로 첨가하여 형성될 수 있다.
아연을 포함하는 화합물은 아연염(zinc salt) 및 이들의 하이드레이트(hydrate)을 포함할 수 있다. 아연을 포함하는 화합물은 아연 하이드록사이드(zinc hydroxide), 아연 알콕사이드(zinc alkoxide), 아연 시트레이트(zinc citrate), 아연 아세테이트(zinc acetate), 아연 트리플로로아세테이트(zinc trifluoroacetate), 아연 카보닐레이트(zinc carbonylate), 아연 카보네이트(zinc carbonate), 아연 아크릴레이트(zinc(meth)acrylate), 아연 니트레이트(zinc nitrate), 아연 아세틸아세토네이트(zinc acetylacetonate), 아연 헥사플로로아세틸아세토네이트(zinc hexafluoroacettylacetonate), 아연 할라이드(zinc halide) 계열인 아연 플로라이드(zinc fluoride), 아연 클로라이드(zinc chloride), 아연 퍼클로레이트(zinc perchlorate), 아연 티오카바메이트(zinc thiocarbamate) 계열인 아연 디메틸디티오카바메이트(zinc dimethyldithiocarbamate), 아연 디에틸디티오카바메이트(zinc diethyldithiocarbamate), 아연 설포네이트(zinc sulfonate) 계열인 아연 트리플로로메탄설포네이트(zinc trifluoromethanesulfonate), 아연 운데실레이트(zinc undecylate), 아연 포스페이트(zinc phosphate), 아연 보레이트(zinc borate) 계열인 아연 테트라플로로보레이트(zinc tetrafluoroborate), 및/또는 이들의 하이드레이트를 포함할 수 있다. 인듐, 갈륨, 주석, 및 알루미늄의 화합물은 상술한 아연의 화합물과 유사한 형태의 화합물을 포함할 수 있다.
용매는 상술한 금속 화합물을 녹일 수 있다. 용매는 여러 종으로 혼합하여 사용될 수 있다. 용매는 탈이온수(deionized water), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 프로판올(propanol), 이소프로판올(isopropanol), 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol), 2-에톡시에탄올(2-ethoxyethanol), 2-프로폭시에탄올(2-propoxyethanol), 2-부톡시에탄올(2-butoxyethanol), 메틸셀로솔브(methylcellosolve), 에틸셀로솔브(ethylcellosolve), 디에틸렌글리콜 메틸에테르(diethyleneglycol methylether), 디에틸렌글리콜 에틸에테르(diethyleneglycol ethylether), 디프로필렌글리콜 메틸에테르(dipropyleneglycol methylether), 톨루엔(toluene), 실렌(xylene), 헥산(hexane), 헵탄(heptanes), 옥탄(octane), 에틸아세테이트(ethylacetate), 부틸아세테이트(butylacetate), 디에틸렌글리콜(diethyleneglycol), 디메틸에테르(dimethylether), 디에틸렌글리콜 디메틸에틸에테르(diethyleneglycol dimethylethylether), 메틸메톡시 프로피온 산(methylmethoxy propionic acid), 에틸에톡시 프로피온 산(ethylethoxy propionic acid), 에틸락트 산(ethyllactic acid), 프로필렌 글리콜 메틸에테르 아세테이트(propylene glycol methylether acetate), 프로필렌 글리콜 메틸에테르(propylene glycol methylether), 프로필렌 글리콜 프로필에테르(propylene glycol propylether), 메틸 셀로솔브 아세테이트(methyl cellosolve acetate), 에틸 셀로솔브 아세테이트(ethyl cellosolve acetate), 디에틸렌 글리콜 메틸아세테이트(diethylene glycol methylacetate), 디에틸렌 글리콜 에틸아세테이트(diethylene glycol ethylacetate), 아세톤(acetone), 메틸 이소부틸 케톤(methyl isobutyl ketone), 씨클로헥사논(cyclohexanone), 디메틸 포름아미드(dimethyl formamide(DMF)), N,N-디메틸 아세트아미드(N,N-dimethyl acetamide(DMAc)), N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone), y-부틸로락톤(y-butyrolactone), 디에틸에테르(diethylether), 에틸렌 글리콜 디메틸에테르(ethylene glycol dimethylether), 디글림(diglyme), 테트라하이드로푸란(tetrahydrofuran), 아세틸아세톤(acetylacetone), 및/또는 아세토니트릴(acetonitrile)을 포함할 수 있다.
준비된 금속 화합물 또는 금속 분자를 용매와 혼합하여 혼합용액을 만들 수 있다(2). 용매에 대한 금속 화합물 또는 금속 분자의 용해도를 높이기 위해 안정제를 사용할 수 있다. 안정제는 모노에탄올 아민(monoethanol amine), 디에탄올 아민(diethanol amine), 트리에탄올아민(triethanolamine), N,N-메틸에탄올 아민(N,N-methylethanol amine), 아미노에틸 에탄올아민(aminoethyl ethanolamine), N-t-부틸에탄올 아민(N-t-butylethanol amine), N-t-부틸디에탄올 아민(N-t-butyldiethanol amine), 디에틸렌 글리콜 아민(diethylene glycol amine), 알킬 암모늄 하이드록실(alkyl ammonium hydroxyl) 화합물 계열인 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(tetramethylammonium hydroxide), 알킬 아민 콤파운드(alkyl amine compound) 계열인 메틸아민(methylamine), 에틸아민(ethylamine), 모노이소프로필 아민(monoisopropyl amine), 케톤(ketone) 화합물 계열인 아세틸아세톤(acetylacetone), 산(acid) 화합물 계열인 하이드로클로릭 산(hydrochloric acid), 니트릭 산(nitric acid), 설퍼릭 산(sulfuric acid), 아세틱 산(acetic acid), 암모늄 하이드록사이드(ammonium hydroxide), 포타쥼 하이드록사이드(potassium hydroxide), 아소듐 하이드록사이드(asodium hydroxide), 및/또는 알콕시 알코올(alkoxy alcohol) 계열인 2-(아미노에톡시)에탄올(2-(aminoethoxy)ethanol)을 포함할 수 있다. 혼합용액을 형성하는 온도는 100도 이하일 수 있다. 혼합용액을 형성하기 위해 교반기를 사용할 수 있다.
초음파를 조사하기 위하여 혼합용액을 배쓰(bath)에 넣을 수 있다(3). 초음파 배쓰(ultrasonic bath) 또는 별도 용액이 포함된 반응 배쓰(reaction bath)에 초음파 혼(ultrasonic horn) 또는 소노트로드(sonotrode)를 집어넣어 초음파를 조사할 수 있다.
배쓰 안에 기판을 넣을 수 있다(4). 기판을 넣은 후, 배쓰에 대략 1분 내지 20시간 동안 초음파를 조사할 수 있다(5). 혼합용액의 온도는 초음파를 조사할 때 가령 200도 이하일 수 있다. 용액의 기화가 활발한 경우 밀폐 반응 배쓰를 사용할 수 있다. 밀폐 반응 배쓰의 압력이 상승하면서 산화물 반도체의 형성이 촉진될 수 있다.
초음파 조사를 완료한 후, 기판의 잔류 용액을 세정할 수 있다(6). 예컨대, 탈이온수로 잔류 용액을 세정할 수 있다. 기판의 잔류 용액을 세정하지 않을 경우, 이를 가령 스핑 코팅 같은 방법으로 코팅하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따라 형성된 산화물 반도체를 갖는 박막 트랜지스터의 구조는 특정 구조에 한정되지 않으며 다양한 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 코플라나 탑 게이트, 코플라나 바텀 게이트, 스태거드 탑 게이트, 스태거드 바텀 게이트구조, 또는 다양한 변형된 구조들을 가질 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 형성 방법으로 형성된 산화물 반도체를 포함한 박막 트랜지스터의 단면도이다.
도 2를 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터(100)는 게이트(10), 게이트(10) 상에 제공된 게이트 절연막(20), 게이트 절연막(20) 상에 제공된 산화물 반도체(30), 산화물 반도체(30) 상의 일측에 제공된 소스(40), 및 산화물 반도체(30) 상의 타측에 제공된 드레인(50)을 포함할 수 있다.
게이트(10)는 고농도로 도핑된 실리콘 기판일 수 있다. 게이트(10) 상에 열산화 시킨 SiO2를 포함하는 게이트 절연막(20)을 형성할 수 있다. 상술한 게이트(10)와 게이트 절연막(20)(예:Si/SiO2)으로 이루어진 기판(60)을 혼합 용액에 담근 후 초음파를 조사할 수 있다. 본 실시예에서 사용된 혼합 용액은 아연 니트레이트 헥사하이드레이트(zinc nitrate hexahydrate)와 틴 클로라이드 디하이드레이트(tin chloride dehydrate)를 용매인 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol) 및 탈이온수에 용해시켜 제조한다. 기판(60)이 담겨진 혼합 용액에 초음파를 조사하면 공동현상(cavitation)에 의해 기포가 생기고, 이들 기포가 사라져 없어질 때 혼합 용액은 국소적으로 매우 높은 온도 및 압력을 받게 될 수 있다. 상기 고온 및 고압에 의해 산화물 반도체 형성이 촉진되어 기판(60) 상에 산화물 반도체(30)가 증착될 수 있다. 초음파 조사가 끝난 후에 스핀 코팅 장치를 이용한 산화물 반도체(30)의 코팅 공정을 더 진행할 수 있다. 코팅 후 대기 중에서 2시간 열처리 공정을 더 진행할 수 있다. 산화물 반도체(30) 상에 열증착(thermal evaporator)을 이용하여 알루미늄 소스(40) 및 드레인(50)을 증착할 수 있다. 상기 열증착은 초음파 조사, 코팅, 열처리 중 어느 하나 이후에 진행될 수 있다. 소스(40) 및 드레인(50)은 산화물 반도체(30)의 일측 및 타측에 위치할 수 있으며 쉐도우 마스크를 사용하여 정의할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 형성 방법으로 형성된 박막 트랜지스터와 초음파를 조사하지 않고 형성된 박막 트랜지스터의 전달 특성을 나타낸 그래프이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 형성 방법으로 형성된 박막 트랜지스터와 초음파를 조사하지 않고 형성된 박막 트랜지스터의 이동도를 나타낸 그래프이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 형성 방법으로 형성된 박막 트랜지스터와 초음파를 조사하지 않고 형성된 박막 트랜지스터에 양의 게이트 전압 스트레스를 인가했을 때 시간에 따른 문턱 전압의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 3 내지 5에서 실선 a는 본 발명의 실시예에 따른 형성방법으로 형성된 박막 트랜지스터의 특성을 나타내고, 점선 b는 용액을 초음파에 조사하지 않고 단순히 스핀코팅한 박막 트랜지스터의 특성을 나타낸다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, a는 b에 비하여 드레인 전류값과 이동도(mobility)가 증가하고, 전압 스트레스에 의한 문턱전압의 이동이 적은 것을 알 수 있다.
이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 박막 트랜지스터
10: 게이트
20: 게이트 절연막
30: 산화물 반도체
40: 소스
50: 드레인
60: 기판
10: 게이트
20: 게이트 절연막
30: 산화물 반도체
40: 소스
50: 드레인
60: 기판
Claims (10)
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 게이트 상의 게이트 절연막을 형성하여 기판을 준비하는 것;
상기 기판을 금속 원자를 포함한 화합물, 용매, 안정제 및 도핑 물질을 혼합하여 제조된 혼합 용액 내에 담그는 것; 및
상기 혼합 용액에 초음파를 조사하여 상기 기판 상에 산화물 반도체를 형성하는 것; 및
열증착(thermal evaporator)을 이용하여 상기 산화물 반도체 상에 소오스 및 드레인을 형성하는 것을 포함하되,
상기 금속 원자를 포함한 화합물은 아연 니트레이트 헥사하이드레이트(zinc nitrate hexahydrate) 및 틴 클로라이드 디하이드레이트(tin chloride dehydrate)을 포함하고,
상기 안정제는 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(tetramethylammonium hydroxide), 하이드로클로릭 산(hydrochloric acid), 니트릭 산(nitric acid), 암모늄 하이드록사이드(ammonium hydroxide), 포타쥼 하이드록사이드(potassium hydroxide), 및 아소듐 하이드록사이드(asodium hydroxide) 중 어느 하나를 포함하고,
상기 도핑 물질은 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 붕소(B), 및 니켈(Ni) 중 적어도 어느 하나를 포함하고,
인듐(In) 원소의 첨가 없이 상기 산화물 반도체를 형성하는 박막 트랜지스터의 제조 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 게이트는 고농도로 도핑된 실리콘 기판이고,
상기 게이트 절연막은 실리콘 산화막을 포함하는 박막 트랜지스터의 제조 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 산화물 반도체 형성 후에, 대기 중에서 열처리 공정을 수행하는 것을 더 포함하는 박막 트랜지스터의 제조 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 산화물 반도체는 상기 게이트 절연막 상에 형성되는 박막 트랜지스터의 제조 방법. - 삭제
- 제 5 항에 있어서,
상기 금속 원자는 아연, 인듐, 갈륨, 주석, 및 알루미늄 중 적어도 하나를 포함하는 박막 트랜지스터의 제조 방법.
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X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
GRNT | Written decision to grant |