KR20120050565A - Metal-doped oxide semiconductor thin film transistor - Google Patents

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박종완
김웅선
김경택
문연건
신새영
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

PURPOSE: A metal doped oxide semiconductor thin film transistor is provided to easily control device properties according to a process condition by suppressing carrier generation due to oxygen deficiency. CONSTITUTION: A gate electrode(12) is formed on a substrate(10). A gate insulating film(14) is formed on the upper part of the substrate. An oxide semiconductor layer(16) is formed on the gate insulating film. The oxide semiconductor layer provides a channel region, a source region, and a drain region. Source and drain electrodes(18a,18b) are respectively formed on the oxide semiconductor layer.

Description

금속 도핑된 산화물 반도체 박막 트랜지스터{METAL-DOPED OXIDE SEMICONDUCTOR THIN FILM TRANSISTOR}Metal doped oxide semiconductor thin film transistors {METAL-DOPED OXIDE SEMICONDUCTOR THIN FILM TRANSISTOR}

본 발명은 내부 캐리어를 효과적으로 제어하여 우수한 특성을 갖도록 금속이 도핑된 산화물 반도체 박막 트랜지스터에 관한 것이다.The present invention relates to an oxide semiconductor thin film transistor doped with a metal so as to effectively control an internal carrier to have excellent characteristics.

박막 트랜지스터 (Thin film transistor, TFT)는 다양한 응용 분야에 이용이 되고 있으며 특히 디스플레이 분야에 스위칭 및 구동소자로 이용되고 있다. 현재 TV용 패널로서 액정 디스플레이가 주를 이루고 있는 상황이며, 후발 주자로 유기발광 디스플레이도 TV로의 응용을 위해 많은 연구가 진행되고 있다. TV용 디스플레이의 기술 개발은 대면적, 저가격, 고화질 등의 시장 요구 방향에 맞추어 이루어지고 있다. 이와 같은 요구 사항을 충족하기 위해서는 유리 등의 기판 대형화는 기본적이며, 우수한 성능을 갖는 디스플레이의 스위칭 및 구동소자로 적용할 수 있는 박막 트랜지스터의 개발이 필수적이다. Thin film transistors (TFTs) are used in a variety of applications and are used as switching and driving devices, particularly in the display field. Currently, liquid crystal displays are mainly used as TV panels, and as a late runner, many researches are being conducted for application to organic light emitting displays. The development of TV display technology is being made in accordance with the market demand direction such as large area, low price and high quality. In order to meet such requirements, the enlargement of substrates such as glass is fundamental, and it is necessary to develop a thin film transistor that can be applied as a switching and driving element of a display having excellent performance.

현재 디스플레이의 구동 및 스위칭 소자로서 사용되는 것으로 비정질 실리콘 박막 트랜지스터가 있다. 이는 대면적 증착이 용이할 뿐만 아니라 저가 공정의 장점을 가져 현재 가장 널리 쓰이는 소자이다. 그러나 디스플레이의 초대형화 및 고화질화 추세에 따라 소자 성능 역시 고성능이 요구되고 있으며, 이동도 1 cm2/Vs 미만인 기존의 비정질 실리콘 박막 트랜지스터의 경우에는 그 응용성의 한계점에 다다른 것으로 판단된다. 따라서 비정질 실리콘 박막 트랜지스터보다 높은 이동도 특성을 갖는 고성능 TFT 및 제조 기술이 필요하다.Currently used as driving and switching elements of displays are amorphous silicon thin film transistors. This is the most widely used device because it not only facilitates large area deposition but also has advantages of low cost process. However, with the trend toward ultra-large and high-definition displays, device performance is also required, and the existing amorphous silicon thin film transistors having a mobility of less than 1 cm 2 / Vs are considered to have reached the limit of their applicability. Therefore, there is a need for a high performance TFT and a manufacturing technology having higher mobility characteristics than amorphous silicon thin film transistors.

비정질 실리콘 박막 트랜지스터 대비 높은 성능을 갖는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터는 수십에서 수백 cm2/Vs의 높은 이동도를 갖기 때문에 기존 박막 트랜지스터에서 실현하기 힘들었던 고화질 디스플레이에 적용할 수 있는 성능을 갖는다. 또한, 비정질 실리콘 박막 트랜지스터에 비해 소자 특성 열화 문제가 적은 장점을 가지고 있다. 그러나 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 경우에는 제조 공정이 복잡하며 그에 따른 추가의 비용도 발생하게 된다. Polycrystalline silicon thin film transistors, which have higher performance than amorphous silicon thin film transistors, have high mobility of tens to hundreds of cm 2 / Vs, and thus can be applied to high-definition displays that were difficult to realize in conventional thin film transistors. In addition, the deterioration of device characteristics is less than that of the amorphous silicon thin film transistor. However, in the case of polycrystalline silicon thin film transistors, the manufacturing process is complicated and additional costs are incurred.

따라서 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 경우에는 작은 면적의 고화질을 요구하는 OLED와 같은 제품에 응용되기에 적합하지만, 대면적에 적용하기에는 제조 단가 및 균일성 등의 한계점을 가지고 있다.Therefore, the polycrystalline silicon thin film transistor is suitable for application to a product such as an OLED that requires a high image quality of a small area, but has a limitation such as manufacturing cost and uniformity to apply to a large area.

이에 따라 비정질/다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 장점을 모두 갖는 새로운 박막 트랜지스터의 기술에 대한 요구가 급증하고 있다. 이에 대한 연구가 국내외에서 활발히 진행되고 있는 가운데 그 중 대표적인 기술은 산화물 반도체를 기반으로 하는 박막 트랜지스터 소자가 있다. Accordingly, there is an increasing demand for a technology of a new thin film transistor having all the advantages of an amorphous / polycrystalline silicon thin film transistor. While research on this is being actively conducted at home and abroad, a representative technique is a thin film transistor device based on an oxide semiconductor.

산화물 반도체 소자로 최근 각광을 받는 것으로 ZnO계 박막 트랜지스터이다. 현재 ZnO 계열 물질로 Zn 산화물, In-Ga-Zn 산화물 등이 주를 이루고 있다. ZnO계 반도체 소자의 경우, 저온공정이 가능하며 비정질 상이기 때문에 대면적화가 용이한 장점을 가진다. 또한 ZnO 계 반도체 박막은 높은 이동도 특성을 갖는 물질로서 다결정 실리콘과 같은 매우 우수한 전기적 특성을 갖는다. Recently, ZnO-based thin film transistors have been spotlighted as oxide semiconductor devices. Currently, Zn oxide and In-Ga-Zn oxide are mainly ZnO-based materials. In the case of a ZnO-based semiconductor device, a low temperature process is possible and the amorphous phase has an advantage of easy large area. In addition, the ZnO-based semiconductor thin film is a material having high mobility characteristics and has very good electrical properties such as polycrystalline silicon.

2004년 IGZO TFT의 우수한 성능이 발표된 이후 산화물 반도체에 관련된 수많은 논문이 게재, 인용되고 있다. 특히 IGZO에 관련된 논문이 주를 이루고 있고, 게재 수는 2007년 이후 폭발적인 증가추세를 보이고 있다. Since the outstanding performance of IGZO TFT was announced in 2004, numerous articles related to oxide semiconductors have been published and cited. In particular, papers related to IGZO have been the main source, and the number of publications has been exploding since 2007.

상기 IGZO 뿐만 아니라 산화물 채널 물질에 대한 연구 활동이 활발하며 그 후보로 IZO, SZO, IGO 등이 대두되고 있다. 인용수도 최근 급격히 늘어 산화물 박막 트랜지스터에 대한 관심이 국내외로 증가했음을 알 수 있다. Research activities on oxide channel materials as well as the IGZO are active, and IZO, SZO, IGO, etc. are emerging as candidates. The number of citations also increased sharply in recent years, indicating that interest in oxide thin film transistors has increased at home and abroad.

그러나 상기한 ZnO 기반 다원계 산화물 박막 트랜지스터는 주로 In이 들어간 3원계 산화물 반도체를 이용하기 때문에 우선 복잡한 조성 조절이 어렵고, 따라서 상업화에 반드시 필요한 재현성 있는 공정 확보가 어렵다. 또한, In의 첨가로 인해 가격이 상승하고, 그 공급 또한 원활하지 못할 것으로 예상되어 이산화물 계열의 차세대 산화물 반도체 물질 개발이 필수적으로 요구되는 상황이다.
However, since the ZnO-based multi-element oxide thin film transistor mainly uses a ternary oxide semiconductor containing In, it is difficult to control complex compositions first, and thus, it is difficult to secure a reproducible process necessary for commercialization. In addition, the price increases due to the addition of In, and the supply thereof is not expected to be smooth. Therefore, development of next-generation oxide semiconductor materials based on dioxide is essential.

SnO2 기반의 산화물 반도체의 경우, 1964년 최초의 박막 트랜지스터가 제작된 이후, 여러 연구그룹에서 특성 개선을 위해 많은 노력을 기울였지만, SnO2내부의 캐리어 조절이 어렵다는 것이 가장 큰 문제점이었다. 이를 개선하기 위해, 박막의 두께를 조절하거나, 공정압력을 조절하거나[Myung Soo Huh et al., Improving the Performance of Tin Oxide Thin-Film Transistors by Using Ultralow Pressure Sputtering, Journal of The Electrochemical Society, 157 (4) H425-H429 (2010)], Al 등의 전이 원소를 첨가[Myung Soo Huh et al., Improvement in the Performance of Tin Oxide Thin-Film Transistors by Alumina Doping, Electrochemical and Solid - State Letters , 12 (10) H385-H387 (2009)]하는 등의 노력이 있었으나, 만족스러운 결과를 제시하고 있지 못한 실정이다.SnO 2 In the case of the oxide semiconductor based, since the first thin film transistor was fabricated in 1964, many research groups have tried to improve the characteristics, but the biggest problem was the difficulty of controlling the carrier inside the SnO 2 . To improve this, the thickness of the thin film can be adjusted, the process pressure can be adjusted [Myung Soo Huh et. al ., Improving the Performance of Tin Oxide Thin-Film Transistors by Using Ultralow Pressure Sputtering, Journal of The Electrochemical Society, 157 (4) H425-H429 (2010)], adding transition elements such as Al [Myung Soo Huh et. al ., Improvement in the Performance of Tin Oxide Thin-Film Transistors by Alumina Doping, Electrochemical and Solid - State Letters , 12 (10) H385-H387 (2009)], but the results have not been satisfactory.

Myung Soo Huh et al., Improving the Performance of Tin Oxide Thin-Film Transistors by Using Ultralow Pressure Sputtering, Journal of The Electrochemical Society, 157 (4) H425-H429 (2010) Myung Soo Huh et al., Improving the Performance of Tin Oxide Thin-Film Transistors by Using Ultralow Pressure Sputtering, Journal of The Electrochemical Society, 157 (4) H425-H429 (2010) Myung Soo Huh et al., Improvement in the Performance of Tin Oxide Thin-Film Transistors by Alumina Doping, Electrochemical and Solid-State Letters, 12 (10) H385-H387 (2009)Myung Soo Huh et al., Improvement in the Performance of Tin Oxide Thin-Film Transistors by Alumina Doping, Electrochemical and Solid-State Letters, 12 (10) H385-H387 (2009)

상기한 문제를 해결하기 위해, 본 발명자들은 금속 도핑된 SnO2 박막을 산화물 반도체층으로 사용하는 바텀 게이트 형식의 박막 트랜지스터를 제작하고, 전이 특성을 살펴본 결과 도핑 금속의 함량이 늘어날수록 이동도는 증가하는 경향이 나타나고, 미량 도핑에도 불구하고 산소결핍에 의한 캐리어 생성을 억제하여, 소자 특성을 공정조건에 따라 조절할 수 있는 가능성을 확인하여 다양한 조건에서 실험하여 소자 특성을 개선시키고 동작모드를 조절할 수 있음을 확인하였다.In order to solve the above problems, the present inventors fabricated a bottom gate type thin film transistor using a metal doped SnO 2 thin film as an oxide semiconductor layer, and as a result of examining the transition characteristics, the mobility increases as the content of the doped metal increases. In spite of the small amount of doping, it is possible to suppress the generation of carriers due to oxygen deficiency and to check the possibility of adjusting the device characteristics according to the process conditions. It was confirmed.

이에 본 발명의 목적은 내부 캐리어를 효과적으로 제어하여 우수한 특성을 갖는 산화물 반도체 박막 트랜지스터를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an oxide semiconductor thin film transistor having excellent characteristics by effectively controlling an internal carrier.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 In order to achieve the above object,

채널층으로 반도체 산화물 박막을 포함하는 산화물 반도체 박막 트랜지스터에 있어서,An oxide semiconductor thin film transistor comprising a semiconductor oxide thin film as a channel layer,

상기 반도체 산화물 박막은 Hf, Zr, Al, Ga, Ti 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속이 도핑된 SnO2 박막인 것인 산화물 반도체 박막 트랜지스터를 제공한다.The semiconductor oxide thin film provides an oxide semiconductor thin film transistor which is a SnO 2 thin film doped with one metal selected from the group consisting of Hf, Zr, Al, Ga, Ti, and combinations thereof.

본 발명에 따른 산화물 반도체 박막 트랜지스터는 내부 캐리어를 효과적으로 제어하여 우수한 특성을 갖는다.The oxide semiconductor thin film transistor according to the present invention has excellent characteristics by effectively controlling the internal carrier.

도 1은 본 발명에 따른 금속 도핑(대표적으로 Hf) SnO2 박막의 전기적 특성 개선 이론을 설명하기 위한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 산화물 반도체 박막 트랜지스터를 보여주는 단면도이다.
도 3은 Hf의 도핑량에 따른 박막 내 캐리어 농도 변화 및 저항 수치를 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 Hf 도핑 SnO2 박막을 포함하는 소자(Device 1), Hf 미도핑 SnO2 박막을 포함하는 소자(Device 2, 3)의 전압-전류 특성 변화를 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 Hf 도핑 SnO2 박막의 도핑양에 따른 소자의 전압-전류 특성 변화를 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 Hf 도핑 SnO2 박막의 두께에 따른 소자의 전압-전류 특성 변화를 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 Hf 도핑 SnO2 박막을 포함하는 소자(Device 6), Hf 미도핑 SnO2 박막을 포함하는 소자(Device 2)의 전압-전류 특성 변화를 보여주는 그래프이다.
1 is a schematic diagram for explaining a theory of improving the electrical properties of a metal doped (typically Hf) SnO 2 thin film according to the present invention.
2 is a cross-sectional view illustrating an oxide semiconductor thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present invention.
3 is a graph showing a change in carrier concentration and a resistance value in a thin film according to the doping amount of Hf.
4 is a voltage of the device (Device 1), the device (Device 2, 3) including a Hf undoped SnO 2 films containing Hf-doped SnO 2 thin film according to the present invention - a graph showing the current characteristics change.
5 is a graph showing a change in voltage-current characteristics of the device according to the doping amount of the Hf-doped SnO 2 thin film according to the present invention.
6 is a graph showing a change in voltage-current characteristics of the device according to the thickness of the Hf-doped SnO 2 thin film according to the present invention.
7 is a voltage of the device (Device 2) containing the device (Device 6), Hf undoped SnO 2 films containing Hf-doped SnO 2 thin film according to the present invention - a graph showing the current characteristics change.

본 발명은 반도체 산화물 박막의 재질로 ZnO를 대체할 수 있는 비 ZnO계 산화물 반도체 트랜지스터에 관한 것으로, ZnO 대신 SnO2를 사용한다. SnO2 박막은 캐리어 농도가 1019 이상으로 매우 높은 전기 전도도를 가져 투명 전극으로는 적합하나, 박막 트랜지스터의 산화물 반도체층으로 적용할 경우 구동이 어렵다. 이에 캐리어 농도를 박막 트랜지스터에서 요구되는 1014?1019 수준으로 낮춰야 하는데, 공정 변수에 따라 이의 조절이 매우 어려우며, 외부환경 노출시 그 특성이 현저하게 변화하는 문제점이 있다. The present invention relates to a non-ZnO-based oxide semiconductor transistor that can replace ZnO as a material of a semiconductor oxide thin film, and uses SnO 2 instead of ZnO. The SnO 2 thin film has a very high electrical conductivity with a carrier concentration of 10 19 or more, which is suitable as a transparent electrode. However, the SnO 2 thin film is difficult to drive when applied as an oxide semiconductor layer of a thin film transistor. The lower the carrier concentration in the 10 14? 10 19 level required for the thin film transistor, according to the process variable, the control thereof is very difficult, there is a problem that change to the characteristics markedly when exposed to the environment.

이에 캐리어 농도를 용이하게 조절하고 전기 전도도를 낮출 수 있도록 SnO2 박막의 제조가 필요한데, ITO와 같이 금속 도핑의 개념을 SnO2 박막을 도입하면 오히려 전기 전도도가 너무 높아지는 문제가 있다. 따라서 전기 전도도를 낮추기 위한 도핑이 이루어져야 하며, 본 발명자들은 다양한 실험 결과 일부 금속 원소에서 이러한 특성을 확보할 수 있었다.This requires the production of SnO 2 thin film to easily control the carrier concentration and to lower the electrical conductivity, there is a problem that the electrical conductivity is too high when introducing a SnO 2 thin film concept of metal doping, such as ITO. Therefore, the doping should be made to lower the electrical conductivity, and the present inventors have secured such characteristics in some metal elements as a result of various experiments.

사용 가능한 도핑 금속으로는 Hf, Zr, Al, Ga, Ti 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하며, 바람직하기로 Hf가 사용될 수 있다. 이러한 금속은 SnO2 박막 내부의 산소와 관련된 결함을 제어하여 캐리어 농도를 효과적으로 낮춰 전기 전도도를 조절하고, 특히, Hf의 경우 강한 산화력을 이용해 외부에 노출된 SnO2 특성 변화량도 감소시킬 수 있다.The doped metal that can be used may be one selected from the group consisting of Hf, Zr, Al, Ga, Ti, and combinations thereof, and preferably Hf may be used. Such metals control the oxygen-related defects in the SnO 2 thin film to effectively reduce the carrier concentration to control the electrical conductivity, and in particular, Hf can also reduce the amount of SnO 2 characteristic change exposed to the outside by using a strong oxidation power.

도 1은 본 발명에 따른 금속 도핑(대표적으로 Hf) SnO2 박막의 전기적 특성 개선 이론을 설명하기 위한 모식도이다. 이때 도 1의 (a)는 Hf 미도핑 SnO2 박막을, (b)는 Hf 도핑 SnO2 박막에 해당한다.1 is a schematic diagram for explaining a theory of improving the electrical properties of a metal doped (typically Hf) SnO 2 thin film according to the present invention. In this case, (a) of FIG. 1 corresponds to an Hf undoped SnO 2 thin film, and (b) corresponds to an Hf doped SnO 2 thin film.

도 1을 참조하면, Hf을 도핑하여 ionized Vo +를 감소시키며 이에 따라 캐리어 농도를 감소시킬 수 있다. 또한 SnO2 박막 내 전체적인 트랩(계면 및 벌크 범위 포함)을 감소시켜 이동도(mobility)를 향상시킬 수 있다. 결과적으로 IDS가 증가하며, 활성 에너지가 감소하고 전하 감율(falling rate)은 증가한다.Referring to FIG. 1, Hf may be doped to reduce ionized V o + , thereby reducing carrier concentration. Mobility can also be improved by reducing the overall trap (including interface and bulk range) in the SnO 2 thin film. As a result, I DS increases, the active energy decreases, and the falling rate increases.

특히, 상기 금속은 그 도핑량의 한정이 필수적으로 필요하며, 이는 종래 통상적인 금속 도핑량에 비해 훨씬 적은 범위의 원자%로 사용된다.In particular, the metal is essentially limited in its doping amount, which is used in a much smaller range of atomic% compared to conventional metal doping amounts.

도핑량은 1?10 원자%, 바람직하기로 1.23?2.70 원자% 범위 내에서 사용한다. 만약 그 함량이 상기 범위 미만이면 도핑 효과가 미약하여 캐리어 농도 제어가 용이하지 않고, 그 반대로 상기 범위를 초과하면 캐리어 농도의 지나친 감소로 전하 이동도가 크게 저하되어, 이 또한 박막 트랜지스터로의 적용이 어려워진다.Doping amount is 1-10 atomic%, Preferably it is used in the range of 1.23-2.70 atomic%. If the content is less than the above range, the doping effect is weak and the carrier concentration is not easily controlled. On the contrary, if the content exceeds the above range, the charge mobility is greatly reduced due to excessive decrease of the carrier concentration. Becomes difficult.

상기한 금속 도핑된 SnO2 박막은 산화물 반도체층으로 적용할 경우 통상적인 두께 범위로 형성될 수 있으며, 일예로 0.5?500nm, 바람직하게는 1?150nm, 보다 바람직하게는 40?100nm의 두께로 형성하는 것이 캐리어 이동도나 온/오프 비 등 박막 트랜지스터 특성에서 양호한 결과를 얻을 수 있다. 만약 그 두께가 상기 범위 보다 얇으면 공업적으로 균일하게 성막하는 것이 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 성막 시간이 길어져 공업적으로 채용할 수 없다.
The metal-doped SnO 2 thin film may be formed in a typical thickness range when applied as an oxide semiconductor layer, for example, 0.5 to 500 nm, preferably 1 to 150 nm, and more preferably 40 to 100 nm. It is possible to obtain good results in thin film transistor characteristics such as carrier mobility and on / off ratio. If the thickness is thinner than the above range, it is difficult to form an industrially uniform film. On the contrary, if the thickness is too thick, the film forming time becomes long and cannot be employed industrially.

본 발명에 따른 금속 도핑된 SnO2 박막의 형성은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며 통상의 물리기상성장(Physical Vapor Deposition: PVD)법으로 제조하는 것이 바람직하다.Formation of the metal-doped SnO 2 thin film according to the present invention is not particularly limited in the present invention and is preferably prepared by a conventional physical vapor deposition (PVD) method.

구체적인 PVD법으로서는, 스퍼터링법, 저항 가열 증착법, 전자빔 증착법, 이온빔 퇴적법 등을 적용할 수 있지만, 대면적 기판에의 성막을 용이한 것으로 하기 위해서는 스퍼터링으로 수행한다. 이때 막 두께 분포도 균일하게 하기 위해 DC 마그네트론 스퍼터링법으로 수행하는 것이 더욱 바람직하다.As a specific PVD method, sputtering method, resistance heating vapor deposition method, electron beam vapor deposition method, ion beam deposition method, etc. can be applied, but sputtering is performed in order to make film formation on a large area substrate easy. At this time, in order to make the film thickness distribution even, it is more preferable to carry out by DC magnetron sputtering method.

스퍼터링에 있어서의 타겟은, 전술한 것과 같이 Sn 산화물의 소결체를 타겟으로서 사용하거나, Sn의 금속 타겟을 산소와 반응시키면서 스퍼터링한다.As mentioned above, the target in sputtering uses the sintered compact of Sn oxide as a target, or sputters, while making the metal target of Sn react with oxygen.

스퍼터링 조건은 챔버 장치 등의 여러 가지 변수에 따라 당업자에 의해 적절히 변경될 수 있으며, 본 실시예에서는 상온?100℃의 온도에서 0.25?1.25 W/㎠, 산소 분압 5?80%, 5mTorr 이하의 압력에서 수행한다.The sputtering conditions may be appropriately changed by those skilled in the art according to various parameters such as a chamber apparatus, and in this embodiment, 0.25 to 1.25 W / cm 2, oxygen partial pressure 5 to 80%, and pressure of 5 mTorr or less at a temperature of room temperature to 100 ° C. Perform on

특히, 상기 스퍼터링시 Hf, Zr, Al, Ga, Ti 금속 원소의 함량을 조절하여 첨가하여 도핑량을 제어하며, 스퍼터링 가스로는 N2, He, Ne, Ar, Kr, Xe 등을 사용할 수 있다.In particular, the amount of Hf, Zr, Al, Ga, Ti during the sputtering is added by controlling the content of the metal element to control the doping amount, sputtering gas may be used N 2 , He, Ne, Ar, Kr, Xe and the like.

스퍼터링에 의한 성막 이후 전계 효과 이동도를 높이기 위해 열처리를 수행한다.After film formation by sputtering, heat treatment is performed to increase the field effect mobility.

구체적으로, 산화물 반도체층 형성 후 대기중 또는 질소 분위기 중에서, 150℃ 이상 600℃ 이하, 바람직하게는 180?250℃, 더욱 바람직하기로는 200℃에서 1분?1시간, 보다 바람직하기로는 3 분간 열처리를 한다.Specifically, after the oxide semiconductor layer is formed, in the air or in a nitrogen atmosphere, the heat treatment is performed at 150 ° C. or higher and 600 ° C. or lower, preferably at 180 ° C. to 250 ° C., more preferably at 200 ° C. for 1 minute to 1 hour, and more preferably for 3 minutes. Do

낮은 열처리 온도는 열안정성이나 내열성이 저하되거나, 이동도가 낮아질 우려가 있고, 반대로 높은 열처리 온도는 비용이나 내열성이 없는 기판의 사용에 제한적이기 때문에, 상기 온도 범위에서 수행한다. 이때 열처리 시간은 열처리 온도에 따라 달라질 수 있다.
The low heat treatment temperature may lower the thermal stability or heat resistance, or the mobility may be lowered. On the contrary, the high heat treatment temperature is limited to the use of a substrate having no cost or heat resistance. At this time, the heat treatment time may vary depending on the heat treatment temperature.

전수한 바의 금속 도핑된 SnO2 박막을 박막 트랜지스터의 산화물 반도체층으로 도입하여 우수한 전기적 특성을 확보할 수 있다.By transferring the metal-doped SnO 2 thin film to the oxide semiconductor layer of the thin film transistor, it is possible to secure excellent electrical characteristics.

도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 산화물 반도체 박막 트랜지스터를 보여주는 단면도이다. 도 2의 구조는 바텀 게이트 형태를 보여주나 필요한 경우 탑 게이트 구조를 포함하며, 각 층 사이에 버퍼층과 같은 공지의 층을 더욱 포함할 수 있다.2 is a cross-sectional view illustrating an oxide semiconductor thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present invention. The structure of FIG. 2 shows a bottom gate shape but includes a top gate structure if necessary, and may further include a known layer such as a buffer layer between each layer.

도 2를 참조하면, 산화물 반도체 박막 트랜지스터는 기판(10); 상기 기판(10) 상에 게이트 전극(12)이 형성된다. 상기 게이트 전극(12)을 포함하는 상부에는 게이트 절연막(14)이 형성되고, 상기 게이트 절연막(14) 상에는 채널 영역, 소오스 영역 및 드레인 영역을 제공하는 활성층으로 산화물 반도체층(16)이 형성된다. 소오스 영역 및 드레인 영역과 연결되도록 산화물 반도체층(12) 상에 소오스 및 드레인 전극(18a, 18b)이 각각 형성된 구조를 갖는다.2, an oxide semiconductor thin film transistor includes a substrate 10; The gate electrode 12 is formed on the substrate 10. A gate insulating layer 14 is formed on the gate electrode 12, and an oxide semiconductor layer 16 is formed on the gate insulating layer 14 as an active layer providing a channel region, a source region, and a drain region. The source and drain electrodes 18a and 18b are formed on the oxide semiconductor layer 12 so as to be connected to the source and drain regions, respectively.

상기한 기판(10), 게이트 전극(12), 게이트 절연막(14), 소오스/드레인 전극(18a, 18b)의 재질 및 형성 방법은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며 공지된 바를 따른다.The material and formation method of the substrate 10, the gate electrode 12, the gate insulating film 14, and the source / drain electrodes 18a and 18b are not particularly limited in the present invention and are well known.

기판(10)은 공지된 바의 규산알칼리계 유리, 무알칼리 유리, 석영 유리 등의 유리 기판, 실리콘 기판, 아크릴, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 등의 수지 기판, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리아마이드 등의 고분자가 사용될 수 있다. 그 두께 또한 통상적인 범위 내에서 사용하며, 일예로 0.1 내지 10mm, 0.3 내지 5mm가 바람직하다. The substrate 10 may be a glass substrate such as alkali silicate-based glass, alkali-free glass, quartz glass or the like, a resin substrate such as silicon substrate, acrylic, polycarbonate, polyethylene naphthalate (PEN), or polyethylene terephthalate (PET). , Polymers such as polyamide may be used. The thickness is also used within the conventional range, and for example, 0.1 to 10 mm and 0.3 to 5 mm are preferable.

게이트 절연막(14)은 SiO2, SiNx, Al2O3, Ta2O5, TiO2, MgO, ZrO2, CeO2, K2O, Li2O, Na2O, Rb2O, Sc2O3, Y2O3, CaHfO3, PbTi3, BaTa2O6, SrTiO3, AlN 등의 금속 산화물 또는 폴리(4-바이닐페놀)(PVP), 페릴렌 등의 유기 절연막이 가능하며, 이들을 단독 또는 2층 이상 적층된 다층 구조로 형성할 수 있다.A gate insulating film 14 is SiO 2, SiNx, Al 2 O 3, Ta 2 O5, TiO 2, MgO, ZrO 2, CeO 2, K 2 O, Li 2 O, Na 2 O, Rb 2 O, Sc 2 O Metal oxides such as 3 , Y 2 O 3 , CaHfO 3 , PbTi 3 , BaTa 2 O 6 , SrTiO 3 , AlN or organic insulating films such as poly (4-vinylphenol) (PVP) and perylene are possible, and these may be used alone. Or it can be formed in the multilayered structure laminated | stacked two or more layers.

게이트 전극(12), 소오스/드레인 전극(18a, 18b)의 각 전극을 형성하는 재료에 특별히 제한은 없고, 본 발명의 효과를 잃지 않는 범위에서 일반적으로 이용되고 있는 것을 임의로 선택할 수 있다. 예컨대, 인듐주석 산화물(ITO), 인듐아연 산화물, ZnO 등의 투명 전극이나, Al, Ag, Cr, Ni, Mo, Au, Ti, Ta, Cu 등의 금속 전극, 또는 이들을 포함하는 합금의 금속 전극을 이용할 수 있다. 또한, 그들을 2층 이상 적층하여 접촉 저항을 저감하거나 계면 강도를 향상시키는 것이 바람직하다.
There is no restriction | limiting in particular in the material which forms each electrode of the gate electrode 12 and the source / drain electrodes 18a and 18b, What is generally used in the range which does not lose the effect of this invention can be arbitrarily selected. For example, transparent electrodes such as indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide, ZnO, metal electrodes such as Al, Ag, Cr, Ni, Mo, Au, Ti, Ta, Cu, or metal electrodes of alloys containing them Can be used. Moreover, it is preferable to laminate | stack two or more layers, and to reduce contact resistance or to improve interface strength.

상기한 구조의 산화물 반도체 박막 트랜지스터에서 산화물 반도체층(16)으로 본 발명에 따른 금속 도핑된 SnO2 박막을 사용할 경우, 캐리어 농도가 1012?1017 /㎤ 수준이며, 이동도(μFE)는 0.5 ㎠/Vs 이상으로 박막 트랜지스터로서 이용했을 때에 이동도와 온/오프 비의 밸런스가 양호해져 바람직하다. 또한, 광투과도 측정 결과 400?700nm에서 60% 이상의 높은 투과도를 나타내 투명성을 가짐을 확인하였다.
When the metal-doped SnO 2 thin film according to the present invention is used as the oxide semiconductor layer 16 in the oxide semiconductor thin film transistor having the above structure, the carrier concentration is about 10 12 to 10 17 / cm 3, and the mobility (μ FE ) is When used as a thin film transistor at 0.5 cm <2> / Vs or more, the balance of mobility and an on / off ratio is favorable, and it is preferable. In addition, as a result of measuring the light transmittance, it was confirmed that the transparent film had a high transmittance of 60% or more at 400-700 nm.

이처럼, 본 발명에 따른 금속 도핑 SnO2 박막은 트랜지스터에 바람직하게 적용하여 ZnO를 대체할 수 있어 비 ZnO계 산화물 반도체 트랜지스터로서 사용이 가능하다. 또한, 저온공정 적용, 대면적 공정 적용 용이하고 따라서 저가 제조 가능하므로 다양한 제품군으로 응용분야가 확대될 수 있다. As such, the metal-doped SnO 2 thin film according to the present invention can be preferably applied to a transistor to replace ZnO and thus can be used as a non-ZnO-based oxide semiconductor transistor. In addition, low temperature process application, large-area process can be easily applied, and thus low-cost manufacturing can be applied to a wide range of applications.

그리고 경제, 산업적 측면에서 투명 스마트창 개발에 기여 (고부가 유리제품, 기능성 자동차 부품, 보안 전자 기기, 옥외 광고용 디스플레이 제품, 태양전지, 게임기, 전자액자등 상품군이 유력). 공간적, 시각적 제약을 해소할 뿐만 아니라 초박형 고품위 제품을 제조할 수 있으므로 고부가가치 산업으로 육성될 수 있다. 또한, 저가 제조가 가능하므로 먼저 기존의 TFT LCD 시장을 공유하게 되고 이후 급격한 디스플레이 사장 변동을 일으킬 수 있다.In addition, it contributes to the development of transparent smart windows in economic and industrial aspects (high value-added glass products, functional auto parts, security electronic devices, outdoor advertising display products, solar cells, game consoles, electronic photo frames, etc.). In addition to eliminating spatial and visual constraints, it is possible to manufacture ultra-thin, high-quality products, thereby fostering high value-added industries. In addition, since low-cost manufacturing is possible, the existing TFT LCD market may be shared first, and then may cause a sudden change in display president.

더욱이. 균일도, 신뢰성, 우수한 소자 특성을 바탕으로 대면적 OLED 시장 적용 가능하며, 형 산화물 반도체 구현이 가능해지면 투명 로직 IC가 기존의 실리콘 기반의 IC시장의 일부를 대체할 것으로 예상되고, 투명성을 이용한 다양한 제품군의 개발 가능이 가능해진다.
Furthermore. It can be applied to large area OLED market based on uniformity, reliability, and excellent device characteristics.As a type oxide semiconductor can be realized, transparent logic IC is expected to replace part of the existing silicon-based IC market. It is possible to develop.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples. However, embodiments according to the present invention may be modified in many different forms, the scope of the present invention should not be construed as limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.

[실시예][Example]

실험예 1Experimental Example 1

도 2의 단면도에 도시된 바와 같이, TFT의 소자 구조는 바텀 게이트형으로 제작하였다. Ar과 O2 가스의 혼합에서 가열되지 않은 기판상에 Sn과 Hf를 타겟으로 사용하여 DC 스퍼터링을 수행 후 200℃에서 3분간 열처리하여 채널층을 형성하였다.As shown in the cross-sectional view of Fig. 2, the device structure of the TFT was fabricated in a bottom gate type. DC sputtering was performed using Sn and Hf as targets on a substrate that was not heated by mixing Ar and O 2 gas, and then heat-treated at 200 ° C. for 3 minutes to form a channel layer.

이때 기판은 열산화된 실리콘막(100㎚ 두께)이 코팅된 도핑 농도가 높은 n-형 실리콘 웨이퍼를 사용하고, 절연막은 SiO2(100nm), 소오스/드레인 전극은 Mo(300nm)을 포함하도록 종래의 포토리소그래피법을 이용하여 형성하였다.
In this case, a substrate using a n-type silicon wafer having a high doping concentration coated with a thermally oxidized silicon film (100 nm thick), an insulating film includes SiO 2 (100 nm), and a source / drain electrode includes Mo (300 nm). It formed using the photolithographic method of.

하기 도 3은 Hf의 도핑량에 따른 박막 내 캐리어 농도 변화 및 저항 수치를 보여주는 그래프이다.3 is a graph showing a change in carrier concentration and a resistance value in a thin film according to the doping amount of Hf.

도 3을 참조하면, Hf의 도핑량에 따라 일정 수준까진 캐리어 농도 및 저항에 변화가 없으나, 0.059ppm(1.23 원자%)에서부터 박막 내 캐리어 농도가 감소하고, 반대로 비저항은 증가하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 Hf가 박막 내부의 트랩 또는 디펙트를 선택적으로 감소시켜 캐리어 수를 감소시킬 수 있는 것으로 예측된다.
Referring to FIG. 3, there was no change in carrier concentration and resistance up to a certain level according to the doping amount of Hf, but the carrier concentration in the thin film decreased from 0.059 ppm (1.23 atomic%) and, on the contrary, the specific resistance tended to increase. These results predict that Hf can reduce the number of carriers by selectively reducing traps or defects inside the thin film.

실험예 2Experimental Example 2

도 4는 본 발명에 따른 Hf 도핑 SnO2 박막을 포함하는 소자(Device 1), Hf 미도핑 SnO2 박막을 포함하는 소자(Device 2, 3)의 전압-전류 특성 변화를 보여주는 그래프이고, 소자 특성을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.Figure 4 is the device (Device 1), Hf undoped voltage of the device (Device 2, 3) comprising a SnO 2 films containing Hf-doped SnO 2 thin film according to the present invention and a graph showing the current characteristics change, the device characteristics Was measured and shown in Table 1 below.

Device 1Device 1 Device 2Device 2 Device 3Device 3
박막 구조

Thin film structure
채널층/두께Channel layer / thickness Hf 도핑 SnO2 박막/40nmHf Doped SnO 2 Thin Films / 40nm SnO2 박막/40nmSnO 2 Thin Films / 40nm SnO2 박막/40nmSnO 2 Thin Films / 40nm
도핑량Doping amount 1.23 원자%1.23 atomic% -- -- 절연막/두께Insulation film / thickness SiO2/100nmSiO 2 / 100nm Si3N4/SiO2, (100/10nm),Si 3 N 4 / SiO 2, (100 / 10nm), Si3N4/100nmSi 3 N 4 / 100nm 소오스/드레인 전극/두께Source / Drain Electrode / Thickness Mo/300nmMo / 300nm Mo/300nmMo / 300nm Mo/300nmMo / 300nm
전기적 특성

Electrical characteristics
이동도(μFE)Mobility (μ FE ) 0.500.50 0.160.16 0.0110.011
온/오프 전류(ION / OFF)On / Off Current (I ON / OFF ) 3.04×105 3.04 × 10 5 1.53×105 1.53 × 10 5 3.84×104 3.84 × 10 4 SS(V/decade)SS (V / decade) 1.681.68 3.7433.743 0.930.93 Von(V)Von (V) -28-28 -28-28 22

상기 표 1 및 도 4에 따르면, Hf 미도핑 소자의 경우 SnO2에 의한 전이 특성은 나타났음에도 불구하고 그 특성이 매우 저조하고, 절연체에 완충막을 적용하여 그 특성을 향상시켰음에도 불구하고 드레인 전류가 매우 낮음을 알 수 있다. 또한, SnO2 TFT를 제작한 경우 낮은 이동도를 나타내는 단점이 있었다. According to Table 1 and FIG. 4, the Hf undoped element exhibits a very low characteristic even though the SnO 2 transition characteristic is exhibited, and the drain current is improved despite the improvement of the characteristic by applying a buffer film to the insulator. It is very low. In addition, when the SnO 2 TFT is manufactured, there is a disadvantage in that it exhibits low mobility.

이와 비교하여, 본 발명에 따른 Hf 도핑 소자의 경우 높은 드레인 전류를 나타내고 특성이 크게 향상됨을 볼 수 있다.
In contrast, it can be seen that the Hf doping element according to the present invention exhibits a high drain current and greatly improves characteristics.

실험예 3Experimental Example 3

도 5는 본 발명에 따른 Hf 도핑 SnO2 박막의 도핑양에 따른 소자의 전압-전류 특성 변화를 보여주는 그래프로, Device 1은 Hf 도핑량이 1.23 원자%, Device 4는 2.70 원자%를 나타낸다. 이때 소자들에 대한 특성을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.5 is a graph showing a change in the voltage-current characteristics of the device according to the doping amount of the Hf-doped SnO 2 thin film according to the present invention, Device 1 shows the Hf doping amount 1.23 atomic%, Device 4 is 2.70 atomic%. In this case, the properties of the devices are measured and shown in Table 2 below.

Device 1Device 1 Device 4Device 4
박막 구조

Thin film structure
채널층/두께Channel layer / thickness Hf 도핑 SnO2 박막/40nmHf Doped SnO 2 Thin Films / 40nm Hf 도핑 SnO2 박막/40nmHf Doped SnO 2 Thin Films / 40nm
도핑량Doping amount 1.23 원자%1.23 atomic% 2.70 원자%2.70 atomic% 절연막/두께Insulation film / thickness SiO2/100nmSiO 2 / 100nm SiO2/100nmSiO 2 / 100nm 소오스/드레인 전극/두께Source / Drain Electrode / Thickness Mo/300nmMo / 300nm Mo/300nmMo / 300nm
전기적 특성

Electrical characteristics
이동도(μFE)Mobility (μ FE ) 0.500.50 0.510.51
온/오프 전류(ION/OFF)On / Off Current (I ON / OFF ) 3.04×105 3.04 × 10 5 1.31×105 1.31 × 10 5 SS(V/decade)SS (V / decade) 1.681.68 1.521.52 Von(V)Von (V) -2.8-2.8 -9-9

도 5 및 표 2를 참조하면, Hf의 함량이 증가할수록 내부 캐리어는 감소했고, 이는 정공 분석(hall measurement)을 통해 분석한 특성과 일치한다. 또한, 동작 전압이 양(positive)로 이동(shift)하여 Hf 도핑에 의해 SnO2 박막 내부의 캐리어가 효과적으로 줄어들었음을 확인할 수 있다.
Referring to FIG. 5 and Table 2, as the content of Hf increases, the internal carriers decrease, which is consistent with the characteristics analyzed through hole measurement. In addition, it can be seen that the carrier voltage inside the SnO 2 thin film is effectively reduced by Hf doping because the operating voltage shifts positively.

실험예 4Experimental Example 4

도 6은 본 발명에 따른 Hf 도핑 SnO2 박막의 두께에 따른 소자의 전압-전류 특성 변화를 보여주는 그래프이며, 이때 소자들에 대한 특성을 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.6 is a graph showing the voltage-current characteristics of the device according to the thickness of the Hf-doped SnO 2 thin film according to the present invention, in which the characteristics of the devices are measured and shown in Table 3 below.

Device 1Device 1 Device 5Device 5
박막 구조

Thin film structure
산화물 반도체층/두께Oxide semiconductor layer / thickness Hf 도핑 SnO2 박막/40nmHf Doped SnO 2 Thin Films / 40nm Hf 도핑 SnO2 박막/100nmHf Doped SnO 2 Thin Films / 100nm
도핑량Doping amount 1.23 원자%1.23 atomic% 1.23 원자%1.23 atomic% 절연막/두께Insulation film / thickness SiO2/100nmSiO 2 / 100nm SiO2/100nmSiO 2 / 100nm 소오스/드레인 전극/두께Source / Drain Electrode / Thickness Mo/300nmMo / 300nm Mo/300nmMo / 300nm
전기적 특성

Electrical characteristics
이동도(μFE)Mobility (μ FE ) 0.500.50 4.284.28
온/오프 전류(ION/OFF)On / Off Current (I ON / OFF ) 3.04×105 3.04 × 10 5 2.16×104 2.16 × 10 4 SS(V/decade)SS (V / decade) 1.681.68 1.2221.222 Von(V)Von (V) -28-28 -38-38

도 6 및 표 3을 참조하면, 산화물 반도체층의 두께가 증가할수록 이동도가 약 9배 이상 증가하여 박막 두께의 조절을 통해서도 캐리어 농도가 효과적으로 조절될 수 있음을 알 수 있다.
Referring to FIG. 6 and Table 3, as the thickness of the oxide semiconductor layer increases, the mobility increases about 9 times or more, so that the carrier concentration can be effectively controlled by controlling the thickness of the thin film.

실험예 5Experimental Example 5

도 7은 본 발명에 따른 Hf 도핑 SnO2 박막을 포함하는 소자(Device 6), Hf 미도핑 SnO2 박막을 포함하는 소자(Device 2)의 전압-전류 특성 변화를 보여주는 그래프이고, 소자 특성을 측정하여 하기 표 4에 나타내었다.7 is a device including a Hf-doped SnO 2 thin film according to the present invention (Device 6), Hf undoped voltage of the device (Device 2) containing SnO 2 thin film - a graph showing the current characteristics change, measuring the device characteristics It is shown in Table 4 below.

Device 6Device 6 Device 2Device 2
박막 구조

Thin film structure
채널층/두께Channel layer / thickness Hf 도핑 SnO2 박막/40nmHf Doped SnO 2 Thin Films / 40nm SnO2 박막/40nmSnO 2 Thin Films / 40nm
도핑량Doping amount 2.70 원자%2.70 atomic% -- 절연막/두께Insulation film / thickness Si3N4/SiO2, (100/10nm),Si 3 N 4 / SiO 2, (100 / 10nm), Si3N4/SiO2, (100/10nm),Si 3 N 4 / SiO 2, (100 / 10nm), 소오스/드레인 전극/두께Source / Drain Electrode / Thickness Mo/300nmMo / 300nm Mo/300nmMo / 300nm
전기적 특성

Electrical characteristics
이동도(μFE)Mobility (μ FE ) 0.660.66 0.160.16
온/오프 전류(ION/OFF)On / Off Current (I ON / OFF ) 6.09×107 6.09 × 10 7 1.53×105 1.53 × 10 5 SS(V/decade)SS (V / decade) 0.7040.704 1.3641.364 Von(V)Von (V) -5-5 -3-3

도 7 및 표 4에 따르면, 본 발명에 따른 Hf 도핑 소자의 경우 드레인 전류가 크게 증가하고, 전기적 특성 또한 향상됨을 알 수 있다.
According to FIG. 7 and Table 4, in the case of the Hf doping device according to the present invention, it can be seen that the drain current is greatly increased and the electrical characteristics are also improved.

10: 기판 12: 게이트 전극
14: 게이트 절연막 16: 산화물 반도체층
18a: 소오스 전극 18b: 드레인 전극
10 substrate 12 gate electrode
14: gate insulating film 16: oxide semiconductor layer
18a: source electrode 18b: drain electrode

Claims (1)

채널층으로 반도체 산화물 박막을 포함하는 산화물 반도체 박막 트랜지스터에 있어서,
상기 반도체 산화물 박막은 Hf, Zr, Al, Ga, Ti 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속이 도핑된 SnO2 박막인 것인 산화물 반도체 박막 트랜지스터.
An oxide semiconductor thin film transistor comprising a semiconductor oxide thin film as a channel layer,
And the semiconductor oxide thin film is a SnO 2 thin film doped with one metal selected from the group consisting of Hf, Zr, Al, Ga, Ti, and combinations thereof.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2019135468A1 (en) * 2018-01-04 2019-07-11 서강대학교산학협력단 Radiation-resistant metal oxide semiconductor material, method for selecting same, and method for evaluating radiation durability of electronic device

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