KR20080111736A - Oxide semiconductor and thin film transistor comprising the same - Google Patents

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KR20080111736A
KR20080111736A KR1020070060053A KR20070060053A KR20080111736A KR 20080111736 A KR20080111736 A KR 20080111736A KR 1020070060053 A KR1020070060053 A KR 1020070060053A KR 20070060053 A KR20070060053 A KR 20070060053A KR 20080111736 A KR20080111736 A KR 20080111736A
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김창정
송이헌
박영수
이은하
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Abstract

An oxide semiconductor and a thin film transistor having the same are provided to prevent hysteresis of the oxide thin film transistor, and improve the movement and on/off current characteristic. A gate(13) is formed on a substrate(11). A gate isolation layer(14) is formed on a substrate, and the gate. An oxide layer(12) is formed on the substrate if the substrate is Si substrate by the thermal oxidation process. A channel(15) is formed on the gate isolation layer corresponding to the gate. A source(16a) and a drain(16b) are formed on two part and gate isolation layer of channel.

Description

산화물 반도체 및 이를 포함하는 박막 트랜지스터{Oxide Semiconductor and Thin Film Transistor comprising the same}Oxide semiconductor and thin film transistor comprising same

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 산화물 박막 트랜지스터를 나타낸 단면도이다. 1 is a cross-sectional view illustrating an oxide thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예에 의한 산화물 박막 트랜지스터의 제조 방법을 나타낸 도면이다. 2A to 2E illustrate a method of manufacturing an oxide thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 3a는 ZnO 및 InZnO에 Ta을 첨가한 시편에 대해 XRD(X-ray Diffraction : X 선 회절) 측정 결과를 나타낸 그래프이다. Figure 3a is a graph showing the XRD (X-ray Diffraction: X-ray diffraction) measurement results for the specimen added Ta to ZnO and InZnO.

도 3b 및 도 3c는 상기 도 3a의 시편에 대한 RBS(Rutherford Backscattering Spectroscopy) 조성 결과를 나타낸다.Figure 3b and Figure 3c shows the results of the Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS) composition for the specimen of Figure 3a.

도 4는 본 발명의 실시예에 의한 산화물 박막 트랜지스터의 성능을 검사한 결과를 나타낸 것으로 소스-드레인 전압(0.1V, 5V, 10V)별 게이트 전압(Vg)-드레인 전류(Id) 변화를 나타낸 그래프이다.4 is a graph illustrating a result of a performance test of an oxide thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present invention, and illustrates a change in gate voltage (Vg) and drain current (Id) for each source-drain voltage (0.1V, 5V, and 10V). to be.

도 5은 본 발명의 실시예에 의한 산화물 박막 트랜지스터의 드레인 전압에 대한 드레인 전류 값을 나타낸 그래프이다. 5 is a graph showing the drain current value with respect to the drain voltage of the oxide thin film transistor according to an embodiment of the present invention.

도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 실시예에 의한 산화물 박막 트랜지스터의 광학적 반응도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 6A to 6C are graphs showing the results of measuring optical reactivity of an oxide thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present invention.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 > <Description of Symbols for Main Parts of Drawings>

11... 기판 12... 절연층11 ... substrate 12 ... insulating layer

13... 게이트 14... 게이트 절연층13 ... gate 14 ... gate insulation

15... 채널 16a... 소스15 ... Channel 16a ... Source

16b... 드레인16b ... drain

본 발명은 산화물 반도체 및 이를 포함하는 박막 트랜지스터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Zn 산화물에 새로운 물질을 첨가한 반도체 물질 및 이를 포함하는 산화물 박막 트랜지스터에 관한 것이다. The present invention relates to an oxide semiconductor and a thin film transistor including the same, and more particularly, to a semiconductor material in which a new material is added to a Zn oxide and an oxide thin film transistor including the same.

현재 박막 트랜지스터(Thin film transistor)는 다양한 응용 분야에 이용되고 있으며 특히, 디스플레이 분야에서 스위칭 및 구동 소자로 이용되고 있으며, 크로스 포인트형 메모리 소자의 선택 스위치로 사용되고 있다. Currently, thin film transistors are used in various applications, and in particular, they are used as switching and driving elements in display fields, and are used as selection switches of cross-point type memory elements.

현재 TV용 패널로서 액정디스플레이(LCD)가 주축을 이루고 있는 가운데, 유기발광 디스플레이도 TV로의 응용을 위해 많은 연구가 진행되고 있다. TV용 디스플레이 기술 개발은 시장에서 요구하는 바를 충족시키는 방향으로 발전하고 있다. 시장에서 요구하는 사항으로는 대형화된 TV 또는 DID(Digital Information Display), 저가격, 고화질 (동영상표현력, 고해상도, 밝기, 명암비, 색재현력) 등이 있다. 이와 같은 요구 사항에 대응하기 위해서는 유리 등의 기판의 대형화와 함께, 우수한 성능을 갖는 디스플레이의 스위칭 및 구동소자로 적용될 박막 트랜지스터(TFT)가 요구된다. Currently, liquid crystal displays (LCDs) are mainly used as TV panels, and organic light emitting displays are also being researched for application to TVs. The development of display technology for TVs is evolving to meet the demands of the market. Market demands include large-sized TVs or digital information displays (DIDs), low cost, and high quality (video expression, high resolution, brightness, contrast ratio, and color reproduction). In order to cope with such requirements, a thin film transistor (TFT) to be applied as a switching and driving element of a display having excellent performance along with an enlargement of a substrate such as glass is required.

디스플레이의 구동 및 스위칭 소자로서 사용되는 것으로, 비정질 실리콘 박막트랜지스터(a-Si TFT)가 있다. 이는 저가의 비용으로 2m가 넘는 대형 기판상에 균일하게 형성될 수 있는 소자로서 현재 가장 널리 쓰이는 소자이다. 그러나, 디스플레이의 대형화 및 고화질화 추세에 따라 소자 성능 역시 고성능이 요구되어, 이동도 0.5 cm2/Vs수준의 기존의 a-Si TFT는 한계에 다다를 것으로 판단된다. 따라서 a-Si TFT보다 높은 이동도를 갖는 고성능 TFT 및 제조 기술이 필요하다. As a driving and switching element of a display, there is an amorphous silicon thin film transistor (a-Si TFT). It is a device that can be uniformly formed on a large substrate of more than 2 m at low cost and is the most widely used device at present. However, with the trend toward larger displays and higher image quality, device performance is also required, and the existing a-Si TFT with a mobility of 0.5 cm 2 / Vs is expected to reach its limit. Therefore, there is a need for a high performance TFT and a manufacturing technology having higher mobility than a-Si TFT.

a-Si TFT 대비 월등히 높은 성능을 갖는 다결정 실리콘 박막트랜지스터(poly-Si TFT)는 수십에서 수백 cm2/Vs의 높은 이동도를 갖기 때문에, 기존 a-Si TFT에서 실현하기 힘들었던 고화질 디스플레이에 적용할 수 있는 성능을 갖는다. 또한, a-Si TFT에 비해 소자 특성 열화 문제가 매우 적다. 그러나, poly-Si TFT를 제작하기 위해서는 a-Si TFT에 비해 복잡한 공정이 필요하고 그에 따른 추가 비용도 증가한다. 따라서, p-Si TFT는 디스플레이의 고화질화나 OLED와 같은 제품에 응용되기 적합하지만, 비용 면에서는 기존 a-Si TFT에 비해 열세이므로 응용이 제한적인 단점이 있다. 그리고 p-Si TFT의 경우, 제조 장비의 한계나 균일도 불량과 같은 기술적인 문제로 현재까지는 1 m가 넘는 대형기판을 이용한 제조공정이 실현되고 있지 않기 때문에, TV 제품으로의 응용이 어렵다. Poly-Si TFTs, which have significantly higher performance than a-Si TFTs, have high mobility from tens to hundreds of cm 2 / Vs, and thus can be applied to high-definition displays that were difficult to realize in conventional a-Si TFTs. Has the performance to In addition, the problem of deterioration of device characteristics is very small compared to a-Si TFT. However, in order to manufacture poly-Si TFTs, a complicated process is required compared to a-Si TFTs, and the additional cost is increased accordingly. Therefore, the p-Si TFT is suitable to be applied to products such as high-definition display and OLED, but in terms of cost is inferior to the existing a-Si TFT has a disadvantage in that the application is limited. In the case of the p-Si TFT, due to technical problems such as limitations of manufacturing equipment and poor uniformity, the manufacturing process using a large substrate of more than 1 m has not been realized until now, and therefore, application to a TV product is difficult.

이에 따라 a-Si TFT의 장점과 poly-Si TFT의 장점을 모두 지닌 새로운 TFT기 술에 대한 요구되었다. 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 그 대표적인 것으로 산화물 반도체 소자가 있다. Accordingly, there is a need for a new TFT technology having both the advantages of a-Si TFT and the advantages of poly-Si TFT. Research on this is being actively conducted, an example of which is an oxide semiconductor device.

산화물 반도체 소자로 최근 각광을 받는 것으로 ZnO계 박막 트랜지스터이다. 현재 ZnO 계열 물질로 Zn 산화물, Ga-In-Zn 산화물 등이 소개되었다. ZnO계 반도체 소자는 저온 공정으로 제작이 가능하고 비정질 상이기 때문에 대면적화가 용이한 장점을 가진다. 또한, ZnO 계 반도체 필름은 고이동도의 물질로서 다결정 실리콘과 같은 매우 양호한 전기적 특성을 갖는다. 현재, 이동도(mobility)가 높은 산화물 반도체 물질층, 즉 ZnO 계열(based) 물질층을 박막 트랜지스터의 채널 영역에 사용하기 위한 연구가 진행되고 있다. ZnO 계열 물질로 Zn 산화물, Ga-In-Zn 산화물 등이 소개되었다. Recently, ZnO-based thin film transistors have been spotlighted as oxide semiconductor devices. Currently, Zn oxide and Ga-In-Zn oxide have been introduced as ZnO-based materials. The ZnO-based semiconductor device can be manufactured by a low temperature process and has an advantage of large area because it is amorphous. In addition, the ZnO-based semiconductor film is a highly mobile material and has very good electrical properties such as polycrystalline silicon. Currently, research is being conducted to use an oxide semiconductor material layer having a high mobility, that is, a ZnO-based material layer, in a channel region of a thin film transistor. Zn oxide, Ga-In-Zn oxide, etc. have been introduced as ZnO-based materials.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제는 Zn 산화물에 새로운 물질을 첨가한 산화물 반도체를 제공하는 것을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide an oxide semiconductor in which a new material is added to Zn oxide.

또한, 본 발명에서는 상기 산화물 반도체를 채널 영역에 사용하여 고집적화가 가능하며, 전기적 특성이 우수한 산화물 박막 트랜지스터를 제공함에 있다. In addition, the present invention is to provide an oxide thin film transistor having high integration and excellent electrical characteristics by using the oxide semiconductor in the channel region.

본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여, Zn 산화물 또는 In-Zn 복합 산화물에 전기 음성도가 1.0∼1.6인 원소를 도핑한 산화물 반도체를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides an oxide semiconductor in which a Zn oxide or an In—Zn composite oxide is doped with an element having an electronegativity of 1.0 to 1.6.

또한, 본 발명에서는 산화물 박막 트랜지스터에 있어서, In the present invention, in the oxide thin film transistor,

게이트;gate;

상기 게이트에 대응되는 위치에 형성된 것으로 Zn 산화물 또는 In-Zn 복합 산화물에 전기 음성도가 1.0∼1.6인 원소를 도핑한 산화물 반도체를 포함하여 형성된 채널; A channel formed at a position corresponding to the gate and including an oxide semiconductor doped with a Zn oxide or an In—Zn composite oxide with an element having an electronegativity of 1.0 to 1.6;

상기 게이트 및 채널 사이에 형성되는 게이트 절연체; 및A gate insulator formed between the gate and the channel; And

상기 채널의 양측부와 각각 접촉하며 형성된 소스 및 드레인을 포함하는 산화물 박막 트랜지스터를 제공한다.An oxide thin film transistor including a source and a drain formed in contact with both sides of the channel, respectively, is provided.

본 발명에 있어서, 상기 도핑원소는 이온 반지름이 Zn과 유사한 것을 특징으로 한다. In the present invention, the doping element is characterized in that the ion radius is similar to Zn.

본 발명에 있어서, 상기 도핑원소의 이온 반지름은 0.050∼0.095nm인 것을 특징으로 한다. In the present invention, the ion radius of the doping element is characterized in that 0.050 ~ 0.095nm.

본 발명에 있어서, 상기 도핑원소는 Ta, Cr, Hf, Y 및 Ti으로 이루어진 군에서 선택된 일종 이상인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the doping element is characterized in that at least one selected from the group consisting of Ta, Cr, Hf, Y and Ti.

본 발명에 있어서, 상기 도핑원소는 Ta, Hf 및 Ti으로 이루어진 군에서 선택된 일종 이상인 것을 특징으로 한다. In the present invention, the doping element is characterized in that at least one selected from the group consisting of Ta, Hf and Ti.

본 발명에 있어서, 상기 도핑원소는 Ta인 것을 특징으로 한다. In the present invention, the doping element is characterized in that Ta.

본 발명에 있어서, 상기 산화물 반도체는 ZnO와 Ta2O3의 복합산화물이고, Zn과 Ta의 원자비는 3∼5:1인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the oxide semiconductor is a composite oxide of ZnO and Ta 2 O 3 , the atomic ratio of Zn and Ta is characterized in that 3 to 5: 1.

본 발명에 있어서, 상기 Zn과 Ta의 원자비는 4:1인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the atomic ratio of Zn and Ta is 4: 1.

본 발명에 있어서, 상기 산화물 반도체는 나노결정을 포함하는 것을 특징으 로 한다. In the present invention, the oxide semiconductor is characterized in that it comprises nanocrystals.

본 발명에 있어서, 상기 산화물 반도체는 ZnO, In2O3 및 Ta2O3의 복합 산화물이고, Zn:In:Ta (원자비)는 1∼3:2∼4:1인 것을 특징으로 한다. In the present invention, the oxide semiconductor is a composite oxide of ZnO, In 2 O 3 and Ta 2 O 3 , and Zn: In: Ta (atomic ratio) is 1 to 3: 2 to 4: 1.

본 발명에 있어서, 상기 Zn:In:Ta (원자비)는 2:3:1인 것을 특징으로 한다. In the present invention, the Zn: In: Ta (atomic ratio) is 2: 3: 1.

본 발명에 있어서, 상기 산화물 반도체는 나노결정을 포함하는 것을 특징으로 한다. In the present invention, the oxide semiconductor is characterized in that it comprises nanocrystals.

본 발명에 있어서, 상기 소스 또는 드레인은 금속 또는 전도성 금속 산화물로 형성된 것을 특징으로 한다. In the present invention, the source or drain is characterized in that formed of a metal or a conductive metal oxide.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 산화물 반도체 및 이를 포함하는 산화물 박막 트랜지스터에 대해 상세히 설명하고자 한다. 참고로, 도면에 도시된 각 층의 두께 및 폭은 설명을 위하여 다소 과장되게 표현되었음을 명심하여야 한다. Hereinafter, an oxide semiconductor and an oxide thin film transistor including the same according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. For reference, it should be noted that the thickness and width of each layer shown in the drawings are somewhat exaggerated for explanation.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 산화물 반도체를 포함하는 박막 트랜지스터의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 1에서는 바텀 게이트(bottom gate)형 박막 트랜지스터를 나타내었으나, 본 발명의 실시예에 의한 박막 트랜지스터는 탑 게이트(top gate)형 및 바텀 게이트형 박막 트랜지스터에 모두 적용될 수 있다. 1 is a cross-sectional view illustrating a structure of a thin film transistor including an oxide semiconductor according to an exemplary embodiment of the present invention. In FIG. 1, a bottom gate type thin film transistor is illustrated, but the thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present invention may be applied to both a top gate type and a bottom gate type thin film transistor.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 산화물 박막 트랜지스터는 표면에 기판(11)의 일영역 상에 형성된 게이트(13), 기판(11) 및 게이트(13) 상에 형성된 게이트 절연층(14)을 포함하고 있다. 기판(11)이 Si인 경우 그 표면에 열산화 공정에 의한 산화층(12)을 형성할 수 있다. 그리고, 게이트(13)에 대응되는 게이트 절연층(14) 상에는 채널(15)이 형성되어 있으며, 채널(15)의 양측부 및 게이트 절연층(14) 상에는 소스(16a) 및 드레인(16b)이 형성되어 있다. Referring to FIG. 1, an oxide thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present invention may include a gate 13 formed on one surface of a substrate 11, a gate insulating layer formed on a substrate 11, and a gate 13. 14). When the substrate 11 is Si, the oxide layer 12 may be formed on the surface thereof by a thermal oxidation process. The channel 15 is formed on the gate insulating layer 14 corresponding to the gate 13, and the source 16a and the drain 16b are formed on both sides of the channel 15 and the gate insulating layer 14. Formed.

본 발명의 실시예에 의한 산화물 박막 트랜지스터를 형성하는 각 층의 형성 물질에 대해 설명하면 다음과 같다. 기판(11)은 통상적으로 반도체 소자에 사용되는 기판을 사용할 수 있으며, 예를 들어 Si, glass 또는 유기물 재료를 사용할 수 있다. 기판 표면에 형성된 절연층(12)은 예를 들어 Si 기판을 열산화하여 형성된 SiO2일 수 있다. 게이트(13)는 전도성 물질을 사용할 수 있으며, 예를 들어 금속 또는 금속 산화물일 수 있다. 게이트 절연층(14)은 통상적인 반도체 소자에 사용되는 절연 물질을 사용하여 형성할 수 있으며, 실리콘 산화물 또는 질화물을 사용할 수 있다. 구체적으로 SiO2 또는 SiO2보다 유전율이 높은 High-K 물질인 HfO2, Al2O3, Si3N4를또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 소스(16a) 및 드레인(16b)은 전도성 물질을 사용하여 형성할 수 있으며, 예를 들어 Pt, Ru, Au, Ag, Mo, Al, W 또는 Cu와 같은 금속 또는 IZO(InZnO) 또는 AZO(AlZnO)와 같은 금속 또는 전도성 산화물을 사용할 수 있다. Referring to the forming material of each layer forming the oxide thin film transistor according to an embodiment of the present invention. The substrate 11 may be a substrate commonly used in a semiconductor device, for example Si, glass or an organic material may be used. The insulating layer 12 formed on the substrate surface may be, for example, SiO 2 formed by thermally oxidizing a Si substrate. The gate 13 may use a conductive material, for example, may be a metal or a metal oxide. The gate insulating layer 14 may be formed using an insulating material used in a conventional semiconductor device, and may use silicon oxide or nitride. Specifically, HfO 2 , Al 2 O 3 , Si 3 N 4, which are higher dielectric constants than SiO 2 or SiO 2 , or a mixture thereof may be used. Source 16a and drain 16b may be formed using a conductive material, for example a metal such as Pt, Ru, Au, Ag, Mo, Al, W, or Cu or IZO (InZnO) or AZO (AlZnO). Metal or conductive oxides such as

본 발명의 실시예에 의한 산화물 반도체는 Zn 산화물에 전기 음성도(electronegativity)가 1.2 내지 1.6인 물질을 포함하여 형성한 것을 특징으로 한다. 그리고, 본 발명의 실시예에 의한 산화물 박막 트랜지스터는 채널(15)을 Zn 산화물에 전기 음성도(electronegativity)가 1.2 내지 1.6인 물질을 포함하여 형성 한 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명의 실시예에 의한 산화물 반도체는 나노결정상으로 형성될 수 있다. An oxide semiconductor according to an embodiment of the present invention is characterized in that the Zn oxide is formed by including a material having an electronegativity of 1.2 to 1.6. The oxide thin film transistor according to the embodiment of the present invention is characterized in that the channel 15 is formed of Zn oxide including a material having an electronegativity of 1.2 to 1.6. In addition, the oxide semiconductor according to the embodiment of the present invention may be formed into a nanocrystalline phase.

본 발명의 실시예에 의한 산화물 박막 트랜지스터에 있어서, 채널 물질의 이온 결합성을 중요시하는 이유에 대해 설명하면 다음과 같다. 산화물 박막 트랜지스터의 신뢰성을 확보하기 위하여 이온결합성이 중요하다. 예를 들어, a-Si:H의 경우는 공유결합을 하고 있는데, 이 결합은 방향성을 가지는 sp3 배위결합을 하여 비정질상으로 존재하게 되면 산소결합을 하고 있는 전자 구름이 뒤틀어지게 된다. 이로 인하여 약한 결합(weak bond)이 존재하게 된다. 이러한 결합구조를 가진 TFT를 장기간 구동하게 되면 결합 영역에 전자 또는 홀(Hole)이 축적되면 결과적으로 결합이 끊어지게 되어 문턱 전압 이동에 따른 신뢰성에 문제가 발생한다. 반면 이온결합의 경우는 양이온 전자구름의 크기가 커서 산소음이온의 결합에 관계없이 overlab이 되어 결정상이든 비정질상이든 약한 결합이 존재하지 않게 되어 신뢰성이 강한 박막 트랜지스터를 제조할 수 있게 된다. 따라서 본 발명의 실시예에 의한 산화물 박막 트랜지스터의 채널 물질은 Zn 산화물에 산소에 비해 작은 전기음성도를 지니며, 그 차이가 1.9 이상인 원소를 첨가한다. 산소의 전기음성도가 약 3.5이므로 전기 음성도 차이가 1.9 이상이 되기 위해서는 양이온 원자는 전기음성도가 약 1.6이하인 원소가 나오게 된다. 하지만 ZnO 및 In2O3-ZnO구조에서 구조의 커다란 변화을 가져오지 않으면서 Zn와 치환을 목적으로 할 경우에는 이온반경도 유사한 것이 바람직하다. 따라서, 전기 음성도가 1.0 이상인 것이 바람직하다. 이는 원소 이트륨 경우에 이온반경이 0.093nm인데 이때 전기음성도는 1.2가 되기 때문이 다. 이 같은 원리로 선택될 수 있는 원자는 Ta (전기음성도:이온반경 = 1.5:0.07 nm), Y(1.2:0.093), Ti(1.5:0.068), Cr(1.6:0.052), Hf(1.3:0.078) 등을 들 수 있다. 참고적으로 Zn는 이온반경이 0.074 nm이고 전기음성도는 1.6이다. In the oxide thin film transistor according to the embodiment of the present invention, the reason why the ionic bondability of the channel material is important will be described. Ion coupling is important to secure the reliability of the oxide thin film transistor. For example, in the case of a-Si: H, a covalent bond is formed. When the bond is in an amorphous state by a sp3 coordination bond with a directivity, the electron cloud that is in the oxygen bond is distorted. This results in weak bonds. When a TFT having such a coupling structure is driven for a long time, when electrons or holes accumulate in the coupling region, the coupling is broken, resulting in a problem in reliability due to the shift of the threshold voltage. On the other hand, in the case of ionic bonds, the size of the cation electron cloud is large, so it becomes overlab regardless of the bond of oxygen anions, so that weak bonds, whether crystalline or amorphous, do not exist and thus, a highly reliable thin film transistor can be manufactured. Therefore, the channel material of the oxide thin film transistor according to the embodiment of the present invention has an electronegativity smaller than that of oxygen, and an element having a difference of 1.9 or more is added to the Zn oxide. Since the electronegativity of oxygen is about 3.5, in order for the electronegativity difference to be 1.9 or more, the cation atom has an element having an electronegativity of about 1.6 or less. However, it is preferable that the ion radius is similar when ZnO and In2O3-ZnO structures are used for the purpose of substitution with Zn without bringing about a large change in the structure. Therefore, it is preferable that the electronegativity is 1.0 or more. This is because the ion radius is 0.093 nm for elemental yttrium, and the electronegativity is 1.2. Atoms that can be selected on this principle are Ta (electronegativity: ion radius = 1.5: 0.07 nm), Y (1.2: 0.093), Ti (1.5: 0.068), Cr (1.6: 0.052), Hf (1.3: 0.078) and the like. For reference, Zn has an ion radius of 0.074 nm and electronegativity of 1.6.

예를 들어, ZnO에 Ta이 도핑된 경우, 채널(15)은 ZnO 및 Ta2O3의 복합산화물로 형성되며, Zn과 Ta의 원자비는 3∼5:1이며, 4:1인 것이 바람직하다. 그리고, 채널(15)이 ZnO, In2O3 및 Ta2O3의 복합 산화물로 형성된 경우, Zn:In:Ta (원자비)는 1∼3:2∼4:1이며, 2:3:1인 것이 바람직하다. For example, when Ta is doped in ZnO, the channel 15 is formed of a composite oxide of ZnO and Ta 2 O 3 , and the atomic ratio of Zn and Ta is 3 to 5: 1, and preferably 4: 1. Do. When the channel 15 is formed of a composite oxide of ZnO, In 2 O 3, and Ta 2 O 3 , Zn: In: Ta (atomic ratio) is 1 to 3: 2 to 4: 1, and 2: 3: It is preferable that it is 1.

이하, 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 산화물 박막 트랜지스터의 제조 방법에 대해 설명하고자 한다. Hereinafter, a method of manufacturing an oxide thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2A to 2E.

도 2a를 참조하면 기판(11)을 마련한다. Si, glass 또는 유기물 재료를 사용할 수 있다. Si 기판을 사용하는 경우, 열산화 공정에 의해 그 표면에 절연층(12)을 형성할 수 있다. 기판(11) 상에 금속 또는 전도성 금속 산화물 등의 전도성 물질(13a)을 도포한다. Referring to FIG. 2A, a substrate 11 is prepared. Si, glass or organic materials can be used. When using a Si substrate, the insulating layer 12 can be formed in the surface by a thermal oxidation process. A conductive material 13a such as a metal or a conductive metal oxide is coated on the substrate 11.

도 2b를 참조하면, 전도성 물질(13a)을 패터닝함으로써 게이트(13)를 형성한다. 그리고 도 2c를 참조하면, 게이트(13) 상부에 절연 물질을 도포하고 패터닝하여 게이트 절연층(24)을 형성한다. Referring to FIG. 2B, the gate 13 is formed by patterning the conductive material 13a. Referring to FIG. 2C, the gate insulating layer 24 is formed by coating and patterning an insulating material on the gate 13.

도 2d를 참조하면, 게이트(13)에 대응되는 게이트 절연층(14) 상에 채널 물질을 PVD, CVD 또는 ALD 등의 공정으로 도포한 뒤 패터닝함으로써 채널(15)을 형성한다. 여기서 채널 물질은 Zn 산화물에 Ta, Y, Ti, Cr 및 Hf로 이루어진 군에서 선 택된 일종 이상의 원소를 첨가하여 형성할 수 있다. 또한, 여기에 In을 더 첨가할 수 있다. 구체적인 형성 공정을 설명하면, 스퍼터링 공정을 이용하여 ZnO 또는 InZnO로 형성된 타겟과 Ta, Y, Ti, Cr 및 Hf 중 적어도 어느 하나의 물질로 형성된 타겟을 공정 챔버 내에 장착하여 코스퍼터링(cosputtering) 공정을 이용하여 형성할 수 있다. 또한, ZnO 또는 InZnO에 Ta, Y, Ti, Cr 또는 Hf 중 적어도 어느 하나의 물질을 더 포함하는 단일 타겟을 사용할 수 있다. Referring to FIG. 2D, the channel 15 is formed by applying a channel material on the gate insulating layer 14 corresponding to the gate 13 by a process such as PVD, CVD, or ALD, and then patterning the channel material. The channel material may be formed by adding at least one element selected from the group consisting of Ta, Y, Ti, Cr, and Hf to the Zn oxide. In addition, In can be further added thereto. Specifically, a sputtering process may be performed by mounting a target formed of ZnO or InZnO and a target formed of at least one of Ta, Y, Ti, Cr, and Hf in a process chamber by using a sputtering process. It can form using. In addition, a single target further including at least one of Ta, Y, Ti, Cr, or Hf may be used for ZnO or InZnO.

도 2e를 참조하면, 금속 또는 전도성 금속 산화물 등의 물질을 채널(25) 및 게이트 절연층(14) 상에 도포한 뒤, 채널(15)의 양측부에 연결되도록 패터닝함으로써 소스(16a) 및 드레인(16b)를 형성한다. Referring to FIG. 2E, a material such as a metal or a conductive metal oxide is applied on the channel 25 and the gate insulating layer 14, and then patterned to be connected to both sides of the channel 15 to drain the source 16a and the drain. (16b) is formed.

마지막으로, 400℃ 이하, 예를 들어 300℃ 의 온도에서 일반적인 퍼니스, RTA(rapid thermal annealing), 레이저 또는 핫플레이트에 등을 이용하여 열처리 공정을 실시한다. Finally, a heat treatment process is carried out using a general furnace, rapid thermal annealing (RTA), laser or hot plate at a temperature of 400 ° C. or lower, for example 300 ° C.

도 3a는 본 발명의 일 구현예에 따른 산화물 박막에 대한 XRD(X-ray Diffraction : X 선 회절) 측정 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 3a is a graph showing the X-ray diffraction (XRD) measurement results for the oxide thin film according to an embodiment of the present invention.

ZnO 타겟에 150watt 전류를 인가하고 Ta 타겟에 35watt를 부가하면서 Ar:O2=190sccm:2.5sccm로 조건을 조절하면서 코스퍼터링을 진행하여 제1 박막 시편을 형성하였다. 또한 ZnO 타겟 대신 InZnO (In:Zn=1:1) 타겟을 사용하는 것을 제외하고는 동일한 조건으로 코스퍼터링을 진행하여 제 2박막 시편을 형성하였다. 형성한 두 개의 시편에 대해 열처리를 행한 후 XRD(X-ray Diffraction : X 선 회절) 측정하여 이를 도 3에 나타내었다. 도 3을 참조하면, 약 30도 근처에서 나타나는 픽(peak)은 비정질(amorphous) 상이 나타난 것을 확인할 수 있다. 그리고, 50도 내지 60도 사이에서 나타난 픽은 나노 결정상이 생긴 것으로 판단된다. A 150 watt current was applied to the ZnO target and 35 watt was added to the Ta target, and the first thin film specimen was formed by coping with the conditions adjusted to Ar: O 2 = 190 sccm: 2.5 sccm. Also, except that the InZnO (In: Zn = 1: 1) target was used instead of the ZnO target, the second thin film specimen was formed by coping with the same conditions. After the heat treatment was performed on the two formed specimens XRD (X-ray Diffraction: X-ray diffraction) was measured and shown in FIG. Referring to FIG. 3, it can be seen that a peak appearing around 30 degrees has an amorphous phase. In addition, it is determined that the pick appeared between 50 and 60 degrees has a nanocrystalline phase.

도 3b 및 도 3c는 상기와 같이 형성된 박막 시편의 RBS(Rutherford Backscattering Spectroscopy) 조성 결과를 나타낸다.3b and 3c show the results of the Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS) composition of the thin film specimen formed as described above.

도 3b의 RBS 분석에 의하면 제 1시편에서는 Ta : Zn (원자비) = 1:4인 결과를 나타내었고, 도 3c의 RBS 분석에 의하면 제 2시편에서는 Ta:In:Zn(원자비) = 1:3:2인 결과를 나타내었다. According to the RBS analysis of FIG. 3B, Ta: Zn (atomic ratio) = 1: 4 in the first sample, and Ta: In: Zn (atomic ratio) = 1 in the second sample according to the RBS analysis of FIG. 3C. The result was 3: 3.

도 4는 본 발명의 실시예에 의한 산화물 박막 트랜지스터의 성능을 검사한 결과를 나타낸 것으로 소스-드레인 전압(0.1V, 5V, 10V)별 게이트 전압(Vg)-드레인 전류(Id) 변화를 나타낸 그래프이다. 상기 산화물 박막 트랜지스터에서 채널 물질은 제2 박막 시편과 동일한 조건으로 형성하였고, 소스 및 드레인은 Ti 및 Pt로 형성시켰으며, 게이트 전극으로는 Mo을 사용하였다. 형성된 산화물 박막 트랜지스터를 섭씨 300도에서 1시간동안 열처리를 하였다.4 is a graph illustrating a result of a performance test of an oxide thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present invention, and illustrates a change in gate voltage (Vg) and drain current (Id) for each source-drain voltage (0.1V, 5V, and 10V). to be. In the oxide thin film transistor, the channel material was formed under the same conditions as the second thin film specimen, the source and the drain were formed of Ti and Pt, and Mo was used as the gate electrode. The formed oxide thin film transistor was heat treated at 300 degrees Celsius for 1 hour.

도 4를 참조하면, On 전류가 약 10-4 A이고, 오프 전류가 10-12A 이하이며, On/Off 전류 비는 108 이상인 것을 알 수 있다. 그리고, 채널 이동도는 1,5cm2/Vs이며, 게이트 스윙 전압은 약 280mV/dec이었다. 결과적으로 높은 On/Off 전류비와 낮은 Off 전류를 나타내며, 히스테리시스가 없어 산화물 박막 트랜지스터로서의 특성이 우수함을 알 수 있다. Referring to FIG. 4, it can be seen that the On current is about 10 −4 A, the off current is 10 −12 A or less, and the On / Off current ratio is 10 8 or more. The channel mobility was 1,5 cm 2 / Vs and the gate swing voltage was about 280 mV / dec. As a result, it shows a high On / Off current ratio and a low Off current, it can be seen that there is no hysteresis and excellent characteristics as an oxide thin film transistor.

도 5는 본 발명의 실시예에 의한 산화물 박막 트랜지스터에 대해 게이트 전 압을 0.1, 4, 8, 12, 14 및 20V로 인가하는 경우, 드레인 전압(Vd)에 따른 드레인 전류(Id) 값을 나타낸 아웃풋(output) 그래프이다.FIG. 5 illustrates drain current Id values according to drain voltage Vd when gate voltages of 0.1, 4, 8, 12, 14, and 20V are applied to the oxide thin film transistor according to the exemplary embodiment of the present invention. Output graph.

도 5를 참조하면, 게이트 전압을 0.1V 인가하는 경우, 드레인 전압을 증가하여도 드레인 전류 값의 변화는 없는 것을 알 수 있다. 그러나, 게이트 전압이 4V 이상으로 인가하는 경우, 드레인 전압을 증가시키면 드레인 전류 값도 점차 증가하는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 5, it can be seen that when the gate voltage is applied to 0.1V, the drain current value does not change even when the drain voltage is increased. However, it can be seen that when the gate voltage is applied above 4V, the drain current value gradually increases as the drain voltage is increased.

도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 실시예에 의한 산화물 박막 트랜지스터의 광학적 반응도를 확인하기 위하여 각각의 상태에 따라 소스-드레인 전압(0.1V, 5V, 10V)별 게이트 전압(Vg)-드레인 전류(Id) 변화를 나타낸 그래프이다. 도 6a는 시편에 광에 노출되지 않은 상태(light off state)에서 측정 결과를 나타낸 것이며, 도 6b는 게이트 영역에만 광에 노출된 상태에서 측정한 결과를 나타낸 것이며, 도 6c는 시편 전체가 광에 노출된 상태(light on)를 나타낸 것이다. 6A to 6C are diagrams illustrating gate voltages Vg and drain currents of source and drain voltages 0.1V, 5V, and 10V according to respective states in order to confirm optical reactivity of an oxide thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present invention. Id) Graph showing change. FIG. 6A illustrates a measurement result in a light off state of the specimen, and FIG. 6B illustrates a measurement result in a state in which only the gate region is exposed to light, and FIG. 6C illustrates the entire specimen. It shows the light on.

도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 광에 노출되지 않거나 게이트 영역만 광에 노출된 경우 본 발명의 실시예에 의한 산화물 박막 트랜지스터는 거의 변화가 없는 동작 특성를 나타내는 것을 알 수 있다. 전체적으로 광에 노출된 도 6c의 경우에는 Off 전류 값이 다소 상승하였으나, 여전히 10-11A이하의 상태를 유지하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 디스플레이용 박막 트랜지스터로 사용하기 충분한 것을 알 수 있다. 6A to 6C, it can be seen that the oxide thin film transistor according to the exemplary embodiment of the present invention exhibits almost no change in operating characteristics when no light is exposed or only a gate region is exposed to light. In the case of FIG. 6C exposed to light as a whole, the Off current value is slightly increased, but it can be seen that the state remains below 10 −11 A. That is, it turns out that it is enough to use as a thin film transistor for a display.

상기와 같은 실시예를 통해서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식 을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상에 의해 산화물 박막 트랜지스터를 이용하여 디스플레이 또는 크로스 포인트형 메모리 소자 등의 다양한 전자 소자를 제조할 수 있을 것이다. 본 발명의 실시예에 의한 산화물 박막 트랜지스터는 바텀 게이트형 또는 탑 게이트형으로 사용될 수 있다. 결과적으로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.Through the above embodiments, those skilled in the art will be able to manufacture various electronic devices such as displays or cross-point memory devices using oxide thin film transistors according to the spirit of the present invention. Could be. The oxide thin film transistor according to the embodiment of the present invention may be used as a bottom gate type or a top gate type. As a result, the scope of the present invention should not be defined by the described embodiments, but should be determined by the technical spirit described in the claims.

본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다. According to the present invention, the following effects are obtained.

첫째, 새로운 물질을 사용하여 이동도 및 On/Off 전류 특성이 우수하며 히스테리시스가 없는 산화물 박막 트랜지스터를 제공할 수 있다. First, it is possible to provide an oxide thin film transistor having excellent mobility, on / off current characteristics, and no hysteresis using the new material.

둘째, 외부의 광에 대한 민감도가 매우 낮아 광에 노출되는 환경에서도 안정적으로 동작하는 산화물 박막 트랜지스터를 제공할 수 있다. Second, it is possible to provide an oxide thin film transistor which operates stably even in an environment exposed to light due to very low sensitivity to external light.

Claims (27)

Zn 산화물 또는 In-Zn 복합 산화물에 전기 음성도가 1.0∼1.6인 원소를 도핑한 산화물 반도체.An oxide semiconductor in which a Zn oxide or an In—Zn composite oxide is doped with an element having an electronegativity of 1.0 to 1.6. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 도핑원소는 이온 반지름이 Zn과 유사한 것을 특징으로 하는 산화물 반도체.The doping element is an oxide semiconductor, characterized in that the ion radius is similar to Zn. 제 2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 도핑원소의 이온 반지름은 0.050∼0.095nm인 것을 특징으로 하는 산화물 반도체.The ion radius of the doping element is an oxide semiconductor, characterized in that 0.050 ~ 0.095nm. 제 3항에 있어서, The method of claim 3, wherein 상기 도핑원소는 Ta, Cr, Hf, Y 및 Ti으로 이루어진 군에서 선택된 일종 이상인 것을 특징으로 하는 산화물 반도체.The doping element is an oxide semiconductor, characterized in that at least one selected from the group consisting of Ta, Cr, Hf, Y and Ti. 제 4항에 있어서, The method of claim 4, wherein 상기 도핑원소는 Ta, Hf 및 Ti으로 이루어진 군에서 선택된 일종 이상인 것을 특징으로 하는 산화물 반도체.The doping element is an oxide semiconductor, characterized in that at least one selected from the group consisting of Ta, Hf and Ti. 제 5항에 있어서, The method of claim 5, 상기 도핑원소는 Ta인 것을 특징으로 하는 산화물 반도체.The doping element is an oxide semiconductor, characterized in that Ta. 제 6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 산화물 반도체는 ZnO와 Ta2O3의 복합산화물이고, Zn과 Ta의 원자비는 3∼5:1인 것을 특징으로 하는 산화물 반도체.The oxide semiconductor is a composite oxide of ZnO and Ta 2 O 3 , the atomic ratio of Zn and Ta is 3 to 5: 1, characterized in that. 제 7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 Zn과 Ta의 원자비는 4:1인 것을 특징으로 하는 산화물 반도체.An oxide semiconductor, characterized in that the atomic ratio of Zn and Ta is 4: 1. 제 7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 산화물 반도체는 나노결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체.And the oxide semiconductor comprises nanocrystals. 제 6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 산화물 반도체는 ZnO, In2O3 및 Ta2O3의 복합 산화물이고, Zn:In:Ta (원자비)는 1∼3:2∼4:1인 것을 특징으로 하는 산화물 반도체.The oxide semiconductor is a composite oxide of ZnO, In 2 O 3 and Ta 2 O 3 , Zn: In: Ta (atomic ratio) is 1-3: 2 to 4: 1 oxide oxide. 제 10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 Zn:In:Ta (원자비)는 2:3:1인 것을 특징으로 하는 산화물 반도체.The Zn: In: Ta (atomic ratio) is 2: 3: 1 oxide semiconductor. 제 10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 산화물 반도체는 나노결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체.And the oxide semiconductor comprises nanocrystals. 산화물 박막 트랜지스터에 있어서, In an oxide thin film transistor, 게이트;gate; 상기 게이트에 대응되는 위치에 형성된 것으로 Zn 산화물 또는 In-Zn 복합 산화물에 전기 음성도가 1.0∼1.6인 원소를 도핑한 산화물 반도체를 포함하여 형성된 채널; A channel formed at a position corresponding to the gate and including an oxide semiconductor doped with a Zn oxide or an In—Zn composite oxide with an element having an electronegativity of 1.0 to 1.6; 상기 게이트 및 채널 사이에 형성되는 게이트 절연체; 및A gate insulator formed between the gate and the channel; And 상기 채널의 양측부와 각각 접촉하며 형성된 소스 및 드레인을 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터.And a source and a drain formed in contact with both sides of the channel, respectively. 제 13항에 있어서, The method of claim 13, 상기 채널 물질의 도핑원소는 이온 반지름이 Zn과 유사한 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터.And a doping element of the channel material has an ion radius similar to that of Zn. 제 14항에 있어서, The method of claim 14, 상기 도핑원소의 이온 반지름은 0.050∼0.095nm인 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터.The ion radius of the doping element is an oxide thin film transistor, characterized in that 0.050 ~ 0.095nm. 제 15항에 있어서, The method of claim 15, 상기 도핑원소는 Ta, Cr, Hf, Y 및 Ti으로 이루어진 군에서 선택된 일종 이상인 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터.The doping element is an oxide thin film transistor, characterized in that at least one kind selected from the group consisting of Ta, Cr, Hf, Y and Ti. 제 16항에 있어서, The method of claim 16, 상기 도핑원소는 Ta, Hf 및 Ti으로 이루어진 군에서 선택된 일종 이상인 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터.The doping element is an oxide thin film transistor, characterized in that at least one selected from the group consisting of Ta, Hf and Ti. 제 17항에 있어서, The method of claim 17, 상기 도핑원소는 Ta인 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터.And the doping element is Ta. 제 18항에 있어서, The method of claim 18, 상기 산화물 반도체는 ZnO와 Ta2O3의 복합산화물이고, Zn과 Ta의 원자비는 3∼5:1인 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터.Wherein the oxide semiconductor is a composite oxide of ZnO and Ta 2 O 3 , and an atomic ratio of Zn and Ta is 3 to 5: 1. 제 19항에 있어서, The method of claim 19, 상기 Zn과 Ta의 원자비는 4:1인 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터.Wherein the atomic ratio of Zn and Ta is 4: 1. 제 19항에 있어서, The method of claim 19, 상기 산화물 반도체는 나노결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터.And the oxide semiconductor comprises nanocrystals. 제 18항에 있어서, The method of claim 18, 상기 산화물 반도체는 ZnO, In2O3 및 Ta2O3의 복합 산화물이고, Zn:In:Ta (원자비)는 1∼3:2∼4:1인 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터.The oxide semiconductor is a composite oxide of ZnO, In 2 O 3 and Ta 2 O 3 , Zn: In: Ta (atomic ratio) is 1 to 3: 2 to 4: 1, characterized in that. 제 22항에 있어서, The method of claim 22, 상기 Zn:In:Ta (원자비)는 2:3:1인 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터.Wherein the Zn: In: Ta (atomic ratio) is 2: 3: 1. 제 22항에 있어서, The method of claim 22, 상기 산화물 반도체는 나노결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터.And the oxide semiconductor comprises nanocrystals. 제 13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 게이트는 금속 또는 전도성 금속 산화물로 형성된 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터.And the gate is formed of a metal or a conductive metal oxide. 제 13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 게이트 절연층은 실리콘 산화물, 질화물, 하프늄(Hf) 산화물, 알루미늄산화물 또는 하프늄산화물 및 알루미늄산화물이 혼합물로 형성된 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터.And the gate insulating layer is formed of a mixture of silicon oxide, nitride, hafnium (Hf) oxide, aluminum oxide or hafnium oxide, and aluminum oxide. 제 13 항에 있어서,The method of claim 13, 상기 소스 또는 드레인은 금속 또는 전도성 금속 산화물로 형성된 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터.And the source or drain is formed of a metal or a conductive metal oxide.
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