KR20100095328A - Inzno thin film and fabrication method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 산화물 반도체 박막 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 저온 공정으로 형성 가능한 InZnO 박막 및 그 제조 방법을 제안한다.The present invention relates to an oxide semiconductor thin film and a method for manufacturing the same, and proposes an InZnO thin film and a method for manufacturing the same, which can be formed by a low temperature process.
액정 표시 장치, 유기 발광 다이오드 등의 박막형 디스플레이에 대한 수요와 관심이 증가되면서, 최근에는 휘거나, 구부리더라도 물성의 저하 없이 사용 가능한 차세대 플렉시블 디스플레이 구현을 위한 연구가 진행되고 있다.As demand and interest for thin-film displays, such as liquid crystal display devices and organic light emitting diodes, increase, recent researches have been conducted for implementing next-generation flexible displays that can be used without deteriorating physical properties even when they are bent or bent.
현재 상용화되어 있는 미세 패턴 제작기술인 광학적 패터닝 (Photolithograph) 방법의 경우 진공 증착 후에 노광-식각 공정을 거치게 되는데 고가의 진공 장비가 필요하기 때문에 디스플레이 제작 원가를 상승시키는 원인이 되고 있다. 또한, 패턴 구현이 경질 기판에만 국한되어 차세대 플렉시블 디스플레이 소자에 적용하기에는 한계가 있다. In the case of optical patterning (Photolithograph) method, which is a commercially available micro-patterning technique, the exposure-etching process is performed after vacuum deposition, and expensive vacuum equipment is required to increase display manufacturing cost. In addition, the pattern implementation is limited to the rigid substrate, there is a limit to apply to the next-generation flexible display device.
광학적 패터닝의 대안으로 Soft Lighography와 Nano Imprinting, Ink-jet Printing, Direct Laser Writing, Dip-pen Nanolighography 등이 있으며, 이들은 고가의 진공장비가 소요되지 않기 때문에 비용 절감에 따른 제품 가격 경쟁력 창출 에 효과적이다.Alternatives to optical patterning include Soft Lighography, Nano Imprinting, Ink-jet Printing, Direct Laser Writing, and Dip-pen Nanolighography, which do not require expensive vacuum equipment.
박막트랜지스터는 스위치 역할을 하는 기본 단위 소자로서 모든 정보/전자 장치 및 디스플레이의 핵심 부품이다. 현재 박막 트랜지스터 재료로 널리 이용되는 다결정 실리콘은 물성, 수명, 성능 안정성 측면에서 장점을 가지고 있지만, 박막을 형성하기 위해서 진공 증착과 레이저 어닐링 공정 등이 요구되며, 이를 위한 고가의 장비가 디스플레이 제작 원가를 상승시키고 있다. Thin film transistors are the basic unit elements that act as switches and are key components of all information / electronic devices and displays. Polycrystalline silicon, which is widely used as a thin film transistor material, has advantages in terms of physical properties, lifespan, and performance stability.However, in order to form a thin film, vacuum deposition and laser annealing processes are required. It is rising.
새로운 박막트랜지스터 재료로서 무기 아연산화물(ZnO)은 에너지 밴드갭이 넓고 광투과도가 우수하여 박막트랜지스터에서 활성 영역의 채널층으로 이용하는데 큰 관심을 받고 있다. 트랜지스터 성능을 개선하기 위해서는 ZnO 박막의 결함 밀도를 감소시킴으로써 캐리어 농도를 제어하고 전극과 ZnO 층, ZnO 층과 게이트 유전층 사이의 계면 특성을 향상시킬 필요가 있다. Inorganic zinc oxide (ZnO) as a new thin film transistor material has a wide energy band gap and has excellent light transmittance, which has attracted great attention as a channel layer of an active region in a thin film transistor. To improve the transistor performance, it is necessary to control the carrier concentration by reducing the defect density of the ZnO thin film and to improve the interface characteristics between the electrode and the ZnO layer, the ZnO layer and the gate dielectric layer.
그러나, 우수한 디바이스 특성에도 불구하고, ZnO 산화물 박막을 형성하기 위해서는 여전히 스퍼터링, 펄스 레이저 증착(PLD) 등의 고 비용 진공 공정이 요구되는 단점이 있다. However, despite the excellent device characteristics, there is still a disadvantage that a high cost vacuum process such as sputtering, pulsed laser deposition (PLD), etc. is still required to form a ZnO oxide thin film.
대량 생산이 가능하고 제조 비용을 낮추기 위해서는 저 비용의 용액 기반 기술, 예를 들어 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅 등의 기술로 박막트랜지스터를 제조하는 방법이 요구되고 있다. 용액 공정에 사용되는 전구체 물질은 박막트랜지스터를 저온에서 형성할 수 있어야 하며, 높은 이동도와 우수한 스위칭 특성, 그리고 높은 점멸비(I on/off )를 갖추어야만 한다. In order to be able to mass-produce and to lower manufacturing costs, a method of manufacturing thin film transistors using low cost solution-based technologies such as spin coating and inkjet printing is required. Precursor materials used in solution processes must be able to form thin film transistors at low temperatures, have high mobility, good switching characteristics, and high flashing ratios ( I on / off ).
특히, 300℃ 이하의 저온 열처리 하에서도 이동도가 우수하고 높은 점멸비 특성을 갖는 고품질 박막을 얻는 것이 매우 중요하다. 그러나, 용액 상태의 물질을 이용하여 우수한 박막트랜지스터를 얻는 것은 전구체, 용매, 기타 첨가물에 잔류하는 유기물로 인하여 매우 어려운 것으로 알려지고 있다.In particular, it is very important to obtain a high quality thin film having excellent mobility and high flash ratio even under low temperature heat treatment of 300 ° C or lower. However, obtaining a good thin film transistor using a solution material is known to be very difficult due to the organic matter remaining in the precursor, solvent, and other additives.
본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로서, 플렉시블 기반의 전자 부품 제조가 가능한 반도체 구조물을 제공하는데 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made under the technical background described above, and an object thereof is to provide a semiconductor structure capable of manufacturing a flexible electronic component.
또한, 본 발명은 용액 공정에 의하여 박막 형성이 가능한 반도체 제조 방법을 제공하는데 있다.The present invention also provides a semiconductor manufacturing method capable of forming a thin film by a solution process.
특히, 본 발명은 저온 공정으로 박막트랜지스터의 채널층에 활용될 수 있는 산화물 반도체 박막을 제공하는데 있다. In particular, the present invention provides an oxide semiconductor thin film that can be utilized in the channel layer of a thin film transistor in a low temperature process.
기타, 본 발명의 다른 목적 및 특징은 이하에서 보다 구체적으로 제시될 것이다.Other objects and features of the present invention will be presented in more detail below.
본 발명은 ZnO에 In이 도핑된 비정질 산화물 반도체 박막으로서, 상기 산화물 반도체 박막은 In과 Zn의 조성비가 몰%로 60:40 ~ 40:60의 범위이고, In과 Zn을 포함하는 전구체 용액을 300℃ 이하에서 열처리하여 얻어진 것을 특징으로 하는 InZnO 박막을 제공한다.The present invention relates to an amorphous oxide semiconductor thin film doped with ZnO, wherein the oxide semiconductor thin film has a composition ratio of In and Zn in a mol% range of 60:40 to 40:60, and a precursor solution containing In and Zn is 300. It provides an InZnO thin film, which is obtained by heat treatment at or below 캜.
또한, 본 발명은 금속 질화물 또는 금속 아세테이트 형태의 무기염 전구체로 서, 각각 Zn과 In을 포함하는 제1물질 및 제2물질과, 전체 용액 100 몰 기준으로 99.5 ~ 99.97 몰의 용매를 포함하며, 상기 제1물질과 제2물질의 비율은 몰%로 60:40 ~ 40:60의 범위인 것을 특징으로 하는 InZnO 박막 전구체 용액을 제공한다.In addition, the present invention is an inorganic salt precursor in the form of metal nitride or metal acetate, and includes a first material and a second material including Zn and In, and 99.5 ~ 99.97 moles of solvent based on 100 moles of the total solution, The ratio of the first material and the second material provides an InZnO thin film precursor solution, characterized in that the range of 60:40 ~ 40:60 in mol%.
또한, 본 발명은 전체 용액 100 몰 기준으로 99.5 ~ 99.97 몰의 용매와, Zn을 포함하는 제1물질, In을 포함하는 제2물질을 포함하며 상기 제1물질과 제2물질의 비율은 몰%로 60:40 ~ 40:60의 범위인 전구체 용액을 준비하고, 상기 전구체 용액을 대상 기판에 도포하여 박막을 형성하고, 상기 박막을 100 ~ 300℃ 범위에서 건조하고, 상기 박막을 200 ~ 300℃ 범위에서 어닐링하는 단계를 포함하는 InZnO 박막 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention includes a solvent of 99.5 ~ 99.97 mol based on 100 mol of the total solution, the first material containing Zn, the second material containing In and the ratio of the first material and the second material is mol% Preparing a precursor solution in a range of 60:40 to 40:60, applying the precursor solution to a target substrate to form a thin film, drying the thin film in a range of 100 to 300 ° C, and drying the thin film at 200 to 300 ° C. It provides an InZnO thin film manufacturing method comprising the step of annealing in the range.
상기 전구체 용액은 대상 기판에 스핀 코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅, 오프셋 프린팅 등의 용액 공정에 의하여 박막을 형성할 수 있으며, 상기 박막을 열처리하여 전도성 캐리어를 생성함으로써 반도체 박막으로 이용할 수 있다. The precursor solution is spin coated, screen printed, inkjet printed, gravure printed, and offset printed onto a target substrate. A thin film can be formed by a solution process such as the above, and can be used as a semiconductor thin film by heat-treating the thin film to generate a conductive carrier.
뿐만 아니라, 상기 전구체 용액은 잉크젯 프린팅용 졸겔 용액, 즉 잉크젯 프린팅용 잉크로 사용하여 각종 전자 소자의 부품 형성에 활용할 수 있다.In addition, the precursor solution may be used as a sol-gel solution for inkjet printing, that is, inkjet printing ink, for forming parts of various electronic devices.
본 발명에 따르면, 박막 형성에 있어서 고가의 진공 장비를 사용하지 않고 용액 기반 공정을 이용함으로써 전체적인 제조 비용을 낮출 수 있으며, 대면적의 박막을 대량으로 생산 가능하다.According to the present invention, it is possible to lower the overall manufacturing cost by using a solution-based process without the use of expensive vacuum equipment to form a thin film, and to produce a large-area thin film in large quantities.
특히 300℃ 미만의 저온에서 박막 형성이 가능하여, 고온 공정을 피하여야 하는 플라스틱 등의 기판을 이용하여 박막트랜지스터를 형성할 수 있는 장점이 있다.In particular, it is possible to form a thin film at a low temperature of less than 300 ℃, there is an advantage that the thin film transistor can be formed using a substrate such as plastic to avoid the high temperature process.
본 발명은 박막트랜지스터 뿐만 아니라 각종 디스플레이나 메모리 등, 첨단 전자 제품의 각종 부품에 응용될 수 있을 것이다.The present invention can be applied not only to thin film transistors but also to various parts of advanced electronic products such as various displays and memories.
본 발명은 졸겔 용액을 기반으로 하여 인듐(In)이 도핑된 고품질의 비정질 ZnO 박막(IZO)을 제안한다. 또한, 도판트의 함량과 용액의 농도, 코팅 두께 또는 횟수가 비정질 산화물 박막트랜지스터의 특성에 미치는 영향을 제시한다. The present invention proposes a high quality amorphous ZnO thin film (IZO) doped with indium (In) based on a sol gel solution. In addition, the effect of the dopant content, the concentration of the solution, the coating thickness or the number of times on the characteristics of the amorphous oxide thin film transistor is presented.
본 발명에 따른 IZO 산화물 반도체 박막은 전구체 용액을 이용한 용액 공정으로 제조한다. 이 전구체 용액은 금속 질화물 또는 금속 아세테이트 형태의 무기염 전구체가 사용될 수 있다. 용매로는 2-methoxyethanol, isopropanol, ethanol, ethylene glycol, butanediol, 1-butanol, 2-butanol, 중에서 선택될 수 있다. The IZO oxide semiconductor thin film according to the present invention is prepared by a solution process using a precursor solution. The precursor solution may be an inorganic salt precursor in the form of metal nitride or metal acetate. The solvent may be selected from 2-methoxyethanol, isopropanol, ethanol, ethylene glycol, butanediol, 1-butanol and 2-butanol.
상기 전구체 용액은 alkano amine 계의 ethanolamine, dimethyl amine, triethanol amine, 또는 acetylacetone, acetic acid 에서 선택되는 어느 하나의 착화제 2 ~ 10 몰을 더 포함할 수 있으며, 2 ~ 15 몰의 formamide 을 더 포함할 수 있다.The precursor solution may further include 2 to 10 mol of any one complexing agent selected from alkano amine-based ethanolamine, dimethyl amine, triethanol amine, or acetylacetone and acetic acid, and further include 2 to 15 mol of formamide. Can be.
상기 전구체 용액은 스핀 코팅 또는 잉크젯 프린팅 등의 용액 공정을 통하여 대상 기판에 도포하여 박막을 형성하고, 형성된 박막은 건조 단계로서 1차 열처리하여 용매를 제거하고, 2차적인 열처리를 통하여 잔류 유기물의 제거와 더불어 박막 내에 전하 캐리어를 생성한다. 상기 1차 열처리로서 건조 단계(baking)는 100 ~ 300 ℃ 온도에서 수행되는 산소 분위기 열처리, 질소 분위기 열처리, 플라즈마 처리, 또는 수분 함유 열처리 중의 어느 하나일 수 있고, 상기 2차 열처리로서 어닐링(annealing) 단계는 200 ~ 300 ℃ 온도에서 수행되는 진공 열처리 또는 환원 분위기 열처리일 수 있다. 경우에 따라서는 분위기를 조절하여 상기 1차 열처리와 2차 열처리를 연속적으로 수행할 수도 있다. The precursor solution is applied to the target substrate through a solution process such as spin coating or inkjet printing to form a thin film, and the formed thin film is subjected to a first heat treatment as a drying step to remove a solvent, and to remove residual organic material through a second heat treatment. Together with charge carriers. The drying step (baking) as the primary heat treatment may be any one of an oxygen atmosphere heat treatment, a nitrogen atmosphere heat treatment, a plasma treatment, or a moisture-containing heat treatment performed at a temperature of 100 to 300 ℃, annealing (annealing) as the secondary heat treatment The step may be a vacuum heat treatment or a reducing atmosphere heat treatment performed at a temperature of 200 ~ 300 ℃. In some cases, the first heat treatment and the second heat treatment may be continuously performed by controlling the atmosphere.
본 발명에 따른 산화물 전구체 용액은 잉크젯 프린팅용 잉크로 이용할 수도 있으며, 따라서 다양한 전자 부품 형성에 활용될 수 있다. 또한, 안정적인 잉크젯 프린팅용 잉크를 위하여 0 ~ 50 몰의 건조 방지제 및 안정화제가 포함될 수 있다.The oxide precursor solution according to the present invention can also be used as an inkjet printing ink, and thus can be utilized for forming various electronic components. In addition, 0 to 50 moles of drying inhibitor and stabilizer may be included for stable inkjet printing ink.
본 발명에 따른 IZO 산화물 반도체 박막의 저온 공정 가능성을 조사하기 위하여 In/Zn 조성이 70:30인 용액에 대해 시차열 분석(TG-DSC)을 실시하여 그 결과를 도 1에 도시하였다. TG-DSC 결과로 볼 때, 250℃ 부근에서 미량의 발열반응을 제외하고는 더 이상의 반응은 없는 것으로 확인되어 300℃ 미만의 온도에서 박막 형성이 가능할 것으로 판단되었으며, 275℃에서 1시간 이상의 열처리 수행 시 300℃에서 30분간 열처리한 경우와 유사한 효과를 보일 것으로 예측되었다. In order to investigate the possibility of low-temperature processing of the IZO oxide semiconductor thin film according to the present invention, differential thermal analysis (TG-DSC) was performed on a solution having an In / Zn composition of 70:30 and the results are shown in FIG. 1. As a result of TG-DSC, it was confirmed that there is no further reaction except for a small amount of exothermic reaction in the vicinity of 250 ℃, it was determined that a thin film can be formed at a temperature below 300 ℃, heat treatment at 275 ℃ for more than 1 hour It was expected to show a similar effect to the case of heat treatment at 300 ℃ for 30 minutes.
또한, 250℃ 부근의 반응을 무시할 수 있다면 약 225℃ 까지 공정온도를 낮출 수 있을 것으로 예측되었다. It was also predicted that the process temperature could be reduced to about 225 ° C. if the reaction near 250 ° C. could be ignored.
이하에서는 구체적인 실시예를 통하여 본 발명에 따른 산화물 박막의 특성 을 상세하게 제시한다.Hereinafter, the characteristics of the oxide thin film according to the present invention will be described in detail through specific examples.
IZOIZO 박막의 제조 Manufacture of thin film
In 질화물, Zn 아세테이트를 출발물질로 사용하여 IZO의 전구체 용액을 졸겔 공정으로 제조하였다. A precursor solution of IZO was prepared by a sol-gel process using In nitride, Zn acetate as a starting material.
용매로 2-methoxyethanol을 사용하였고, 소량의 착화제로서 acetylacetone과 코팅성 향상 첨가제로 formamide를 전구체 용액에 첨가하여 졸겔 안정성을 증가시켰다. 2-methoxyethanol was used as a solvent, and solace stability was increased by adding acetylacetone as a small complexing agent and formamide as a coating improving additive to the precursor solution.
준비된 전구체 용액을 200 nm 두께의 SiO2/Si 후막(고농도 n 타입 반도체)에 스핀 코팅 방법으로 분사하여 IZO 박막을 형성하였다 형성된 박막은 200℃에서 건조시켜 용매를 제거하였다. 그 다음, 형성된 박막을 대기 분위기 하의 열처리로에서 225 ~ 300 ℃ 의 온도로 열처리(어닐링)하여 잔류 유기물을 제거하고 캐리어를 형성하였다. The prepared precursor solution was sprayed onto a 200 nm thick SiO 2 / Si thick film (high concentration n-type semiconductor) by spin coating to form an IZO thin film. The thin film was dried at 200 ° C. to remove a solvent. Thereafter, the formed thin film was heat-treated (annealed) at a temperature of 225 to 300 ° C. in a heat treatment furnace under an atmospheric atmosphere to remove residual organic matter and form a carrier.
소스 및 드레인 전극으로 50 nm 두께의 Al 전극을 열증발법으로 형성하였다. As the source and drain electrodes, an Al electrode having a thickness of 50 nm was formed by thermal evaporation.
형성된 IZO 채널의 두께와 표면거칠기 및 모폴로지(morphology)를 주사전자현미경(SEM)과 원자힘현미경(AFM)을 이용하여 측정하였다. GIZO 박막의 결정성(crystallinity)과 결정배향(orientation)은 X선회절분석기(XRD)를 이용하여 측정하고, GIZO 박막트랜지스터의 성능은 Agilent 5263A source-measure unit 을 이용하여 측정하였다. The thickness, surface roughness, and morphology of the formed IZO channels were measured using scanning electron microscope (SEM) and atomic force microscope (AFM). The crystallinity and orientation of the GIZO thin films were measured using an X-ray diffractometer (XRD), and the performance of the GIZO thin film transistors was measured using an Agilent 5263A source-measure unit.
도 2는 300 ~ 500℃ 에서 30분간 열처리한 IZO 박막의 XRD 패턴을 보인 것이다. 모든 샘플에서 Si 기판으로부터 기인하는 뚜렷한 피크 이외에 다른 결정성 회절 피크가 발견되지 않았다. 이 결과로부터 모든 IZO 박막이 비정질 상태임을 확인 할 수 있다. Figure 2 shows the XRD pattern of the IZO thin film heat-treated for 30 minutes at 300 ~ 500 ℃. No crystalline diffraction peaks were found in all samples other than the distinct peaks resulting from the Si substrate. From this result, it can be confirmed that all IZO thin films are in an amorphous state.
도 3 및 도 4는 각각 SiO2/Si 층 위에 형성한 IZO 박막의 SEM 사진 및 AFM 이미지이다. SEM 사진을 통해 IZO 박막의 표면 모폴로지가 매우 말끔하고 균질한 것을 알 수 있다. 형성된 IZO 박막의 비정질이기 때문에 입자나 입계는 발견되지 않았다. 비정질 IZO 박막의 표면 거칠기는 약 0.27 nm (rms 측정치)을 보였다. SEM 사진 및 AFM 이미지 분석 결과, 어떠한 이차상도 관찰할 수 없었다.3 and 4 are SEM and AFM images of the IZO thin film formed on the SiO 2 / Si layer, respectively. SEM images show that the surface morphology of the IZO thin film is very clean and homogeneous. No particles or grain boundaries were found because of the amorphous nature of the formed IZO thin film. The surface roughness of the amorphous IZO thin film was about 0.27 nm (rms measurement). As a result of SEM and AFM image analysis, no secondary phase could be observed.
조성비의 영향Influence of subsidy
전술한 방법으로 준비된 용액을 기판에 스핀 코팅(2500rpm, 20 sec.)으로 1회 도포하여 IZO 박막을 형성하였다. 도포된 박막을 200℃에서 10분간 건조시킨 후, 300℃에서 30분간 어닐링하였다. 2차 어닐링(post-annealing)은 실시하지 않았다.The solution prepared by the above-described method was applied to the substrate by spin coating (2500 rpm, 20 sec.) Once to form an IZO thin film. The applied thin film was dried at 200 ° C. for 10 minutes and then annealed at 300 ° C. for 30 minutes. No secondary post-annealing was done.
도 5는 In과 Zn의 조성비에 따른 IZO 박막트랜지스터의 전달 특성(ID-VG 곡선)을 보이고 있다. VD는 20V로 고정하였다. Zn 함량 증가에 따라 on/off 거동이 명확해지며, off current가 조금씩 낮아지는 경향을 보이는 것을 볼 수 있다.5 shows the transfer characteristics (I D -V G curve) of the IZO thin film transistor according to the composition ratio of In and Zn. V D was fixed at 20V. As the Zn content increases, the on / off behavior becomes clear and the off current tends to decrease little by little.
도 6은 300℃에서 30분간 어닐링한 IZO 박막의 Zn 도핑 함량 변화(10 ~ 60 mol%)에 따른 이동도 및 점멸비를 보인 것이다. Zn의 함량이 40 ~ 50 mol% 범위에서 높은 이동도와 점멸비를 얻을 수 있었다.Figure 6 shows the mobility and flashing ratio according to the Zn doping content change (10 ~ 60 mol%) of the IZO thin film annealed for 30 minutes at 300 ℃. A high mobility and a flashing ratio were obtained in the Zn content of 40-50 mol%.
In과 Zn의 조성을 달리하여 300℃에서 30분간 어닐링한 IZO 박막의 문턱 전 압(VTH), 이동도, 및 점멸비를 측정하여 표 1에 나타내었다. In/Zn의 조성비가 50/50인 경우에 전기적 특성이 우수한 것을 확인하였다.The threshold voltage (VTH), mobility, and blink rate of the IZO thin film annealed at 300 ° C. for 30 minutes with different compositions of In and Zn were measured and shown in Table 1 below. It was confirmed that the electrical properties were excellent when the composition ratio of In / Zn is 50/50.
[표 1]TABLE 1
(㎠/V-s)Saturation mobility
(Cm2 / Vs)
도 7a 내지 7g는 300℃에서 30분간 어닐링한 IZO 박막의 In/Zn 조성비를 달리하여 출력 특성(ID-VD 곡선)을 보인 것이다. In/Zn 조성 범위가 70:30 ~ 40:60 일 때 조성 범위에서 트랜지스터 특성이 우수함을 알 수 있다. 7A to 7G show output characteristics (I D -V D curves) by varying the In / Zn composition ratio of the IZO thin film annealed at 300 ° C. for 30 minutes. It can be seen that the transistor characteristics are excellent in the composition range when the In / Zn composition range is 70:30 to 40:60.
이상의 결과들을 종합할 때, IZO 산화물 반도체 박막은 In/Zn 조성 범위가 60:40 ~ 50:50 일 때 최적의 특성을 보임을 확인하였다.Summarizing the above results, it was confirmed that the IZO oxide semiconductor thin film exhibited optimal properties when the In / Zn composition range was 60:40 to 50:50.
막 두께 및 졸 농도Film thickness and sol concentration
IZO 산화물 반도체 박막의 막 두께 및 졸 농도에 따른 전기적 특성을 평가하였다. The electrical properties of IZO oxide semiconductor thin films according to film thickness and sol concentration were evaluated.
In/Zn 조성을 55/45로 하고 졸 농도를 0.3 M로 하여 준비한 용액을 스핀 코팅(2500rpm, 20 sec.)으로 다중 코팅하였다. 200℃에서 5분간 그리고 300℃에서 2분간 건조시켰다. 그 후, 300℃에서 30분간 어닐링하였다. 형성된 IZO 박막의 문턱 전압, 이동도, 및 점멸비를 조사하여 표 2에 나타내었다. 코팅 두께가 증가함에 따라 (1t ~ 5t), 문턱 전압이 커지고, 이동도와 점멸비는 감소하는 것을 확인하였다.The solution prepared with an In / Zn composition of 55/45 and a sol concentration of 0.3 M was multi-coated with spin coating (2500 rpm, 20 sec.). Drying was performed at 200 ° C. for 5 minutes and at 300 ° C. for 2 minutes. Then, it annealed at 300 degreeC for 30 minutes. The threshold voltage, mobility, and blink rate of the formed IZO thin film were investigated and shown in Table 2. As the coating thickness increased (1t ~ 5t), the threshold voltage was increased, the mobility and the flashing ratio was confirmed to decrease.
[표 2]TABLE 2
(㎠/V-s)Saturation mobility
(Cm2 / Vs)
In/Zn 조성을 55/45로 고정하고 졸 농도를 달리하여(0.3M ~ 0.5M) 1회의 스핀 코팅(2500rpm, 20 sec.)으로 박막을 형성하였다. 200℃에서 5분간 건조시킨 후, 300℃에서 30분간 어닐링하였다. 형성된 IZO 박막의 문턱 전압, 이동도, 및 점멸비를 조사하여 표 3에 나타내었다. 졸 농도가 커짐에 따라, 문턱 전압이 커지고, 이동도와 점멸비는 감소하는 것을 확인하였다.The In / Zn composition was fixed at 55/45 and the sol concentration was varied (0.3 M to 0.5 M) to form a thin film by one spin coating (2500 rpm, 20 sec.). After drying at 200 ° C for 5 minutes, it was annealed at 300 ° C for 30 minutes. Table 3 shows the threshold voltage, mobility, and blink rate of the formed IZO thin film. As the sol concentration increases, the threshold voltage increases, and the mobility and the flashing ratio decrease.
[표 3][Table 3]
(㎠/V-s)Saturation mobility
(Cm2 / Vs)
도 8은 In/Zn의 조성이 55/45이고 졸 농도가 0.3M인 용액으로 두께를 달리하여 형성한 IZO 박막트랜지스터의 전달 특성(ID-VG 곡선)을 보이고 있고, 도 9는 동일 조성으로서 졸 농도를 변화시켜 1회 코팅한 IZO 박막트랜지스터의 전달 특성(ID-VG 곡선)을 보이고 있다.FIG. 8 shows the transfer characteristics (I D -V G curve) of the IZO thin film transistor formed by varying the thickness of a solution having an In / Zn composition of 55/45 and a sol concentration of 0.3M. FIG. 9 shows the same composition. As a result, the transfer characteristics (I D -V G curve) of the IZO thin film transistor coated once by changing the sol concentration are shown.
이상의 결과를 종합할 때 코팅 횟수의 증가는 off-current를 상승시켜 박막 트랜지스터의 성능이 저하되고, 용액의 농도를 0.3M 이상으로 증가시키는 경우에도 박막트랜지스터의 성능 개선이 이루어지지 않음을 확인하였다. In conclusion, the increase in the number of coatings increases the off-current to deteriorate the performance of the thin film transistor, and it is confirmed that the performance of the thin film transistor is not improved even when the concentration of the solution is increased to 0.3 M or more.
저농도의 영향Low concentration effect
IZO 박막 형성을 위한 용액의 농도를 더욱 낮추어 IZO 박막트랜지스터의 전기적 특성을 평가하였다. The electrical characteristics of the IZO thin film transistors were evaluated by further lowering the concentration of the solution for forming the IZO thin film.
In/Zn 조성을 55/45로 고정하고 졸 농도를 달리하여(0.05M ~ 0.3M) 1회의 스핀 코팅(2500rpm, 20 sec.)으로 박막을 형성하였다. 200℃에서 10분간 건조시킨 후, 300℃에서 30분간 어닐링하였다. The In / Zn composition was fixed at 55/45 and the sol concentration was varied (0.05M to 0.3M) to form a thin film by one spin coating (2500 rpm, 20 sec.). After drying at 200 ° C. for 10 minutes, it was annealed at 300 ° C. for 30 minutes.
도 10은 형성된 IZO 박막의 졸 농도에 따른 박막트랜지스터의 전달 특성(ID-VG 곡선)을 보이고 있다. 형성된 IZO 박막의 문턱 전압, 이동도, 및 점멸비를 조사하여 표 4 및 도 11에 나타내었다. 10 shows the transfer characteristics (I D -V G curve) of the thin film transistor according to the sol concentration of the formed IZO thin film. Threshold voltage, mobility, and flashing ratio of the formed IZO thin film were investigated and shown in Table 4 and FIG. 11.
[표 4][Table 4]
(㎠/V-s)Saturation mobility
(Cm2 / Vs)
졸 농도가 작을수록 문턱 전압이 크고, 이동도와 점멸비가 증가한 것을 확인하였으며, 앞선 실시예에서 보다 전기적인 특성이 우수한 것을 알 수 있다.It was confirmed that the smaller the sol concentration, the higher the threshold voltage, the higher the mobility and the flashing ratio, the better the electrical characteristics in the previous embodiment.
이러한 결과로부터 IZO 용액의 농도를 0.05M로 하고 코팅 횟수를 1회로 제한하여 박막트랜지스터의 채널 두께를 낮춤으로써 TFT 소자의 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. From these results, it can be seen that the performance of the TFT device can be greatly improved by reducing the channel thickness of the thin film transistor by limiting the concentration of the IZO solution to 0.05M and limiting the number of coatings to one.
한편, IZO 용액의 농도를 0.03M로 더욱 낮추고 코팅 횟수를 증가시키거나 스핀 코팅 공정에서 rpm을 감소시키는 방법 등으로 두께를 증가시킴으로써 IZO 용액의 농도가 0.05M인 경우와 유사한 트랜지스터 특성을 얻을 수 있었다. On the other hand, by further reducing the concentration of the IZO solution to 0.03M and increasing the thickness by increasing the number of coatings or decreasing the rpm in the spin coating process, the transistor characteristics similar to those when the concentration of the IZO solution was 0.05M could be obtained. .
저온 공정 ILow Temperature Process I
IZO 박막 형성시 저온 공정 가능성을 확인하기 위하여 열처리 온도를 변화시키고 박막트랜지스터의 전기적 특성을 평가하였다.In order to confirm the possibility of low temperature process during IZO thin film formation, the heat treatment temperature was changed and the electrical characteristics of the thin film transistor were evaluated.
In/Zn 조성이 70/30인 용액에 대하여 졸 농도 및 코팅 횟수가 동일한 두 박막에 대하여 어닐링 온도를 각각 275℃ 및 300℃로 달리하여 IZO 박막을 형성하였다. 300℃에서 어닐링 시간은 30분이었고, 275℃에서 어닐링한 박막은 각각 1시간과 2시간으로 열처리 시간을 달리하였다. The IZO thin films were formed by varying the annealing temperatures at 275 ° C. and 300 ° C. for the two thin films having the same sol concentration and number of coatings, respectively, for a solution having an In / Zn composition of 70/30. The annealing time at 300 ° C. was 30 minutes, and the thin film annealed at 275 ° C. varied the heat treatment time to 1 hour and 2 hours, respectively.
형성된 박막들에 대하여 전달 특성(ID-VG 곡선)을 조사하여 도 12에 나타내었다. 전체적으로 각 박막들의 전기적인 특성이 유사하였으며, 275℃에서 2시간 어닐링한 박막은 300℃에서 30분간 어닐링한 박막과 거의 동일한 결과를 보임을 알 수 있다.The formed thin films were examined in a transfer characteristic (I D -V G curve) and are shown in FIG. 12. In general, the electrical properties of each thin film were similar, and the thin film annealed at 275 ° C. for 2 hours showed almost the same results as the thin film annealed at 300 ° C. for 30 minutes.
In/Zn 조성이 70/30인 용액에 대하여 어닐링 온도를 275℃로 고정하고 열처리 시간을 달리하여(30분 ~ 3시간) 형성된 IZO 박막의 문턱 전압, 이동도, 및 점멸비를 조사하여 표 5에 나타내었다. 열처리 시간이 2시간인 경우에 IZO 박막의 전기 적인 특성이 우수함을 확인하였다.For the solution of In / Zn composition of 70/30, the annealing temperature was fixed at 275 ℃, and the threshold voltage, mobility, and flicker ratio of the IZO thin film formed by varying the heat treatment time (30 minutes to 3 hours) were investigated. Shown in It was confirmed that the electrical properties of the IZO thin film were excellent when the heat treatment time was 2 hours.
[표 5]TABLE 5
(mol%)In / Zn Ratio
(mol%)
(㎠/V-s)Saturation mobility
(Cm2 / Vs)
70/30
70/30
다음으로, 300℃ 미만의 온도로 어닐링 처리한 박막에 대하여 경시 효과(aging effect)를 확인하였다. In/Zn 조성이 70/30인 용액으로 형성한 박막을 어닐링 온도를 275℃로 2 시간 동안 열처리한 박막에 대해 전달 특성(ID-VG 곡선) 및 출력 특성(ID-VD 곡선)을 조사하여 도 13 및 도 14에 도시하였다. Next, the aging effect was confirmed about the thin film annealed at the temperature below 300 degreeC. Transfer characteristics (I D -V G curve) and output characteristics (I D -V D curve) for thin films formed from solutions with In / Zn composition of 70/30 heat-treated at annealing temperature at 275 ℃ for 2 hours Was examined and shown in FIGS. 13 and 14.
최초 박막 형성 후 1주일이 지난 후에도 시간에 따른 경시 경향이 거의 없는 안정한 거동을 보이는 것을 확인하였다.It was confirmed that even after one week after the initial thin film formation, there was a stable behavior with little tendency over time.
다음으로, In/Zn 조성이 70/30인 용액에 대하여 어닐링 온도를 250℃로 고정하고 열처리 시간을 달리하여(30분 ~ 3시간) 형성된 IZO 박막의 문턱 전압, 이동도, 및 점멸비를 조사하여 표 6에 나타내었다. 열처리 시간이 증가할 수록 IZO 박막의 전기적인 특성이 향상되는 것을 알 수 있다. Next, the threshold voltage, mobility, and blink rate of the IZO thin film formed by fixing the annealing temperature at 250 ° C. and varying the heat treatment time (30 minutes to 3 hours) for a solution having an In / Zn composition of 70/30 were investigated. It is shown in Table 6. It can be seen that as the heat treatment time increases, the electrical properties of the IZO thin film are improved.
[표 6]TABLE 6
(mol%)In / Zn Ratio
(mol%)
(㎠/V-s)Saturation mobility
(Cm2 / Vs)
70/30
70/30
도 15 및 도 16은 In/Zn 조성이 70/30인 용액으로 형성한 IZO 박막에 대하여 각각 어닐링 온도에 따른 전달 특성(ID-VG 곡선)과 이동도 및 점멸비를 조사한 결과를 도시한 것이다. 300℃ 열처리는 30분, 275℃ 열처리는 2시간, 250℃ 열처리는 2시간 및 3시간, 225℃ 열처리는 3시간 동안 실시하였다. 15 and 16 show the results of the transfer characteristics (I D -V G curve), mobility and flashing ratio according to the annealing temperature, respectively, for the IZO thin films formed of a solution having an In / Zn composition of 70/30. will be. Heat treatment at 300 ° C. was performed for 30 minutes, heat treatment at 275 ° C. for 2 hours, heat treatment at 250 ° C. for 2 hours and 3 hours, and heat treatment at 225 ° C. for 3 hours.
275℃에서 2시간 열처리한 박막의 경우 300℃에서 30분간 열처리한 박막과 트랜지스터 특성이 거의 유사하였고 점멸비는 오히려 더 높은 것을 알 수 있다. In the case of thin film heat-treated at 275 ° C for 2 hours, the characteristics of the thin film heat-treated at 300 ° C for 30 minutes and transistor characteristics were almost similar, and the flashing ratio was higher.
이와 같은 결과를 종합할 때, 300℃ 미만의 용액 공정을 통하여 우수한 특성의 산화물 반도체 박막의 형성이 가능함을 확인하였다. Combining these results, it was confirmed that an oxide semiconductor thin film having excellent characteristics can be formed through a solution process of less than 300 ° C.
저온 공정 Low temperature process IIII
IZO 박막 형성시 저온 공정과 관련하여 다른 인자의 영향을 확인하기 위하여 In/Zn 조성을 변화시켜 박막트랜지스터의 전기적 특성을 평가하였다.In order to confirm the influence of other factors on low temperature process in IZO thin film formation, the electrical properties of thin film transistors were evaluated by changing In / Zn composition.
In/Zn 조성을 달리하여(70:30 ~ 20:80) 1회의 스핀 코팅(2500rpm, 20 sec.)으로 박막을 형성하였다. 200℃에서 10분간 건조시킨 후, 275℃에서 2시간 어닐링하였다. 형성된 IZO 박막의 문턱 전압, 이동도, 및 점멸비를 조사하여 표 7에 나타내었다.By varying the In / Zn composition (70:30 ~ 20:80), a thin film was formed by one spin coating (2500 rpm, 20 sec.). After drying at 200 ° C. for 10 minutes, it was annealed at 275 ° C. for 2 hours. The threshold voltage, mobility, and blink rate of the formed IZO thin film were investigated and shown in Table 7.
[표 7]TABLE 7
(㎠/V-s)Saturation mobility
(Cm2 / Vs)
In/Zn 조성이 60:40 ~ 40:60 범위에서 트랜지스터 특성이 우수하였으며, 특히 50:50 조성에서 가장 우수한 결과를 보였다.The transistor characteristics were excellent in the In / Zn composition in the range of 60:40 to 40:60, especially the 50:50 composition.
도 17 및 도 18은 In/Zn 조성을 달리하여 275℃에서 2시간 어닐링한 IZO 박막에 대하여 각각 이동도 및 점멸비와 전달 특성(ID-VG 곡선)을 조사한 결과를 도시한 것이다. In/Zn 조성이 70:30 ~ 40:60 범위에서 전달 특성이 우수한 것을 알 수 있다.17 and 18 show the results of investigating the mobility, flicker ratio, and transfer characteristics (I D -V G curve) of IZO thin films annealed at 275 ° C. for 2 hours with different In / Zn compositions. It can be seen that the In / Zn composition has excellent transfer characteristics in the range of 70:30 to 40:60.
In/Zn 조성이 50:50인 용액에 대하여 275℃에서 2시간 어닐링한 IZO 박막의 전달 특성(ID-VG 곡선)을 반복 시험한 결과를 도 19에 도시하였다. 시험 결과 트랜지스터 특성의 재현성이 우수한 것을 알 수 있다.The results of repeated tests of the transfer characteristics (I D -V G curve) of the IZO thin film annealed at 275 ° C. for 2 hours on a solution having an In / Zn composition of 50:50 are shown in FIG. 19. The test results show that the reproducibility of the transistor characteristics is excellent.
In/Zn 조성을 달리하여 275℃에서 2시간 어닐링한 IZO 박막에 대하여 출력 특성(ID-VD 곡선)을 조사하여 도 20a 내지 20d에 도시하였다. In/Zn 조성이 60:40 ~ 40:60 범위에서 전달 특성이 우수하고, 특히 50/50 조성에서 가장 우수한 것을 알 수 있다.The IZO thin films annealed at 275 ° C. for 2 hours with different In / Zn compositions were investigated for output characteristics (I D -V D curves) and are shown in FIGS. 20A to 20D. It can be seen that the In / Zn composition has excellent transfer characteristics in the range of 60:40 to 40:60, and particularly the 50/50 composition.
이상의 결과를 종합할 때 300℃ 미만의 저온 공정에서도 In/Zn 조성이 60:40 ~ 40:60 범위인 경우에 우수한 특성의 박막트랜지스터를 얻을 수 있음을 확인하였다.Summarizing the above results, it was confirmed that even when the In / Zn composition is in the range of 60:40 to 40:60 even at a low temperature process of less than 300 ° C, a thin film transistor having excellent characteristics can be obtained.
본 발명에 따른 산화물 박막을 이용한 박막트랜지스터는 이동도가 0.1 cm2/V·s 이상이고, 점멸비가 105 이상으로서 우수한 물성을 나타내어 유리 및 플렉시블 기반의 전자 소자로서 활용될 수 있다. The thin film transistor using the oxide thin film according to the present invention has a mobility of 0.1 cm 2 / V · s or more and a flashing ratio of 10 5 or more, showing excellent physical properties, and thus may be utilized as an electronic device based on glass and flexible.
본 발명에 따른 산화물 박막을 채널층으로 사용하여 탑 게이트(top-gate) 또는 바텀 게이트(bottom-gate) 구조의 박막트랜지스터를 형성할 수 있으며, 채널층으로 이용되는 산화물 박막 및 전극을 모두 용액 기반 공정으로 형성할 수 있다.The oxide thin film according to the present invention can be used as a channel layer to form a thin film transistor having a top-gate or bottom-gate structure, and both the oxide thin film and the electrode used as the channel layer are solution-based. It can form by a process.
이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.The present invention has been exemplarily described through the preferred embodiments, but the present invention is not limited to such specific embodiments, and various forms within the scope of the technical idea presented in the present invention, specifically, the claims. May be modified, changed, or improved.
도 1은 In/Zn 조성이 70:30인 용액에 대해 시차열 분석 결과를 보인 그래프.1 is a graph showing the results of differential thermal analysis on a solution having an In / Zn composition of 70:30.
도 2는 본 발명에 따른 산화물 박막의 XRD 패턴.2 is an XRD pattern of an oxide thin film according to the present invention.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 산화물 박막의 SEM 사진 및 AFM 이미지.3 and 4 are SEM and AFM images of the oxide thin film according to the present invention.
도 5는 In과 Zn의 조성비에 따른 IZO 박막트랜지스터의 전달 특성을 보인 그래프.5 is a graph showing the transfer characteristics of the IZO thin film transistor according to the composition ratio of In and Zn.
도 6은 300℃에서 30분간 어닐링한 IZO 박막의 Zn 도핑 함량 변화에 따른 이동도 및 점멸비를 보인 그래프.Figure 6 is a graph showing the mobility and flashing ratio according to the Zn doping content of the IZO thin film annealed for 30 minutes at 300 ℃.
도 7a 내지 7g는 300℃에서 30분간 어닐링한 IZO 박막의 In/Zn 조성비를 달리하여 출력 특성을 보인 그래프.7A to 7G are graphs showing output characteristics by varying the In / Zn composition ratio of the IZO thin film annealed at 300 ° C. for 30 minutes.
도 8은 두께를 달리하여 형성한 IZO 박막트랜지스터의 전달 특성을 보인 그래프.8 is a graph showing the transfer characteristics of the IZO thin film transistor formed by varying the thickness.
도 9는 졸 농도 변화에 따른 IZO 박막트랜지스터의 전달 특성을 보인 그래프.9 is a graph showing the transfer characteristics of the IZO thin film transistor according to the sol concentration change.
도 10은 저농도 IZO 박막의 졸 농도에 따른 박막트랜지스터의 전달 특성을 보인 그래프.10 is a graph showing the transfer characteristics of the thin film transistor according to the sol concentration of the low concentration IZO thin film.
도 11은 저농도 IZO 박막의 문턱 전압, 이동도, 및 점멸비를 보인 그래프.11 is a graph showing the threshold voltage, mobility, and the flashing ratio of the low concentration IZO thin film.
도 12는 어닐링 온도를 달리하여 형성된 박막들에 대하여 전달 특성을 보인 그래프.12 is a graph showing transfer characteristics of thin films formed by varying annealing temperatures.
도 13 및 도 14는 어닐링 온도를 275℃로 2 시간 동안 열처리한 박막에 대해 전달 특성 및 출력 특성을 보인 그래프.13 and 14 are graphs showing the transfer characteristics and the output characteristics of the thin film heat-treated at annealing temperature at 275 ° C. for 2 hours.
도 15 및 도 16은 어닐링 온도에 따른 전달 특성(ID-VG 곡선)과 이동도 및 점멸비를 보인 그래프.15 and 16 are graphs showing the transfer characteristics (I D -V G curve), mobility and flashing ratio according to the annealing temperature.
도 17 및 도 18은 조성을 달리하여 275℃에서 2시간 어닐링한 IZO 박막에 대하여 이동도 및 점멸비와 전달 특성을 보인 그래프.FIG. 17 and FIG. 18 are graphs showing mobility, flicker ratio, and transfer characteristics of IZO thin films annealed at 275 ° C. for 2 hours with different compositions.
도 19는 275℃에서 2시간 어닐링한 IZO 박막의 전달 특성(ID-VG 곡선)을 반복 시험한 결과를 보인 그래프.19 is a graph showing the results of repeated tests of transfer characteristics (I D -V G curve) of IZO thin films annealed at 275 ° C. for 2 hours.
도 20a 내지 20d는 275℃에서 2시간 어닐링한 IZO 박막의 출력 특성을 보인 그래프.20A to 20D are graphs showing output characteristics of IZO thin films annealed at 275 ° C. for 2 hours.
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