KR20120064970A - Method of fabricating low temperature solution-processed oxide thin film and transistors comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 산화물 반도체 박막의 제조방법 및 상기 산화물 반도체 박막을 포함하는 트랜지스터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 350℃ 이하의 저온에서 산화물 반도체 박막을 형성하기 때문에, 공정 단가를 낮추고, 플렉시블 기판에 적용 가능하며, 대면적에 균일하게 산화물 반도체 박막을 형성할 수 있는 산화물 반도체 박막의 제조 방법 및 이를 이용한 박막 트랜지스터에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing an oxide semiconductor thin film and a transistor including the oxide semiconductor thin film, and more particularly, since the oxide semiconductor thin film is formed at a low temperature of 350 ° C. or lower, the process cost can be reduced and applied to a flexible substrate. In addition, the present invention relates to a method for manufacturing an oxide semiconductor thin film capable of forming an oxide semiconductor thin film uniformly in a large area, and a thin film transistor using the same.
본 발명은 저온 액상기반의 산화물 박막 트랜지스터의 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 낮은 분해 온도를 가지는 질산염 기반의 전구체를 이용한 산화물 반도체 박막을 제조하는 방법 및 이를 이용하여 저온 공정이 가능하고, 우수한 화학적 균질성, 공정의 용이성 및 저렴한 공정 비용 등의 장점을 가지는 적층형 산화물 박막 트랜지스터에 관한 기술이다.The present invention relates to a method for manufacturing a low-temperature liquid-based oxide thin film transistor, specifically a method for manufacturing an oxide semiconductor thin film using a nitrate-based precursor having a low decomposition temperature and low temperature process using the same, excellent chemical The present invention relates to a stacked oxide thin film transistor having advantages such as homogeneity, ease of processing, and low process cost.
최근 들어 산화물 반도체를 이용한 박막 트랜지스터가 기존에 널리 사용되고 있는 비정질 실리콘 기반의 박막 트랜지스터를 대체할 수 있을 것으로 기대되고 있으며, 특히 산화물 반도체를 이용한 유기발광다이오드(Organic Light Emitting Diodes; OLED) 등의 능동구동소자의 제조에 많은 관심이 집중되고 있다. 또한, 기존 비정질실리콘 반도체소자(Amorphous Si TFT)를 이용하는 액정표시장치(TFT-LCD)의 경우 낮은 이동도 (0.5 cm2/Vs 이하)로 인해 초고해상도(Ultra High Definition; UHD) 이상의 해상도를 구현하는 것이 불가능한데 비하여, 산화물 반도체는 이러한 문제를 해결할 수 있는 유력한 후보로 활발히 연구가 이루어지고 있다. 산화물 반도체는 수소화된 비정질 실리콘에 비하여 똑같이 비정질 상을 보이지만, 매우 우수한 이동도 (5~10 cm2/Vs 이상)를 보이기 때문에 초고해상도 LCD와 AMOLED에 적합한 성능을 나타낼 수 있다. 산화물 반도체는 스퍼터 방법이나 ALD(Atomic Layer Deposition) 등의 진공증착으로 제조가 가능하지만, 고가의 진공장비가 필요하다는 단점이 있다. 따라서 이러한 단점을 해결하기 위해 스핀코팅(Spin Coating) 또는 잉크젯 방법 등의 공정이 가능한 용액 공정이 제안되었다. 용액 공정으로 반도체층을 형성하기 위해서는 반도체 물질을 액상으로 만드는 것이 중요한데 이를 졸-겔(Sol-Gel)법이라고 한다. 하지만, 이러한 졸-겔 법을 이용하여 높은 이동도와 신뢰성을 가지는 산화물 반도체 박막 형성은 450℃ 이상의 고온 열처리가 필요하다는 단점이 있다. 450℃ 이상의 열처리 온도는 플라스틱 기판뿐만 아니라, 8세대 이상의 대형 유리 기판에 적용하기 힘든 온도이며, 차세대 디스플레이 적용을 위해서는 저온 공정을 이용한 용액공정 기반의 산화물 반도체 제조가 시급히 요구되고 있다.Recently, thin film transistors using oxide semiconductors are expected to replace amorphous silicon-based thin film transistors, which are widely used. In particular, active driving of organic light emitting diodes (OLEDs) using oxide semiconductors may be performed. Much attention is focused on the fabrication of devices. In addition, in the case of a liquid crystal display (TFT-LCD) using an amorphous silicon semiconductor (Amorphous Si TFT), because of the low mobility (0.5 cm 2 / Vs or less), the resolution higher than Ultra High Definition (UHD) is realized. While it is impossible to do this, oxide semiconductors are being actively researched as potential candidates to solve these problems. Oxide semiconductors exhibit the same amorphous phase as compared to hydrogenated amorphous silicon, but show very good mobility (more than 5-10 cm 2 / Vs), which makes them suitable for ultra-high resolution LCDs and AMOLEDs. Oxide semiconductors can be manufactured by vacuum deposition such as sputtering or atomic layer deposition (ALD), but have the disadvantage of requiring expensive vacuum equipment. Therefore, in order to solve this disadvantage, a solution process capable of a process such as spin coating or inkjet method has been proposed. In order to form a semiconductor layer by a solution process, it is important to make a semiconductor material in a liquid state, which is called a sol-gel method. However, the formation of an oxide semiconductor thin film having high mobility and reliability by using the sol-gel method has a disadvantage in that high temperature heat treatment of 450 ° C. or higher is required. The heat treatment temperature of 450 ° C. or higher is difficult to apply not only to plastic substrates but also to large glass substrates of 8 generations or more. For the next generation of display applications, an oxide semiconductor based on a solution process using a low temperature process is urgently required.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 기존의 용액 공정을 이용한 산화물 박막 형성은 450℃ 이상의 고온의 열처리가 필요하다는 단점을 극복하기 위해, 낮은 분해 온도를 가지는 질산염 기반의 전구체를 이용한 산화물 반도체 용액을 제조하는 방법 및 이를 이용하여 저온공정의 우수한 화학적 균질성, 공정의 용이함, 저렴한 공정 비용 등의 장점을 가지는 산화물 반도체 박막의 제조 및 그를 포함하는 적층형 산화물 박막 트랜지스터에 관한 것이다. 따라서 본 기술을 통해 기존의 제조 방법에 비해 낮은 공정 온도로 대면적 유리 기판 또는 플라스틱 기판 적용에 유리하며 저가의 공정이 가능한 용액 공정 기반의 산화물 반도체 박막의 제조방법 및 그로부터 형성되는 박막 트랜지스터를 제공하고자 한다.The present invention has been made to solve the above problems, in order to overcome the disadvantage that the oxide thin film formation using a conventional solution process requires a high temperature heat treatment of more than 450 ℃, using a nitrate-based precursor having a low decomposition temperature A method of preparing an oxide semiconductor solution, and a method of manufacturing an oxide semiconductor thin film having advantages such as excellent chemical homogeneity of low temperature process, ease of processing, and low process cost using the same, and a stacked oxide thin film transistor including the same. Therefore, the present technology provides a method of manufacturing a solution process-based oxide semiconductor thin film and a thin film transistor formed therefrom, which are advantageous for application of a large area glass substrate or a plastic substrate at a lower process temperature than a conventional manufacturing method and enable a low cost process. do.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 측면은, 인듐 또는 주석을 공급하는 제 1 화합물; 아연을 공급하는 제 2 화합물; 및 갈륨, 하프늄, 마그네슘, 알루미늄, 이트륨, 탄탈륨, 타이타늄, 지르코늄, 바륨, 란사늄, 망간, 텅스텐, 몰리브덴, 크롬, 스칸디움, 실리콘 및 스트론튬으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 공급하는 제 3 화합물을 함유하는 분산질에, 상기 분산질을 용해시킬 수 있는 분산매를 혼합하여 산화물 반도체 용액을 만드는 단계; 기판 위에 상기 용액을 도포하는 단계; 및 상기 도포된 박막을 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용액 공정을 이용한 산화물 반도체 박막 제조방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the first aspect of the present invention, the first compound for supplying indium or tin; A second compound supplying zinc; And a third compound supplying at least one selected from the group consisting of gallium, hafnium, magnesium, aluminum, yttrium, tantalum, titanium, zirconium, barium, lansanium, manganese, tungsten, molybdenum, chromium, scandium, silicon and strontium Mixing a dispersant containing a dispersant with a dispersant containing a dispersant to form an oxide semiconductor solution; Applying the solution onto a substrate; And it provides an oxide semiconductor thin film manufacturing method using a solution process comprising the step of heat-treating the coated thin film.
바람직하게 상기 제1화합물은 인듐 니트레이트 하이드레이트(Indium nitrate hydrate)이고, 상기 제2화합물은 아연 니트레이트 하이드레이트(Zinc nitrate hydrate)이며, 상기 제3화합물은 갈륨 니트레이트 하이드레이트(Gallium nitrate hydrate), 마그네슘 니트레이트 하이드레이트(Magnsium nitrate hydrate), 알루미늄 니트레이트(Aluminum nitrate), 이트륨 니트레이트(Yttrium nitrate), 바륨 니트레이트(Barium nitrate), 란사늄 니트레이트(Lanthanum nitrate), 망간 니트레이트(Manganese nitrate), 크롬 니트레이트(Chromium nitrate), 스칸디움 니트레이트(Scandium nitrate) 및 스트론튬 니트레이트(Strontium nitrate)로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. Preferably, the first compound is indium nitrate hydrate, the second compound is zinc nitrate hydrate, and the third compound is gallium nitrate hydrate, magnesium Magnium nitrate hydrate, Aluminum nitrate, Yttrium nitrate, Barium nitrate, Lanthanum nitrate, Manganese nitrate, It may be at least one selected from the group consisting of chromium nitrate, scandium nitrate, and strontium nitrate.
바람직하게, 상기 분산매는 이소프로판올(isopropanol), 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol), 디메틸포름아마이드(dimethylformamide), 에탄올(ethanol), 탈이온수(deionized water), 메탄올(methanol), 아세틸아세톤(acetylacetone), 디메틸아민보란(dimethylamineborane) 및 아세토니트릴(acetonitrile)로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. Preferably, the dispersion medium is isopropanol (isopropanol), 2-methoxyethanol (2-methoxyethanol), dimethylformamide (dimethylformamide), ethanol (ethanol), deionized water, methanol (methanol), acetylacetone ), Dimethylamine borane (dimethylamineborane) and acetonitrile (acetonitrile) may be one or more selected from the group consisting of.
바람직하게, 상기 산화물 반도체 용액은 추가로 모노-에탄올아민(mono-ethanolamine), 디-에탄올아민(di-ethanolamine) 및 트리-에탄올아민(tri-ethanolamine) 아세틸아세토네이트 (Acetylacetonate), 에틸렌다이아민(ethylenediamine) 및 테트라메틸에틸렌다이아민(tetramethlyethylendiamine)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 첨가제를 상기 제1 내지 제3 화합물과 동일한 농도 내지 10배의 농도로 포함할 수 있다.Preferably, the oxide semiconductor solution further comprises mono-ethanolamine, di-ethanolamine and tri-ethanolamine acetylacetonate, ethylenediamine ( One or more additives selected from the group consisting of ethylenediamine) and tetramethlyethylendiamine may be included in the same concentration to the concentration of 10 to 10 times the first to third compounds.
바람직하게, 상기 제1화합물 내지 제3화합물의 농도는 각각 0.1M 내지 10M일 수 있다.Preferably, the concentration of the first compound to the third compound may be 0.1M to 10M, respectively.
바람직하게, 상기 용액을 도포하는 방법은 스핀 코팅, 딥 코팅, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 스프레이 법 또는 롤-투-롤 공정일 수 있다.Preferably, the method of applying the solution may be a spin coating, dip coating, inkjet printing, screen printing, spray method or roll-to-roll process.
바람직하게, 상기 열처리는 200 내지 350℃에서 실시한다.Preferably, the heat treatment is carried out at 200 to 350 ℃.
본 발명의 제2 측면은, 산화물 반도체 박막, 상기 산화물 반도체 박막과 중첩하는 게이트 전극, 산화물 반도체 박막과 전기적으로 연결되어 있는 소스 전극 및 산화물 반도체 박막과 전기적으로 연결되어 있으며 상기 소스 전극과 마주하는 드레인 전극을 포함하고, 상기 산화물 반도체 박막은 두 종류 이상 산화물 반도체의 적층 형태인 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터를 제공한다.A second aspect of the present invention is an oxide semiconductor thin film, a gate electrode overlapping the oxide semiconductor thin film, a source electrode electrically connected to the oxide semiconductor thin film, and a drain electrically connected to the oxide semiconductor thin film and facing the source electrode. It includes an electrode, the oxide semiconductor thin film provides a thin film transistor, characterized in that the stack of two or more kinds of oxide semiconductor.
바람직하게, 상기 산화물 반도체 박막은 인듐 니트레이트 하이드레이트(Indium nitrate hydrate); 아연 니트레이트 하이드레이트(Zinc nitrate hydrate); 및 갈륨 니트레이트 하이드레이트(Gallium nitrate hydrate), 마그네슘 니트레이트 하이드레이트(Magnsium nitrate hydrate), 알루미늄 니트레이트(Aluminum nitrate), 이트륨 니트레이트(Yttrium nitrate), 바륨 니트레이트(Barium nitrate), 란사늄 니트레이트(Lanthanum nitrate), 망간 니트레이트(Manganese nitrate), 크롬 니트레이트(Chromium nitrate), 스칸디움 니트레이트(Scandium nitrate) 및 스트론튬 니트레이트(Strontium nitrate)로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 산화물 반도체 용액을 기판 상에 도포하고 200 내지 350℃에서 열처리함으로써 형성되는 것이다.Preferably, the oxide semiconductor thin film is indium nitrate hydrate (Indium nitrate hydrate); Zinc nitrate hydrate; And gallium nitrate hydrate, magnesium nitrate hydrate, aluminum nitrate, yttrium nitrate, barium nitrate, lansanium nitrate Oxide semiconductors, including one or more selected from the group consisting of Lanthanum nitrate, Manganese nitrate, Chromium nitrate, Scandium nitrate, and Strontium nitrate It is formed by applying a solution on a substrate and heat-treating at 200 to 350 ° C.
바람직하게, 상기 산화물 반도체 박막은 고전도성 산화물 반도체 박막층 및 전도성 조절용 산화물 반도체 박막층을 포함한다.Preferably, the oxide semiconductor thin film includes a highly conductive oxide semiconductor thin film layer and an oxide semiconductor thin film layer for controlling conductivity.
본 발명의 제3 측면은, 주석 니트레이트 하이드레이트(Tin nitrate hydrate) 또는 인듐 니트레이트 하이드레이트(Indium nitrate hydrate); 아연 니트레이트 하이드레이트(Zinc nitrate hydrate); 및 갈륨 니트레이트 하이드레이트(Gallium nitrate hydrate), 마그네슘 니트레이트 하이드레이트(Magnsium nitrate hydrate), 알루미늄 니트레이트(Aluminum nitrate), 이트륨 니트레이트(Yttrium nitrate), 바륨 니트레이트(Barium nitrate), 란사늄 니트레이트(Lanthanum nitrate), 망간 니트레이트(Manganese nitrate), 크롬 니트레이트(Chromium nitrate), 스칸디움 니트레이트(Scandium nitrate) 및 스트론튬 니트레이트(Strontium nitrate)로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 분산질 및 이소프로판올(isopropanol), 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol), 디메틸포름아마이드(dimethylformamide), 에탄올(ethanol), 탈이온수(deionized water), 메탄올(methanol), 아세틸아세톤(acetylacetone), 디메틸아민보란(dimethylamineborane) 및 아세토니트릴(acetonitrile)로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 분산매를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 용액을 제공한다.A third aspect of the present invention is a tin nitrate hydrate (Tin nitrate hydrate) or Indium nitrate hydrate (Indium nitrate hydrate); Zinc nitrate hydrate; And gallium nitrate hydrate, magnesium nitrate hydrate, aluminum nitrate, yttrium nitrate, barium nitrate, lansanium nitrate One or more dispersants and isopropanols selected from the group consisting of Lanthanum nitrate, Manganese nitrate, Chromium nitrate, Scandium nitrate and Strontium nitrate isopropanol, 2-methoxyethanol, dimethylformamide, ethanol, deionized water, methanol, acetylacetone, dimethylamineborane And at least one dispersion medium selected from the group consisting of acetonitrile (acetonitrile) It provides a nitride semiconductor solution.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 산화물 반도체 박막 및 산화물 박막 트랜지스터의 제조 방법에 따르면, 350℃ 이하에서 질산염 전구체 또는 적층형 기반의 산화물 반도체 박막의 형성이 가능하므로, 기존 450℃ 이상의 고온의 열처리 과정에 따른 비용 절감의 효과가 있으며, 350℃ 이하의 온도를 이용하므로 플렉시블 기판에 적용이 용이하다는 이점이 있다. 또한 본 발명에 따르면, 450℃ 이상의 고온 열처리 온도를 350℃ 이하로 낮추어 대면적의 유리 기판에 균일한 산화물 반도체 박막의 도포가 가능하다.According to the method of manufacturing the oxide semiconductor thin film and the oxide thin film transistor of the present invention as described above, it is possible to form a nitrate precursor or a stacked-based oxide semiconductor thin film at 350 ℃ or less, according to the high temperature heat treatment process of the existing 450 ℃ There is an effect of reducing the cost, there is an advantage that it is easy to apply to a flexible substrate because it uses a temperature of 350 ℃ or less. Further, according to the present invention, the high temperature heat treatment temperature of 450 ° C. or higher is lowered to 350 ° C. or lower, so that a uniform oxide semiconductor thin film can be applied to a large area glass substrate.
도 1은 본 발명의 용액 공정을 이용한 산화물 반도체 박막을 포함하는 전자 소자 제조 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질산염 기반의 전구체와 아세테이트 기반의 전구체를 비교한 FT-IR 분석 결과이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질산염 기반의 전구체와 아세테이트 기반의 전구체를 이용한 AIZO 산화물 반도체 트랜지스터의 트랜스퍼 특성을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 적층형 산화물 박막 트랜지스터의 구조를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 적층형 산화물 박막 트랜지스터의 HR-TEM 촬영 결과이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 적층형 산화물 반도체 박막의 트랜스미턴스 측정 결과이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 적층형 산화물 반도체 박막 각각의 XRD 분석 결과를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 적층형 산화물 박막 트랜지스터의 트랜스퍼 특성을 나타낸다.1 is a flowchart of an electronic device manufacturing method including an oxide semiconductor thin film using the solution process of the present invention.
2 is a result of FT-IR analysis comparing a nitrate-based precursor and an acetate-based precursor according to an embodiment of the present invention.
3 illustrates transfer characteristics of an AIZO oxide semiconductor transistor using a nitrate-based precursor and an acetate-based precursor according to an embodiment of the present invention.
4 illustrates a structure of a stacked oxide thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present invention.
5 is a HR-TEM photographing result of the stacked oxide thin film transistor according to the embodiment of the present invention.
6 is a result of measuring the transmittance of the stacked oxide semiconductor thin film according to the embodiment of the present invention.
7 shows the XRD analysis results of each of the stacked oxide semiconductor thin films according to the exemplary embodiment of the present invention.
8 illustrates transfer characteristics of a stacked oxide thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예들을 설명하기로 한다. Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
본 실시예는 350℃ 이하의 저온에서 졸-겔 공정을 이용하여 산화물 반도체 박막을 형성하는 제조 방법에 관한 것으로, 질산염 전구체를 이용하여 저온에서 산화물 반도체 박막을 형성하는 방법 및 저온에서 고성능의 박막트랜지스터를 제작하기 위해 산화물 반도체 박막의 적층형 채널을 형성하는 방법에 관한 것이다. The present embodiment relates to a method for forming an oxide semiconductor thin film using a sol-gel process at a low temperature of 350 ℃ or less, a method of forming an oxide semiconductor thin film at a low temperature using a nitrate precursor and a high performance thin film transistor at a low temperature The present invention relates to a method for forming a stacked channel of an oxide semiconductor thin film to produce a.
도 1은 본 발명인 저온 액상기반의 산화물 박막 트랜지스터 제작 방법을 도식화한 그림이다. 산화물 박막 트랜지스터 제작 방법은 전자 소자 제작을 위하여, 산화물 반도체 용액을 제조하는 단계, 준비된 기판위에 상기 제작된 용액을 도포하는 단계, 도포된 박막을 열처리하는 단계, 박막 트랜지스터 전자 소자를 위하여 전극을 증착하는 단계 및 전자 소자를 평가하는 단계로 나타낼 수 있다. 1 is a diagram illustrating a method for fabricating an oxide thin film transistor based on a low temperature liquid phase of the present invention. In the method of fabricating an oxide thin film transistor, an oxide semiconductor solution is prepared for manufacturing an electronic device, applying the prepared solution on a prepared substrate, heat treating the applied thin film, and depositing an electrode for the thin film transistor electronic device. The step and the step of evaluating the electronic device can be represented.
첫 번째 단계인 산화물 반도체 용액을 제조하는 단계에서 산화물 반도체의 성분 및 조성의 조절이 가능하다. 산화물 반도체의 제1원소로서 인듐 또는 주석을 공급하는 제 1 화합물; 제2원소로서 아연을 공급하는 제 2 화합물; 및 제3원소로서 갈륨, 하프늄, 마그네슘, 알루미늄, 이트륨, 탄탈륨, 타이타늄, 지르코늄, 바륨, 란사늄, 망간, 텅스텐, 몰리브덴, 크롬, 스칸디움, 실리콘 및 스트론튬으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 공급하는 제 3 화합물을 함유하는 분산질에, 상기 분산질을 용해시킬 수 있는 분산매를 혼합하고 350 rpm에서 스터링 및 70℃에서 30분 간 에이징 단계를 거쳐 산화물 반도체 용액을 제조한다.In the step of preparing an oxide semiconductor solution, which is the first step, it is possible to control the composition and composition of the oxide semiconductor. A first compound which supplies indium or tin as the first element of the oxide semiconductor; A second compound which supplies zinc as a second element; And at least one selected from the group consisting of gallium, hafnium, magnesium, aluminum, yttrium, tantalum, titanium, zirconium, barium, lansanium, manganese, tungsten, molybdenum, chromium, scandium, silicon and strontium To the dispersoid containing the third compound, a dispersion medium capable of dissolving the dispersant is mixed, followed by stirring at 350 rpm and an aging step at 70 ° C. for 30 minutes to prepare an oxide semiconductor solution.
바람직하게 상기 제1화합물은 인듐 니트레이트 하이드레이트(Indium nitrate hydrate)이고, 제2화합물은 아연 니트레이트 하이드레이트(Zinc nitrate hydrate)이며, 상기 제3화합물은 갈륨 니트레이트 하이드레이트(Gallium nitrate hydrate), 마그네슘 니트레이트 하이드레이트(Magnsium nitrate hydrate), 알루미늄 니트레이트(Aluminum nitrate), 이트륨 니트레이트(Yttrium nitrate), 바륨 니트레이트(Barium nitrate), 란사늄 니트레이트(Lanthanum nitrate), 망간 니트레이트(Manganese nitrate), 크롬 니트레이트(Chromium nitrate), 스칸디움 니트레이트(Scandium nitrate) 및 스트론튬 니트레이트(Strontium nitrate)로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.Preferably, the first compound is indium nitrate hydrate, the second compound is zinc nitrate hydrate, and the third compound is gallium nitrate hydrate, magnesium nitrate. Magnium nitrate hydrate, Aluminum nitrate, Yttrium nitrate, Barium nitrate, Lanthanum nitrate, Manganese nitrate, Chrome It may be at least one selected from the group consisting of chromium nitrate, scandium nitrate, and strontium nitrate.
또한 상기 용액은 졸 안정제로서, 모노-에탄올아민(mono-ethanolamine), 디-에탄올아민(di-ethanolamine) 및 트리-에탄올아민(tri-ethanolamine) 아세틸아세토네이트 (Acetylacetonate), 에틸렌다이아민(ethylenediamine) 및 테트라메틸에틸렌다이아민(tetramethlyethylendiamine)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 첨가제는 상기 제1화합물 내지 제3화합물과 동일한 몰수 내지 10배의 몰수로 사용될 수 있다. 상기 몰수보다 적은 양으로 사용할 경우에는 졸 안정화 효과를 기대할 수 없고, 너무 많은 양으로 사용하면 박막 형성시 나쁜 영향을 미칠 수 있기 때문이다. In addition, the solution is a sol stabilizer, mono-ethanolamine (mono-ethanolamine), di-ethanolamine (tri-ethanolamine) and tri-ethanolamine (acetylacetonate), ethylenediamine (ethylenediamine) And tetramethyl ethylene diamine (tetramethlyethylendiamine) may include one or more additives selected from the group consisting of. The additive may be used in the same number of moles to 10 times the number of moles of the first compound to the third compound. This is because when used in an amount less than the number of moles, the sol stabilization effect cannot be expected, and when used in an excessively large amount, it may adversely affect thin film formation.
제2원소에 대한 제1원소의 원자수 비율은 바람직하게 1:9 내지 9:1이다.The atomic number ratio of the first element to the second element is preferably 1: 9 to 9: 1.
제2원소에 대한 제3원소의 원자수 비율은 바람직하게 1:0.01 내지 1:1이다.The atomic number ratio of the third element to the second element is preferably 1: 0.01 to 1: 1.
상기와 같이 제1원소 내지 제3원소의 원자수 비율을 한정한 것은, 다성분계 산화물 반도체 제조에 있어서 산화물 반도체 박막의 캐리어 농도를 조절하기 위함이다. 즉, 본 발명에서 목표로 하는 반도체 특성을 가지는 산화물 반도체 박막을 졸-겔 법으로 제작하기 위해서는 상기 범위의 비율로 제1원소 내지 제3원소 성분을 조절해야 한다. 상기 범위를 벗어나게 되면, 본 발명에서 제조하고자하는 반도체 특성이 아닌, 인슐레이터나 전도체와 같은 특성을 나타낼 수 있기 때문이다.As described above, the atomic number ratio of the first element to the third element is limited in order to control the carrier concentration of the oxide semiconductor thin film in producing a multicomponent oxide semiconductor. That is, in order to manufacture the oxide semiconductor thin film having the semiconductor characteristics targeted by the present invention by the sol-gel method, the first element to the third element components must be adjusted in the ratio of the above range. This is because, if it is out of the above range, it may exhibit characteristics such as an insulator or a conductor, rather than a semiconductor characteristic to be manufactured in the present invention.
기판은 유리, 플라스틱, 실리콘 또는 합성수지와 같은 절연성을 띠는 재질 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않고 제작하고자 할 전자 소자의 종류에 따라 선택될 수 있다. The substrate may be made of an insulating material such as glass, plastic, silicon, or synthetic resin, but is not limited thereto and may be selected according to the type of electronic device to be manufactured.
산화물 반도체 용액을 도포하는 방법은 스핀 코팅, 딥 코팅, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 스프레이 법, 롤-투-롤 공정 등을 포함한다. Methods of applying the oxide semiconductor solution include spin coating, dip coating, inkjet printing, screen printing, spray method, roll-to-roll process and the like.
도포된 산화물 반도체 용액의 열처리는 퍼니스, 핫플레이트, Rapid Thermal Annealing 등을 이용한다. 또한, 열처리 후에는 상기 가해지는 열과 대등한 에너지원인 레이저, UV, 플라즈마, 압력을 이용한 후처리를 추가로 실시할 수 있다. Heat treatment of the applied oxide semiconductor solution using a furnace, hot plate, Rapid Thermal Annealing and the like. In addition, after the heat treatment, post-treatment using laser, UV, plasma, and pressure, which are energy sources equivalent to the applied heat, may be further performed.
현재 디스플레이 및 반도체 소자에 활발히 연구되어지고 있는 산화물 반도체 박막, 예컨대 IZO(In-ZnO), IGZO(In-Ga-ZnO), ISZO(In-Sn-ZnO), SZO(Sn-ZnO), SGZO(Sn-Ga-ZnO), TGZO(Tl-Ga-ZnO), 또는 TZO(Tl-ZnO)의 형성 시에 각 원소를 제공하는 전구체로서 질산염(Nitrate) 기반의 전구체를 사용하는 것이 공정의 저온화에 유리함을 증명하기 위해, 질산염 기반의 전구체 용액과 아세테이트 기반의 전구체 용액에 대한 퓨리에 변환 적외선 분광기(FT-IR) 분석 결과를 제시한다. Oxide semiconductor thin films currently being actively studied in display and semiconductor devices, such as IZO (In-ZnO), IGZO (In-Ga-ZnO), ISZO (In-Sn-ZnO), SZO (Sn-ZnO), SGZO ( Using a nitrate-based precursor as a precursor to provide each element in the formation of Sn-Ga-ZnO), TGZO (Tl-Ga-ZnO), or TZO (Tl-ZnO) is a process to lower the temperature of the process. To demonstrate the advantages, we present Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) analysis results for nitrate based precursor solutions and acetate based precursor solutions.
도 2는 각 전구체의 퓨리에 변환 적외선 분광기(FT-IR) 분석 결과이며, 각 전구체의 온도별 분자 구조를 통해 산화물 반도체 박막의 형성 및 잔존 유기물의 존재 여부에 대한 분석을 실시하였다. FT-IR 분석법은 특정 화합물의 분자 구조 파악을 통해 산화물 반도체 박막의 형성 여부 및 잔존 유기물 존재 여부를 파악할 수 있는 분석으로 널리 활용되고 있다. 측정 조건은 상온, 150℃, 300℃, 450℃로 설정하였으며, 측정 결과 도 2에서와 같이 질산염 기반의 전구체 용액이 300℃ 이상에서 급격하게 NO와 관련한 값이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 질산염 기반의 전구체로부터 산화물 반도체 물질이 형성되었음을 의미한다. 또한 450℃ 이상에서는 잔존 유기물들이 모두 제거되었음을 확인할 수 있다. 반면, 아세테이트 기반의 전구체는 질산염 기반의 전구체 용액과는 달리 300℃에서도 CHO와 관련한 값의 변화가 없음을 확인할 수 있다. 이는 아세테이트 기반의 전구체가 산화물 반도체 물질로 형성되기 위해서는 300℃보다 높은 온도의 고온의 열처리가 필요함을 의미하며, 본 발명의 목적인 저온 기반의 산화물 박막 트랜지스터 제조에 질산염 기반의 전구체가 중요한 핵심 물질임을 확인할 수 있다.FIG. 2 is a result of Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) analysis of each precursor, and the formation of the oxide semiconductor thin film and the presence of remaining organic materials were performed through the molecular structure of each precursor for each temperature. The FT-IR method is widely used as an analysis for determining the formation of oxide semiconductor thin films and the presence of remaining organic substances by determining the molecular structure of a specific compound. The measurement conditions were set to room temperature, 150 ° C, 300 ° C, and 450 ° C. As a result, as shown in FIG. 2, the nitrate-based precursor solution suddenly decreased above 300 ° C. This means that an oxide semiconductor material is formed from a nitrate based precursor. In addition, it can be confirmed that all of the remaining organic substances were removed at 450 ° C or higher. On the other hand, acetate-based precursors, unlike the nitrate-based precursor solution can be seen that there is no change in the value associated with CHO even at 300 ℃. This means that a high temperature heat treatment at a temperature higher than 300 ° C. is required to form an acetate-based precursor into an oxide semiconductor material, and it is confirmed that a nitrate-based precursor is an important core material for manufacturing a low temperature-based oxide thin film transistor. Can be.
보다 구체적으로 질산염 기반의 전구체가 산화물 박막 트랜지스터의 저온화에 유리함을 파악하기 위하여, 300℃에서 열처리를 실시한 산화물 박막 트랜지스터를 제조하여 이에 대한 효과를 분석하였다. 산화물 박막 트랜지스터의 제조법은 도 1에서 설명한 바와 같이, 전자 소자 제작을 위하여 원하는 물질의 산화물 용액을 제조하는 단계, 상기 제작된 용액을 이용하여 준비된 기판위에 산화물 박막 형성을 위하여 도포하는 단계, 도포된 박막을 열처리하는 단계, 박막 트랜지스터 전자 소자를 위하여 전극을 증착하는 단계 및 전자 소자를 평가하는 단계로 제작 및 평가하였다. 여기서, 산화물 반도체는 졸-겔(Sol-Gel)법 등과 같이 액상으로 제조하여 게이트 절연층 상에 도포하는 것이 가능하며, 예컨대, 스크린 프린팅(Screen Printing)법, 스핀 코팅(Spin Coating)법 또는 잉크젯(Ink-jet)법 등을 이용하는 것이 가능하며, 이에 국한되지는 않는다. 또한, 본 발명의 산화물 반도체 제조용 조성물에 포함되는 분산매는 상기 금속 화합물을 용해시킬 수 있는 것이면 한정없이 사용 가능하다. 구체적으로는, 이소프로판올(isopropanol), 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol), 디메틸포름아마이드(dimethylformamide), 에탄올(ethanol), 탈이온수(deionized water), 메탄올(methanol), 아세틸아세톤(acetylacetone), 디메틸아민보란(dimethylamineborane) 또는 아세토니트릴(acetonitrile)을 사용할 수 있다. More specifically, in order to find out that the nitrate-based precursor is advantageous in lowering the temperature of the oxide thin film transistor, an oxide thin film transistor subjected to heat treatment at 300 ° C. was manufactured and analyzed for its effect. As described in FIG. 1, the method of manufacturing an oxide thin film transistor includes preparing an oxide solution of a desired material for manufacturing an electronic device, applying an oxide thin film to a substrate prepared using the prepared solution, and forming a thin film. It was produced and evaluated by the step of heat treatment, the step of depositing the electrode for the thin film transistor electronic device and the step of evaluating the electronic device. In this case, the oxide semiconductor may be manufactured in a liquid state such as a sol-gel method and coated on the gate insulating layer. For example, a screen printing method, a spin coating method, or an inkjet method may be used. It is possible to use the (Ink-jet) method and the like, but is not limited thereto. The dispersion medium included in the composition for producing an oxide semiconductor of the present invention can be used without limitation as long as it can dissolve the metal compound. Specifically, isopropanol, 2-methoxyethanol, dimethylformamide, ethanol, deionized water, methanol, acetylacetone, Dimethylamineborane or acetonitrile may be used.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질산염 기반의 전구체를 사용한 산화물 박막 트랜지스터와 아세테이트 기반의 전구체를 사용한, 300℃에서 열처리를 실시한 산화물 박막 트랜지스터의 트랜스퍼 결과를 나타낸다. 도 3에 나타난 바와 같이, 질산염 기반의 전구체를 사용한 AIZO 산화물 반도체의 박막 트랜지스터의 특성 (ex, 전자이동도, 스위칭 특성 등)은 아세테이트 기반의 전구체를 사용한 AIZO 산화물 반도체의 박막 트랜지스터 특성보다 우수한 값을 나타냄을 확인이 가능하다.3 illustrates transfer results of an oxide thin film transistor using an nitrate based precursor and an oxide thin film transistor subjected to heat treatment at 300 ° C. using an acetate based precursor according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the characteristics (ex, electron mobility, switching characteristics, etc.) of the thin film transistor of the AIZO oxide semiconductor using the nitrate-based precursor are superior to those of the thin film transistor of the AIZO oxide semiconductor using the acetate-based precursor. It can be confirmed.
다음으로, 저온기반의 산화물 박막 트랜지스터의 제조에 대해 도면과 함께 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 서술하고자 한다. 단, 하기의 실시예는 발명의 설명을 목적으로 한 것 본 발명의 보호범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.Next, a detailed description of the production of the low-temperature-based oxide thin film transistor will be described with reference to the accompanying drawings. However, the following examples are for the purpose of illustration and should not be construed as limiting the protection scope of the present invention.
도 4에 도시된 바와 같이, 350℃에서 적층형 산화물 반도체 박막 트랜지스터를 제작하기 위해, 기판 상에 게이트 전극을 형성한다. 여기서, 게이트 전극은 기판 상에 투명성을 띠는 도전성 금속, 예컨대 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), ITZO(indium tin zinc oxide), GZO(gallium zinc oxide) 또는 반투명 메탈 중 어느 하나의 금속을 예컨대, 스퍼터링 등에 의해 증착한 뒤, 이를 소정 형상으로 패터닝하여 형성할 수 있는데, 이에 국한하지는 않는다. 또한, 기판은 예컨대, 유리, 플라스틱, 실리콘 또는 합성수지와 같은 절연성을 띠는 재질로 형성할 수 있으며, 유리 기판과 같은 투명 기판이 바람직한데, 이에 국한하지는 않는다.As shown in FIG. 4, a gate electrode is formed on a substrate to fabricate a stacked oxide semiconductor thin film transistor at 350 ° C. FIG. The gate electrode may be any one of a conductive metal having transparency on a substrate, such as indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), indium tin zinc oxide (ITZO), gallium zinc oxide (GZO), or translucent metal. The metal may be formed by, for example, sputtering or the like, and then patterning the metal into a predetermined shape, but is not limited thereto. In addition, the substrate may be formed of an insulating material such as, for example, glass, plastic, silicon, or synthetic resin, and a transparent substrate such as a glass substrate is preferable, but is not limited thereto.
이어서, 도 4에 도시된 바와 같이, 게이트 전극을 포함한 기판 상에 게이트 절연층을 형성한다. 게이트 절연층은 예컨대, 산화막, 질화막 또는 투명 절연성 재료를 예컨대, PECVD(plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 법 등으로 증착하여 형성할 수 있는데, 이에 국한하지는 않는다. Next, as shown in FIG. 4, a gate insulating layer is formed on the substrate including the gate electrode. The gate insulating layer may be formed by, for example, depositing an oxide film, a nitride film, or a transparent insulating material by, for example, a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method, but is not limited thereto.
다음으로 게이트 절연층 위에 산화물 반도체층을 형성한다. 여기서, 산화물 반도체는 예컨대, InGaZnO, ZnO, ZrInZnO, InZnO, AlInZnO, ZnO, InGaZnO4, ZnInO, ZnSnO, In2O3, Ga2O3, HfInZnO, GaInZnO, HfO2, SnO2, WO3, TiO2, Ta2O5, In2O3SnO2, MgZnO, ZnSnO3, ZnSnO4, CdZnO, CuAlO2, CuGaO2, Nb2O5 및 TiSrO3 중 선택되는 1종 이상을 포함하는 산화물 반도체를 제조하기 위하여 인듐 니트레이트 하이드레이트(Indium nitrate hydrate); 아연 니트레이트 하이드레이트(Zinc nitrate hydrate); 및 갈륨 니트레이트 하이드레이트(Gallium nitrate hydrate), 마그네슘 니트레이트 하이드레이트(Magnsium nitrate hydrate), 알루미늄 니트레이트(Aluminum nitrate), 이트륨 니트레이트(Yttrium nitrate), 바륨 니트레이트(Barium nitrate), 란사늄 니트레이트(Lanthanum nitrate), 망간 니트레이트(Manganese nitrate), 크롬 니트레이트(Chromium nitrate), 스칸디움 니트레이트(Scandium nitrate) 및 스트론튬 니트레이트(Strontium nitrate)로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 전구체를 예컨대, 졸-겔(Sol-Gel)법 등과 같이 액상으로 제조하여 게이트 절연층 상에 도포하는 것이 가능하다. 도포는 예컨대, 스크린 프린팅(Screen Printing)법, 스핀 코팅(Spin Coating)법 또는 잉크젯(Ink-jet)법 등을 이용하는 것이 가능하며, 이에 국한되지는 않는다.Next, an oxide semiconductor layer is formed over the gate insulating layer. The oxide semiconductor may be, for example, InGaZnO, ZnO, ZrInZnO, InZnO, AlInZnO, ZnO, InGaZnO 4 , ZnInO, ZnSnO, In 2 O 3 , Ga 2 O 3 , HfInZnO, GaInZnO, HfO 2 , SnO 2 , WO 3 , TiO Manufacture of an oxide semiconductor comprising at least one selected from 2 , Ta 2 O 5 , In 2 O 3 SnO 2 , MgZnO, ZnSnO 3 , ZnSnO 4 , CdZnO, CuAlO 2 , CuGaO 2 , Nb 2 O 5, and TiSrO 3 Indium nitrate hydrate (Indium nitrate hydrate) to; Zinc nitrate hydrate; And gallium nitrate hydrate, magnesium nitrate hydrate, aluminum nitrate, yttrium nitrate, barium nitrate, lansanium nitrate One or more precursors selected from the group consisting of Lanthanum nitrate, Manganese nitrate, Chromium nitrate, Scandium nitrate, and Strontium nitrate are, for example, sol It is possible to make a liquid and apply it onto the gate insulating layer, such as a gel-sol method. The coating may be, for example, screen printing, spin coating, ink-jet, or the like, but is not limited thereto.
다음으로, 기판 상에 도포된 산화물 반도체 용액을 200℃ 내지 600℃에서 열처리하여 기판 상에 산화물 반도체 박막을 형성한다. 상기 열처리는 퍼니스, 핫플레이트, Rapid Thermal Annealing 등을 이용하며 본 발명에서 열처리 공정은 특히 350℃ 이하에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.Next, the oxide semiconductor solution applied on the substrate is heat-treated at 200 ° C to 600 ° C to form an oxide semiconductor thin film on the substrate. The heat treatment uses a furnace, a hot plate, Rapid Thermal Annealing, etc. The heat treatment process in the present invention is characterized in that it is carried out in particular 350 ℃ or less.
상기 열처리는 산화물 반도체 용액의 제조상 필요한, 예컨대, 솔벤트 또는 안정제 등의 첨가제를 증발시켜 제거하기 위한 공정이다. 본 발명의 실시예에 따른 적층형 산화물 박막 트랜지스터의 제조 방법에서는 예컨대, 2종류 이상의 산화물 박막을 적층 형태로 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 이용되는 산화물 박막의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대, 프론트 채널로는 고전도성의 InZnO(IZO) 박막을 형성하고, 백 채널로는 채널의 전도성 조절 및 문턱 전압 조절을 위해 AlInZnO(AIZO) 박막을 형성하는 등, 본 발명의 실시예에 적용할 수 있는 한 다양한 종류의 산화물을 이용하는 것이 가능하다. The heat treatment is a process for evaporating and removing an additive, such as a solvent or a stabilizer, necessary for the production of the oxide semiconductor solution. In the method for manufacturing a stacked oxide thin film transistor according to an embodiment of the present invention, for example, it is preferable to form two or more kinds of oxide thin films in a stacked form. In this case, the type of the oxide thin film used is not particularly limited. For example, the front channel forms a highly conductive InZnO (IZO) thin film, and the back channel forms AlInZnO (AIZO) for controlling conductivity and threshold voltage of the channel. It is possible to use various kinds of oxides as long as they are applicable to the embodiment of the present invention, such as forming a thin film.
상기 형성된 산화물 박막의 두께는 바람직하게 5 내지 200 나노미터일 수 있다.The thickness of the formed oxide thin film may be preferably 5 to 200 nanometers.
본 발명에 의한 350℃ 이하의 열처리 및 적층형 산화물 박막의 형성 방법은, 예컨대, 종래의 퍼니스 등에 의한 열처리와는 달리, 450℃ 이상의 고온을 기판 상에 직접 가하는 것을 방지할 수 있기 때문에, 제조 비용을 절감할 수 있으며, 예컨대, 플렉시블 기판의 사용을 가능하게 할 뿐만 아니라 대면적 유리 기판 상에 졸-겔 제조 방법을 이용하여 균일한 산화물 반도체 박막을 형성하는 것이 가능하다. The method for forming a heat treatment at 350 ° C. or lower and a laminated oxide thin film according to the present invention can prevent direct application of a high temperature of 450 ° C. or higher directly onto a substrate, unlike, for example, a heat treatment using a conventional furnace or the like. It is possible to save, for example, to enable the use of a flexible substrate, as well as to form a uniform oxide semiconductor thin film using a sol-gel manufacturing method on a large area glass substrate.
또한, 상기 열처리 후에는 레이저, UV, 플라즈마, 압력을 이용한 후처리가 추가로 실시될 수 있다. In addition, after the heat treatment may be further carried out using a laser, UV, plasma, post-treatment.
이 후에, 기 형성된 산화물 반도체 박막에 예컨대, 스퍼터링 공정을 이용하여 메탈 소오스/드레인을 형성한다. 이 때, 소오스/드레인 전극은 게이트 전극과 같이 기판 상에 투명성을 띠는 도전성 금속, 예컨대 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), ITZO(indium tin zinc oxide), GZO(gallium zinc oxide) 또는 반투명 메탈 중 어느 하나의 금속을 예컨대, 스퍼텅링 등에 의해 증착하여 형성할 수 있는데, 이에 국한하지는 않는다.Subsequently, metal sources / drains are formed on the formed oxide semiconductor thin film using, for example, a sputtering process. In this case, the source / drain electrode may be a conductive metal having transparency on the substrate, such as a gate electrode, such as indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), indium tin zinc oxide (ITZO), and gallium zinc oxide (GZO). ) Or translucent metal can be formed by, for example, sputtering or the like, but is not limited thereto.
한편, 이러한 바텀 게이트 구조는, 다른 말로 역스태거드(Inverted staggered) 구조라고도 하며, 현재 예컨대, AMLCD 등에서 보편적으로 사용하는 구조로서 여러 가지 장점을 가지는데, 특히 마스크(Mask)의 저감이 용이하여 양산시 경비를 절감할 수 있는 이점이 있다.On the other hand, such a bottom gate structure, also called an inverted staggered structure, in other words, has a number of advantages as a structure that is commonly used in, for example, AMLCD, in particular, when mass production is easy to reduce the mask (Mask) This has the advantage of reducing costs.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 적층형 산화물 박막 트랜지스터의 HR-TEM 결과를 나타낸다. 5 illustrates HR-TEM results of a stacked oxide thin film transistor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 5의 (b)에 나타난 바와 같이, 적층형 산화물 박막 트랜지스터의 채널층은, 예컨대 프론트 채널로는 고전도성의 InZnO(IZO) 박막을 형성하고, 백 채널로는 채널의 전도성 조절 및 문턱 전압 조절을 위해 AlInZnO(AIZO) 박막을 형성하는 등, 본 발명의 실시예에 적용할 수 있는 한 다양한 종류의 산화물을 이용하는 것이 가능하다.As shown in (b) of FIG. 5, the channel layer of the stacked oxide thin film transistor, for example, forms a highly conductive InZnO (IZO) thin film as the front channel, and controls the conductivity and threshold voltage of the channel with the back channel. In order to form an AlInZnO (AIZO) thin film, it is possible to use various kinds of oxides as long as it is applicable to the embodiment of the present invention.
이 때, 본 발명의 실시예에 적용된 산화물 반도체 박막은, 도 6에 나타난 바와 같이, AIZO 및 IZO 박막, 이를 적층한 IZO/AIZO 박막 모두 가시광선 영역에서 투명한 특성을 나타내므로, 투명 전자소자로의 응용이 가능하다는 이점이 있다.At this time, the oxide semiconductor thin film applied to the embodiment of the present invention, as shown in Figure 6, since both the AIZO and IZO thin film, and the IZO / AIZO thin film stacked thereon exhibits a transparent characteristic in the visible light region, it is a transparent electronic device The advantage is that the application is possible.
이 때, 본 발명의 실시예에 따른 산화물 반도체 박막은, 도 7에 도시된 바와 같이, AIZO 및 IZO 박막은 비정질 형태를 나타내므로, 산화물 반도체 박막이 형성된 350℃에서 대면적 유리 기판에 졸-겔 방법을 이용하여 균일한 산화물 반도체 박막의 형성이 가능하다는 이점이 있다.In this case, the oxide semiconductor thin film according to the embodiment of the present invention, as shown in Figure 7, the AIZO and IZO thin film has an amorphous form, so that the sol-gel on a large area glass substrate at 350 ℃ formed oxide thin film There is an advantage that a uniform oxide semiconductor thin film can be formed using the method.
도 8은 상기와 같은 특성을 나타내는 적층형 구조의 산화물 반도체 박막 트랜지스터의 트랜스퍼 특성 결과이다. 8 is a transfer characteristic result of an oxide semiconductor thin film transistor having a stacked structure exhibiting the above characteristics.
도 8의 (a)에 도시된 바와 같이, 채널 상의 인듐 대 아연의 비율이 3:1인 단일 IZO 채널을 가지는 박막 트랜지스터의 경우, 고전도성의 특성을 나타내었다. 반면, 아연 대비 알루미늄이 10 퍼센트 함유된 단일 AIZO 채널의 박막 트랜지스터의 경우, 포화상태 이동도 0.01 cm2/Vs, 문턱 전압 -0.77 V, 온-오프 전류 비율(On/off current ratio) 7.35*104, subthreshold swing 0.93 V/dec 의 특성을 나타내었다. As shown in FIG. 8A, the thin film transistor having a single IZO channel having an indium to zinc ratio of 3: 1 on the channel exhibited high conductivity. On the other hand, for a single AIZO channel thin film transistor containing 10 percent aluminum to zinc, saturation mobility 0.01 cm 2 / Vs, threshold voltage -0.77 V, on / off current ratio 7.35 * 10 4 , the subthreshold swing showed 0.93 V / dec.
상기 두 채널의 조합은 고전도성 산화물 반도체 박막층과 전도성 조절용 산화물 반도체 박막층을 함께 사용한 것으로, 이상적인 소자 특성을 나타내기 위한 일 실시예일 뿐이다.The combination of the two channels is a combination of a highly conductive oxide semiconductor thin film layer and an oxide semiconductor thin film layer for controlling conductivity, which is merely one embodiment for showing ideal device characteristics.
도 8의 (b)에 도시된 바와 같이, 프론트 채널로 예컨대, 고전도성의 IZO 박막을 형성하고, 백 채널로 채널의 전도성 조절 및 문턱 전압 조절을 위해 AlInZnO(AIZO) 박막을 형성하여 제작한 적층형 산화물 박막 트랜지스터는, 프론트 채널 상에 아연 대비 인듐의 비율이 높을수록, 고전도성의 프론트 채널을 가지게 되므로 박막 트랜지스터의 온 상태 전류(On current)의 값이 향상되어 표1에 도시되어 있는 바와 같이 포화상태의 이동도가 향상되는 결과를 나타내었다.As shown in (b) of FIG. 8, a stacked type fabricated by forming a high conductivity IZO thin film as a front channel and an AlInZnO (AIZO) thin film for controlling conductivity and threshold voltage of the channel as a back channel, for example. Since the higher the ratio of indium to zinc on the front channel, the higher the ratio of indium to zinc on the front channel, the higher the ratio of the on-state current of the thin film transistor is. The mobility of the state was improved.
단, 아연 대비 인듐의 비율이 3:1을 초과하게 되면, 백채널의 전체 채널의 전도성 조절 및 문턱 전압 조절의 임계 전도성을 초과하여, 오프 상태 전류(Off current)값이 증가할 뿐만 아니라 문턱 전압이 음으로 시프트되는 특성을 나타내었다. 결국 프론트 채널의 아연 대 인듐 비율에 따른 실시예에서는 3:1의 경우 가장 이상적인 특성을 나타내고, 4:1, 5:1은 다소 전도성이 높은 특성을 나타내었다.However, when the ratio of indium to zinc exceeds 3: 1, the threshold current of the conductivity control and threshold voltage regulation of the entire channel of the back channel is exceeded, so that the off current value increases as well as the threshold voltage. This negative shift characteristic is shown. As a result, in the embodiment according to the ratio of zinc to indium of the front channel, 3: 1 showed the most ideal property, and 4: 1 and 5: 1 showed somewhat high conductivity.
그러므로, 도 8의 (b) 및 표 1에 나타낸 바와 같이 350℃에서 제작한 적층형 산화물 박막 트랜지스터의 경우, 프론트 채널의 아연 대비 인듐 비율의 조절을 통해 프론트 채널의 캐리어 농도를 변화시킬 수 있어 최적의 인듐 대 아연 비율을 가지는 프론트 채널을 포함하는 포화상태 이동도 1 cm2/Vs 이상의 고이동도를 가지는 산화물 박막 트랜지스터의 제작이 가능하게 된다. 보다 상세하게, 캐리어 농도가 상대적으로 높은 프론트 채널에서 캐리어 이동을 극대화 시키는 동시에, 상대적으로 캐리어 농도가 낮고 두께가 두꺼운 백 채널이 채널 전체의 캐리어 이동을 조절해주는 역할을 함으로써 저온에서 고이동도를 가지는 산화물 박막 트랜지스터 제작이 가능해진다. Therefore, in the case of the stacked oxide thin film transistor fabricated at 350 ° C. as shown in FIG. 8B and Table 1, the carrier concentration of the front channel can be changed by adjusting the indium ratio of zinc in the front channel. It is possible to fabricate an oxide thin film transistor having a high mobility of 1 cm 2 / Vs or more in a saturation state mobility including a front channel having an indium to zinc ratio. More specifically, while the carrier channel is maximized in the front channel where the carrier concentration is relatively high, the back channel having a relatively low carrier concentration and thick thickness plays a role in controlling the carrier movement of the entire channel. The oxide thin film transistor can be manufactured.
전술한 본 발명에 따른 질산염 기반의 산화물 반도체 박막과 이를 구비한 박막 트랜지스터 및 적층형 박막 트랜지스터의 제조 방법에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
Although preferred embodiments of the nitrate-based oxide semiconductor thin film, the thin film transistor including the thin film transistor, and the stacked thin film transistor according to the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto. It is possible to carry out various modifications within the scope of the description and the accompanying drawings, which also belong to the present invention.
Claims (11)
기판위에 상기 용액을 도포하는 단계; 및
상기 도포된 박막을 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용액 공정을 이용한 산화물 반도체 박막 제조방법.
A first compound which supplies indium or tin; A second compound supplying zinc; And a third compound supplying at least one selected from the group consisting of gallium, hafnium, magnesium, aluminum, yttrium, tantalum, titanium, zirconium, barium, lansanium, manganese, tungsten, molybdenum, chromium, scandium, silicon and strontium Mixing a dispersant containing a dispersant with a dispersant containing a dispersant to form an oxide semiconductor solution;
Applying the solution onto a substrate; And
Method for producing an oxide semiconductor thin film using a solution process comprising the step of heat-treating the coated thin film.
상기 제1화합물은 인듐 니트레이트 하이드레이트(Indium nitrate hydrate)이고,
상기 제2화합물은 아연 니트레이트 하이드레이트(Zinc nitrate hydrate)이며,
상기 제3화합물은 갈륨 니트레이트 하이드레이트(Gallium nitrate hydrate), 마그네슘 니트레이트 하이드레이트(Magnsium nitrate hydrate), 알루미늄 니트레이트(Aluminum nitrate), 이트륨 니트레이트(Yttrium nitrate), 바륨 니트레이트(Barium nitrate), 란사늄 니트레이트(Lanthanum nitrate), 망간 니트레이트(Manganese nitrate), 크롬 니트레이트(Chromium nitrate), 스칸디움 니트레이트(Scandium nitrate) 및 스트론튬 니트레이트(Strontium nitrate)로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 용액 공정을 이용한 산화물 반도체 박막 제조방법.
The method of claim 1,
The first compound is Indium nitrate hydrate (Indium nitrate hydrate),
The second compound is zinc nitrate hydrate,
The third compound is gallium nitrate hydrate, magnesium nitrate hydrate, aluminum nitrate, yttrium nitrate, barium nitrate, lan. At least one member selected from the group consisting of lanthanum nitrate, manganese nitrate, chromium nitrate, scandium nitrate, and strontium nitrate Method for producing an oxide semiconductor thin film using a solution process characterized in that.
상기 분산매는 이소프로판올(isopropanol), 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol), 디메틸포름아마이드(dimethylformamide), 에탄올(ethanol), 탈이온수(deionized water), 메탄올(methanol), 아세틸아세톤(acetylacetone), 디메틸아민보란(dimethylamineborane) 및 아세토니트릴(acetonitrile)로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 용액 공정을 이용한 산화물 반도체 박막 제조방법.
The method of claim 1,
The dispersion medium is isopropanol (isopropanol), 2-methoxyethanol, 2-methoxyethanol, dimethylformamide, ethanol, deionized water, methanol, acetylacetone, dimethyl Method for producing an oxide semiconductor thin film using a solution process, characterized in that at least one member selected from the group consisting of amine borane (dimethylamineborane) and acetonitrile (acetonitrile).
상기 산화물 반도체 용액은 추가로 모노-에탄올아민(mono-ethanolamine), 디-에탄올아민(di-ethanolamine) 및 트리-에탄올아민(tri-ethanolamine) 아세틸아세토네이트 (Acetylacetonate), 에틸렌다이아민(ethylenediamine) 및 테트라메틸에틸렌다이아민(tetramethlyethylendiamine)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 첨가제를 상기 제1 내지 제3 화합물과 동일한 농도 내지 10배의 농도로 포함하는 것을 특징으로 하는 용액 공정을 이용한 산화물 반도체 박막 제조방법.
The method according to claim 1,
The oxide semiconductor solution may further include mono-ethanolamine, di-ethanolamine and tri-ethanolamine acetylacetonate, ethylenediamine and ethylenediamine. Method for producing an oxide semiconductor thin film using a solution process comprising at least one additive selected from the group consisting of tetramethyl ethylenediamine (tetramethlyethylendiamine) in the same concentration to 10 times the concentration of the first to third compounds .
상기 제1화합물 내지 제3화합물의 농도는 각각 0.1M 내지 10M인 것을 특징으로 하는 용액 공정을 이용한 산화물 반도체 박막 제조방법.
The method of claim 1,
The concentration of the first compound to the third compound is a method for producing an oxide semiconductor thin film using a solution process, characterized in that each 0.1M to 10M.
상기 용액을 도포하는 방법은 스핀 코팅, 딥 코팅, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 스프레이 법 또는 롤-투-롤 공정인 것을 특징으로 하는 용액 공정을 이용한 산화물 반도체 박막 제조방법.
The method of claim 1,
The method of applying the solution is an oxide semiconductor thin film manufacturing method using a solution process, characterized in that the spin coating, dip coating, inkjet printing, screen printing, spray method or a roll-to-roll process.
상기 열처리는 200 내지 350℃에서 실시하는 것을 특징으로 하는 용액 공정을 이용한 산화물 반도체 박막 제조방법.
The method of claim 1,
The heat treatment is an oxide semiconductor thin film manufacturing method using a solution process, characterized in that carried out at 200 to 350 ℃.
An oxide semiconductor thin film, a gate electrode overlapping the oxide semiconductor thin film, a source electrode electrically connected to the oxide semiconductor thin film, and a drain electrode electrically connected to the oxide semiconductor thin film and facing the source electrode; A thin film transistor, wherein the thin film is a stacked form of two or more kinds of oxide semiconductors.
상기 산화물 반도체 박막은 인듐 니트레이트 하이드레이트(Indium nitrate hydrate); 아연 니트레이트 하이드레이트(Zinc nitrate hydrate); 및 갈륨 니트레이트 하이드레이트(Gallium nitrate hydrate), 마그네슘 니트레이트 하이드레이트(Magnsium nitrate hydrate), 알루미늄 니트레이트(Aluminum nitrate), 이트륨 니트레이트(Yttrium nitrate), 바륨 니트레이트(Barium nitrate), 란사늄 니트레이트(Lanthanum nitrate), 망간 니트레이트(Manganese nitrate), 크롬 니트레이트(Chromium nitrate), 스칸디움 니트레이트(Scandium nitrate) 및 스트론튬 니트레이트(Strontium nitrate)로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 산화물 반도체 용액을 기판 상에 도포하고 200 내지 350℃에서 열처리함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터.
The method of claim 8,
The oxide semiconductor thin film may be formed of indium nitrate hydrate; Zinc nitrate hydrate; And gallium nitrate hydrate, magnesium nitrate hydrate, aluminum nitrate, yttrium nitrate, barium nitrate, lansanium nitrate Oxide semiconductors, including one or more selected from the group consisting of Lanthanum nitrate, Manganese nitrate, Chromium nitrate, Scandium nitrate, and Strontium nitrate A thin film transistor, which is formed by applying a solution onto a substrate and heat treatment at 200 to 350 ° C.
상기 산화물 반도체 박막은 고전도성 산화물 반도체 박막층 및 전도성 조절용 산화물 반도체 박막층을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터.
The method of claim 8,
The oxide semiconductor thin film transistor includes a highly conductive oxide semiconductor thin film layer and an oxide semiconductor thin film layer for controlling conductivity.
이소프로판올(isopropanol), 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol), 디메틸포름아마이드(dimethylformamide), 에탄올(ethanol), 탈이온수(deionized water), 메탄올(methanol), 아세틸아세톤(acetylacetone), 디메틸아민보란(dimethylamineborane) 및 아세토니트릴(acetonitrile)로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 분산매를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 용액.Tin nitrate hydrate or Indium nitrate hydrate; Zinc nitrate hydrate; And gallium nitrate hydrate, magnesium nitrate hydrate, aluminum nitrate, yttrium nitrate, barium nitrate, lansanium nitrate At least one dispersoid selected from the group consisting of Lanthanum nitrate, Manganese nitrate, Chromium nitrate, Scandium nitrate, and Strontium nitrate
Isopropanol, 2-methoxyethanol, dimethylformamide, ethanol, deionized water, methanol, acetylacetone, dimethylamine borane Oxide semiconductor solution characterized in that it comprises at least one dispersion medium selected from the group consisting of dimethylamineborane) and acetonitrile.
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| KR1020100126251A KR20120064970A (en) | 2010-12-10 | 2010-12-10 | Method of fabricating low temperature solution-processed oxide thin film and transistors comprising the same |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101451928B1 (en) * | 2014-04-03 | 2014-10-23 | 연세대학교 산학협력단 | Semiconductor device and thin film transistor comprising multi-layered metal oxide thin films, and method for fabricating the same |
| KR20200065791A (en) * | 2018-11-30 | 2020-06-09 | 한국생산기술연구원 | Low-temperature Solution Processed Oxide Film Transistor and Method for thereof |
-
2010
- 2010-12-10 KR KR1020100126251A patent/KR20120064970A/en not_active Application Discontinuation
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