KR20160102768A - Thin film transistor, method of fabricating the same, and display device having the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 금속 산화물 박막의 채널층을 갖는 박막 트랜지스터, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor technology, and more particularly, to a thin film transistor having a channel layer of a metal oxide thin film, a method of manufacturing the same, and a display device including the thin film transistor.
최근, 반도체 제조 기술의 발달에 따라, 액정 디스플레이(LCD), 전계 방출 디스플레이(FED), 전기 영동 디스플레이(EPD), 유기ㆍ무기 발광(organicㆍinorganic electrolumininance) 소자 및 자기 볼 디스플레이와 같은 전자 디스플레이 장치 또는 디지털 카메라와 같은 촬상 장치의 시장이 확대되고 있다. 일반적으로, 이들 전자 디스플레이 장치 또는 촬상 장치에는, 발광 부재 또는 수광 부재를 구동하기 하기 위한 스위칭 소자로서 능동형 매트릭스 회로가 제공되며, 상기 능동형 매트릭스 회로는 전계 효과 박막 트랜지스터에 의해 구현된다.Description of the Related Art [0002] Recently, with the development of semiconductor manufacturing technology, electronic display devices such as a liquid crystal display (LCD), a field emission display (FED), an electrophoretic display (EPD), an organic / inorganic electroluminance Or digital cameras have been expanding. In general, these electronic display devices or imaging devices are provided with an active matrix circuit as a switching element for driving a light emitting member or a light receiving member, and the active matrix circuit is implemented by a field effect thin film transistor.
전자 디스플레이 장치의 경우, 상기 전계 효과 박막 트랜지스터의 활성층으로서, 비정질 실리콘 박막 또는 다결정질 실리콘 박막이 광범위하게 적용되어 왔다. 전계 효과 박막 트랜지스터에 있어서, 동일한 게이트 전압과 드레인 전압 하에서 높은 구동 전류를 얻기 위해서는, 채널의 폭을 증가시키는 것이 유리하다. 또한, 전자 디스플레이 장치의 고해상도화와 대형화를 위해서는 높은 전하 이동도를 요구한다. 그러나, 채널의 폭을 증가시키는 것은 광투과도가 낮은 실리콘계 박막의 경우에는 유효 개구율에 따른 한계를 갖는다. 전하 이동도 측면에서, 비정질 실리콘 박막의 낮은 이동도를 개선하기 위하여 다결정질 실리콘 박막을 구현하려는 시도가 있다. 그러나, 다결정질 실리콘 박막은 대면적에서 균일한 결정화를 얻기 어렵고 고가의 공정 비용이 소요되어 한계에 직면하고 있다. In the case of an electronic display device, an amorphous silicon thin film or a polycrystalline silicon thin film has been widely applied as an active layer of the field effect transistor. In a field effect transistor, it is advantageous to increase the channel width to obtain a high driving current under the same gate voltage and drain voltage. In addition, a high charge mobility is required for high resolution and large size of an electronic display device. However, increasing the channel width has a limit in accordance with the effective aperture ratio in the case of a silicon-based thin film having low light transmittance. In terms of charge mobility, there is an attempt to realize a polycrystalline silicon thin film in order to improve the low mobility of the amorphous silicon thin film. However, the polycrystalline silicon thin film is difficult to obtain uniform crystallization in a large area, and it is faced with limitations because an expensive process cost is required.
최근, 채널의 폭을 증가시키지 않으면서도 고이동도를 갖는 활성층으로서, ZnO 또는 In-Ga-Zn-O과 같은 광학적으로 투명한 산화물 반도체 박막이 제안되었다. 이에 관하여는, 미국 특허 공보 제7067843호 및 미국 특허 공개공보 제2006/0108636호를 참조할 수 있다. 그러나, 이들 산화물 반도체 박막은 실용화 단계에서 실리콘계 박막을 대체할만한 수준이 미치지 못하거나 복잡한 3 성분 이상의 조성으로 인하여 제조가 어려우며, 소자의 장기적인 전기적 안정성을 확보하지 못하는 문제점이 있다. Recently, an optically transparent oxide semiconductor thin film such as ZnO or In-Ga-Zn-O has been proposed as an active layer having high mobility without increasing the channel width. In this regard, reference can be made to U.S. Patent No. 7067843 and U.S. Patent Application Publication No. 2006/0108636. However, these oxide semiconductor thin films are difficult to manufacture due to the composition of three or more components which are not enough to replace the silicon thin film in the practical use stage and have a problem in that long-term electrical stability of the device can not be secured.
또한, 향후 폴리머를 소재로 하는 기판을 사용하는 플렉서블의 전자 소자에서는 고온 공정이 불가능하기 때문에 저온 공정에 의해서도 제조될 수 있는 우수한 특성을 갖는 활성층 물질의 선택과 그 박막 형성 기술의 확보가 요구된다.
Further, in a flexible electronic device using a substrate made of a polymer as a material in the future, it is impossible to perform a high-temperature process, and therefore it is required to select an active layer material having excellent characteristics that can be produced even by a low-temperature process, and to secure a thin film forming technique.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 반도체 활성층이 전자기파 스펙트럼의 가시 광선 영역에서 투명하여 채널 폭에 의한 유효 면적 감소가 작고, 높은 전하 이동도와 낮은 문턱 전압을 가짐으로써 디스플레이 장치의 대면적화와 고해상도화에 적합한 구동 소자로서 적용 가능하고, 전력 소모가 적은 전계 효과 박막 트랜지스터를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a semiconductor device having a semiconductor active layer which is transparent in a visible light region of an electromagnetic wave spectrum and has a small effective area reduction due to a channel width and has a high charge mobility and a low threshold voltage, A thin film transistor which can be applied as a suitable driving element and has low power consumption.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 전술한 이점을 갖는 전계 효과 박막 트랜지스터의 저온 형성이 가능하여 기판 선택의 범위가 크고, 대면적화가 가능한 전계 효과 박막 트랜지스터의 제조 방법을 제공하는 것이다. Another aspect of the present invention is to provide a method of fabricating a field effect transistor capable of forming a low temperature region of a field effect transistor having the above-described advantages, thereby enabling a large substrate selection range and a large area.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 고속 스위칭 소자를 이용한 대면적 및 고해상도를 가지며, 바람직하게는 플렉시블 디스플레이 장치를 제공하는 것이다.According to another aspect of the present invention, there is provided a flexible display device having a large area and a high resolution using a high-speed switching device.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 효과 박막 트랜지스터는 반도체 채널층 및 게이트 구조를 갖는 박막 트랜지스터이다. 일 실시예에서, 상기 박막 트랜지스터는 상기 반도체 채널층이 In2O3를 포함하는 매트릭스; 및 상기 매트릭스에 도핑된 안티몬(Sb) 금속을 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a field effect transistor including a semiconductor channel layer and a gate structure. In one embodiment, the thin film transistor comprises a matrix in which the semiconductor channel layer comprises In 2 O 3 ; And a doped antimony (Sb) metal in the matrix.
일 실시에에서, 상기 매트릭스 내의 인듐(In)과 안티몬(Sb)의 총 몰수에 대한 안티몬의 몰비는 0 % 초과 20 % 이하의 범위 내이다. 바람직하게는, 상기 매트릭스 내의 인듐(In)과 안티몬(Sb)의 총 몰수에 대한 안티몬의 몰비는 0 % 초과 15 % 이하의 범위 내일 수 있다.
In one embodiment, the molar ratio of antimony to total moles of indium (In) and antimony (Sb) in the matrix is in the range of greater than 0% to less than 20%. Preferably, the molar ratio of antimony to total moles of indium (In) and antimony (Sb) in the matrix may be in the range of more than 0% and less than 15%.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 산화물 반도체 박막의 제조 방법은, 기판을 제공하는 단계; 용매 내에 안티몬 전구체 및 인듐 산화물 전구체를 함유하는 혼합 용액을 제공하는 단계; 및 상기 혼합 용액을 상기 기판 상에 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating a metal oxide semiconductor thin film, comprising: providing a substrate; Providing a mixed solution containing an antimony precursor and an indium oxide precursor in a solvent; And coating the mixed solution on the substrate.
일 실시예에서, 상기 혼합 용액의 상기 용매는, 클로로폼, N-메틸피롤리돈, 아세톤, 시클로펜탄온, 시클로헥산온, 메틸에틸케톤, 에틸셀로솔브아세테이트, 부틸아세테이트, 에틸렌글리콜, 크실렌, 테트라하이드로퓨란, 디메틸포름아미드, 클로로벤젠, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 테트라히드로푸르푸릴 알코올, 부탄올, 부틸 아세테이트, 메톡시에탄올, 1-메톡시-2-프로판올, 톨루엔, 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드(DMF), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 에틸아세테이트 및 아세토니트릴로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다. In one embodiment, the solvent of the mixed solution is selected from the group consisting of chloroform, N-methylpyrrolidone, acetone, cyclopentanone, cyclohexanone, methylethylketone, ethylcellosolve acetate, butyl acetate, ethylene glycol, xylene (DMAc), tetrahydrofurfuryl alcohol, butanol, butyl acetate, methoxyethanol, 1-methoxy-2-propanol, toluene, dimethylacetamide (DMAc), tetrahydrofuran, dimethylformamide, chlorobenzene, methanol, ethanol, isopropanol, , Dimethylformamide (DMF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), ethyl acetate and acetonitrile.
또한, 상기 박막 트랜지스터의 제조 방법은, 상기 건조된 코팅막을 200 ℃ 내지 300 ℃의 온도 범위 내에서 열처리하는 단계를 더 포함한다. 상기 안티몬 전구체는 리튬 분말, 산화 안티몬(Sb2O3), 안티몬 염(리튬 탄산염, 리튬 황산염, 리튬 질산염, 또는 리튬 수산화염임) 중 어느 하나 또는 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다. 또한, 상기 인듐 전구체는 인듐 질산염(Indium nitrate), 인듐수산화염(Indium hydrate) 또는 인듐질산수산화염(Indium nitrate hydrate; In(NO3)3.xH2O)을 포함할 수 있다. 상기 매트릭스 내의 인듐(In)과 안티몬(Sb)의 총 몰수에 대한 안티몬의 몰비는 0 초과 20 % 이하의 범위 내일 수 있다.
In addition, the method of manufacturing the thin film transistor may further include a step of subjecting the dried coating film to a heat treatment within a temperature range of 200 ° C to 300 ° C. The antimony precursor may include any one or a mixture of two or more of lithium powder, antimony oxide (Sb 2 O 3 ), antimony salt (lithium carbonate, lithium sulfate, lithium nitrate, or lithium hydroxide). In addition, the indium precursor may include indium nitrate, indium hydrate, or indium nitrate hydrate (In (NO 3 ) 3 .xH 2 O). The molar ratio of antimony to the total number of moles of indium (In) and antimony (Sb) in the matrix may be in the range of more than 0 and less than 20%.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이 장치는, 기판; 및 상기 기판 상에 형성되고 복수의 화소들에 대응되도록 어레이 형태로 배치되는 복수의 스위칭 소자를 포함하는 능동 매트릭스 패널 디스플레이 장치이다. 일 실시예에서, 상기 스위칭 소자는, In2O3를 포함하는 매트릭스; 및 상기 매트릭스에 도핑된 Sb 금속을 포함하는 활성층; 상기 활성층 상에 배치되는 게이트 절연막을 사이에 두고 상기 활성층의 일부 또는 전부와 중첩되는 게이트 도전막; 및 상기 게이트 도전막에 의해 이격된 상기 활성층의 양 측부에 형성된 소오스 및 드레인 영역을 포함하는 박막 트랜지스터를 포함할 수 있다. According to another aspect of the present invention, there is provided a display device comprising: a substrate; And a plurality of switching elements formed on the substrate and arranged in an array so as to correspond to the plurality of pixels. In one embodiment, the switching element comprises a matrix comprising In 2 O 3 ; And an active layer containing a doped Sb metal in the matrix; A gate conductive film overlying a part or all of the active layer with a gate insulating film disposed therebetween; And a thin film transistor including source and drain regions formed on both sides of the active layer spaced apart by the gate conductive film.
일 실시예에서, 상기 매트릭스 내의 인듐(In)과 리튬(Li)의 총 몰수에 대한 리튬의 몰비는 0 % 초과 20 % 이하의 범위 내일 수 있다. 상기 매트릭스 내의 인듐(In)과 리튬(Li)의 총 몰수에 대한 리튬의 몰비는 0 % 초과 15 % 이하의 범위 내일 수 있다. 상기 기판은, 유리 또는 가요성의 수지계 재료를 포함하 수 있다.
In one embodiment, the molar ratio of lithium to total moles of indium (In) and lithium (Li) in the matrix may be in the range of greater than 0% to less than 20%. The molar ratio of lithium to the total number of moles of indium (In) and lithium (Li) in the matrix may be in the range of more than 0% and 15% or less. The substrate may comprise a glass or flexible resin-based material.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터는 활성층으로서 높은 광투과도를 갖는 In2O3 를 포함하는 매트릭스에 산소와 전기음성도의 차이가 큰 Sb 이온을 도핑하여 저온 형성된 상기 매트릭스의 결정성을 향상시켜서 전하 이동도를 증가시키고, 산소 공공 결함 밀도를 억제하여 In2O3 매트릭스 내 자유전자 농도가 트랜지스터의 채널층으로서 적용 가능한 정도로 감소시킬 수 있다. 이로써, 본 발명의 실시예에 따르면, 투명 소자에서 채널 폭에 의한 유효 면적 감소 문제를 개선하고, 높은 전하 이동도와 낮은 문턱 전압을 갖는 디스플레이 장치의 대면적화와 고해상도화에 적합한 구동 소자를 제공하고, 전력 소모가 적은 전계 효과 박막 트랜지스터가 제공될 수 있다.The thin film transistor according to the embodiment of the present invention has a structure in which the matrix including In 2 O 3 having high light transmittance as an active layer is doped with Sb ions having a large difference in oxygen and electronegativity from the matrix and the crystallinity Thereby increasing the charge mobility and suppressing the oxygen vacancy defect density, so that the free electron concentration in the In 2 O 3 matrix can be reduced to such an extent that can be applied as the channel layer of the transistor. Thus, according to the embodiment of the present invention, it is possible to provide a driving device suitable for a large-sized and high-resolution display device having a high charge mobility and a low threshold voltage, A field effect transistor having less power consumption can be provided.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터의 제조 방법은 종래의 In 계 산화물인 In-Ga-Zn-O와 비교시, 안티몬을 도핑하는 것만으로도 저온 형성이 가능하고, 이를 용액법에 의해 구현함으로써, 제조가 용이하고, 플렉시블 소자의 구현에 적합한 제조 공정이 제공할 수 있다.In addition, the method of manufacturing a thin film transistor according to an embodiment of the present invention can form a low temperature only by doping antimony in comparison with a conventional In-based oxide, In-Ga-Zn-O, By the implementation, it is possible to provide a manufacturing process that is easy to manufacture and suitable for the implementation of a flexible device.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 장치는 전술한 이점을 갖는 박막 트랜지스터를 구동 소자로 사용함으로써 대면적과 고해상도를 가질 뿐만 아니라, 상기 구동 소자의 저온 형성 공정에 의해 플렉시블 디스플레이 장치를 제공할 수 있다.
Further, the display device according to the embodiment of the present invention not only has a large area and a high resolution by using the thin film transistor having the advantages described above as a driving device, but also can provide a flexible display device by a low temperature forming process of the driving device have.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터들을 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용액법에 의해 제조된 안티몬이 도핑된 In2O3 매트릭스층 및 안티몬이 도핑되지 않은 비교 실시예에 따른 X선 회절 그래프이다.
도 3a 내지 도 3c는 전술한 본 발명의 실시예에 따른 샘플 A, B, 및 C의 원자간력 현미경(Atomic force microscope)의 분석 이미지이며, 도 3d는 비교 실시예에 따른 샘플 R1의 원자간력 현미경의 분석 이미지이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 안티몬이 도핑된 In2O3 매트릭스층과 비교 실시예에 따른 안티몬이 도핑되지 않은 순수 In2O3 매트릭스층을 활성층으로서 사용하는 박막 트랜지스터의 전압(VG)-드레인 전류(ID)의 측정 결과를 나타내는 그래프이다. 1A and 1B are cross-sectional views illustrating thin film transistors according to embodiments of the present invention, respectively.
FIG. 2 is an X-ray diffraction diagram according to a comparative example in which an antimony-doped In 2 O 3 matrix layer and antimony are not doped, prepared by a solution method according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 3A to 3C are analysis images of an atomic force microscope of samples A, B and C according to the embodiment of the present invention described above, FIG. 3D is an analysis image of an atomic force microscope It is an analytical image of a force microscope.
4A and 4B are graphs showing the relationship between the voltage of the thin film transistor using the antimony-doped In 2 O 3 matrix layer according to the embodiment of the present invention and the pure In 2 O 3 matrix layer not doped with antimony according to the comparative example, (V G ) -drain current (I D ).
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.The embodiments of the present invention are described in order to more fully explain the present invention to those skilled in the art, and the following embodiments may be modified in various other forms, The present invention is not limited to the embodiment. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be more faithful and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.
이하의 설명에서 어떤 층이 다른 층의 위에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 층의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.In the following description, when a layer is described as being on top of another layer, it may be directly on top of the other layer, with a third layer intervening therebetween. In the drawings, the thickness and size of each layer are exaggerated for convenience and clarity of description, and the same reference numerals refer to the same elements in the drawings. As used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the listed items.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. As used herein, the singular forms "a," "an," and "the" include singular forms unless the context clearly dictates otherwise. Also, " comprise "and / or" comprising "when used herein should be interpreted as specifying the presence of stated shapes, numbers, steps, operations, elements, elements, and / And does not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, operations, elements, elements, and / or groups.
본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.Although the terms first, second, etc. are used herein to describe various elements, components, regions, layers and / or portions, these members, components, regions, layers and / It is obvious that no. These terms are only used to distinguish one member, component, region, layer or section from another region, layer or section. Thus, a first member, component, region, layer or section described below may refer to a second member, component, region, layer or section without departing from the teachings of the present invention.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings schematically showing ideal embodiments of the present invention. In the figures, for example, variations in the shape shown may be expected, depending on manufacturing techniques and / or tolerances. Accordingly, embodiments of the present invention should not be construed as limited to any particular shape of the regions illustrated herein, including, for example, variations in shape resulting from manufacturing.
본 명세서에서 사용된 "비정질 구조"라는 용어는 일반적으로 원자들이 분명한 주기적 배열을 결여하고 있는 낮은 정도의 질서도를 갖는 비결정질 구조를 의미하며, 이는 상기 비결정질 구조 내에 마이크로 결정이 형성된 구조도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
As used herein, the term " amorphous structure "generally refers to an amorphous structure having a low degree of orderliness in which atoms lack a definite periodic arrangement, including structures in which microcrystals are formed in the amorphous structure Should be interpreted.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터들(100, 200)을 도시하는 단면도이다.1A and 1B are cross-sectional views illustrating
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 기판(10) 상에 박막 트랜지스터(100, 200)가 형성된다. 기판(10)은 박막 트랜지스터(100, 200)의 형성 공정과 양립할 수 있으며, 박막 트랜지스터(100, 200)가 형성될 절연성 표면을 제공할 수 있는 재료로부터 선택될 수 있다. 예를 들면, 기판(10)은 유리 또는 수지계 재료와 같은 투광성 재료를 포함할 수 있다. 상기 수지계 재료는 가요성(flexibility)을 갖고 유리에 비해 가볍기 때문에 플렉시블 디스플레이 소자를 위해 바람직하다. 예를 들면, 상기 수지계 재료는, 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate; PEN)와 같은 폴리에스테르 수지; 폴리에틸렌 수지; 염화 폴리비닐 수지; 폴리카보네이트(PC); 폴리에테리 술폰(PES); 폴리에테르 에테르케톤(PEEK); 황화 폴리페닐렌(PPS) 또는 이들의 혼합물 또는 적층 구조일 수 있다. 또 다른 예로서, 기판(10)은 통상의 반도체 제조 공정이 가능한 Si 또는 Ge와 같은 Ⅳ족 반도체, SiGe와 같은 혼합 반도체, GaAs과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체, 또는 CdS와 같은 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 재료로 형성될 수 있다. 그러나, 이들은 예시적일 뿐, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 예를 들면, 기판(10)은 알루미늄 산화물과 같은 세라믹 재료 또는 절연층으로 코팅된 금속 시트 또는 하지에 집적 회로가 형성된 집적 회로층일 수도 있다. Referring to FIGS. 1A and 1B,
일부 실시예에서는, 기판(10) 상에 박막 트랜지스터(100, 200)를 형성하기 전에, 기판(10) 표면의 불순물을 제거하거나, 불순물의 확산 또는 부착 특성을 개선하기 위한 적절한 표면 처리를 수행할 수 있다. 예를 들면, 기판(10) 표면에 대하여 플라즈마 처리 또는 과산화 수소수, 에탄올 및 아세톤과 같은 약액 또는 탈이온화수를 이용한 세정 공정을 통하여 불순물을 제거할 수 있다. 또한, 기판(10)과 박막 트랜지스터(100, 200) 사이에서 발생하는 불순물의 확산이나 부착 특성을 개선하기 위하여, 기판(10) 상에 실리콘 산화막, 금속 산화막 또는 금속 질화막과 같은 부가층(미도시)의 형성 공정을 수행할 수도 있다. In some embodiments, before forming the
전술한 바와 같이 준비된 기판(10) 상에 형성된 박막 트랜지스터(100, 200)는 활성층(13a, 13b) 및 게이트 절연막(12a, 12b)을 사이에 두고 활성층(13a, 13b)의 적어도 일부와 중첩되는 게이트 도전막(11a, 11b) 및 소오스 및 드레인 전극들(14a, 14b)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서는, 활성층(13a, 13b)과 소오스 및 드레인 전극들(14a, 14b) 사이에 오믹 접촉을 위한 부가층(미도시)이 더 형성될 수도 있다. 또한, 게이트 절연막(12a, 12b)과 게이트 도전막(11a, 11b) 사이에 부착 특성을 개선하기 위하여, Ti, Cr, W, Ta, Mo, Ni 또는 이들의 합금으로부터 선택된 부가층(미도시)을 더 형성할 수도 있다.The
도 1a에 도시된 박막 트랜지스터(100)는, 활성층(13a) 상에 순차대로 게이트 절연막(12a) 및 게이트 도전막(11a)을 형성하여, 활성층(13a)을 기준으로 게이트 도전막(11a)이 기판(10)의 반대쪽에 배치되는 상부 게이트 구조를 갖는다. 다른 실시예로서, 도 1b에 도시된 박막 트랜지스터(200)는, 게이트 도전막(11b) 상에 순차대로 게이트 절연막(12b) 및 활성층(13b)이 형성되어, 활성층(13b)를 기준으로 게이트 도전막(11b)이 기판(10) 측에 배치되는 하부 게이트 구조를 갖는다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 박막 트랜지스터들(100, 200)의 구조는 예시적이며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터는 당해 기술분야에 잘 알려진 바와 같이, 활성층(13a, 13b)에 소스 및 드레인 전극들(14a, 14b)이 접합하는 방식에 따라 스태거드 형(Staggered type) 또는 평면형(Coplanar type) 트랜지스터일 수도 있다. The
활성층(13a, 13b)은 In2O3 를 포함하는 매트릭스(이하, In2O3 매트릭스라 함) 및 상기 매트릭스에 도핑된 안티몬(Sb) 금속을 포함한다. 상기 매트릭스 내 안티몬(Sb)과 인듐(In)의 총 몰수에 대한 안티몬(Sb)의 몰비는 0 초과 20% 이하의 범위 내이다. 안티몬 함량이 20 %를 초과하면, 상대적으로 크기가 큰 안티몬 이온으로 인해 무질서도(disordering)이 증가되어 이동도를 저하시킬 수 있기 때문에 트랜지스터의 채널층으로 적용하기 어렵다. 바람직하게는, 상기 안티몬 함량은 200 ℃ 내지 300 ℃의 범위의 저온 형성시에도 결정화가 일어나는 0 초과 15% 이하의 범위 내이다.The
또한, 상기 안티몬이 도핑된 In2O3 매트릭스의 두께는 10 nm 내지 200 nm의 범위 내이다. 10 nm 미만의 두께를 갖는 In2O3 매트릭스에서는 TFT array에서 균일한 두께를 보장하기 어려워 충분한 전하 농도와 전계 이동도를 얻을 수 없으며, In2O3 매트릭스의 두께가 200 nm를 초과하면 벌크 효과가 나타날 수 있으므로 바람직하지 않다.In addition, the thickness of the antimony-doped In 2 O 3 matrix is in the range of 10 nm to 200 nm. In the In 2 O 3 matrix having a thickness of less than 10 nm, it is difficult to ensure a uniform thickness in the TFT array, and sufficient charge concentration and electric field mobility can not be obtained. When the thickness of the In 2 O 3 matrix exceeds 200 nm, Which is not preferable.
In2O3 산화물은 In의 5s 오비탈의 등방성과 작은 유효질량으로 인해 우수한 이동도를 가지고 있어 투명 전도막으로서 널리 응용되지만, 활성층으로 사용되기 위해서는 전도성 기구인 산소 공공 결함의 제어가 필요하다. 본 발명의 실시예에 따르면, 산소와 전기음성도의 차이가 적은 안티몬(Sb) 이온이 In2O3 매트릭스 내에 첨가되어 산소 공공 결함 밀도를 억제함으로써 트랜지스터의 채널층에 발생하는 트랩(trap)을 감소시킴으로써 신뢰성이 향상되며, 순수한 In2O3 매트릭스에 비하여 안티몬 도핑으로 인한 산소공공의 감소로 결함 밀도(defect density)를 감소시킬 수 있으며, 이에 의해 S.S factor가 개선될 수 있다. 이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 안티몬이 도핑된 In2O3 매트릭스가 트랜지스터의 채널층으로서 갖는 이점에 관한 정량적 특성에 대하여는 후술하도록 한다. In 2 O 3 oxide is widely used as a transparent conductive film because of its excellent mobility due to the isotropy and small effective mass of 5s orbital of In. However, in order to be used as an active layer, control of oxygen vacancy defects, which is a conductive mechanism, is required. According to the embodiment of the present invention, antimony (Sb) ions having a small difference in oxygen and electronegativity are added to the In 2 O 3 matrix to suppress the oxygen vacancy defect density, thereby forming a trap To improve the reliability and reduce the defect density due to reduction of oxygen vacancies due to antimony doping compared to a pure In 2 O 3 matrix, whereby the SS factor can be improved. The quantitative characteristics of the advantages of the antimony-doped In 2 O 3 matrix as a channel layer of the transistor according to the embodiment of the present invention will be described later.
활성층(13a, 13b)은 저온 증착 공정이 가능한 용액법, 전자빔 증착법, 레이저 융착법(laser ablation) 또는 스퍼터링법에 의하여 형성될 수 있지만, 바람직하게는 용액법에 의해 형성될 수 있다. 상기 용액법에 의한 안티몬이 도핑된 In2O3 매트릭스의 형성은, 용매 내에 안티몬 전구체 및 인듐 전구체가 분산된 혼합 용액을 제공하고, 이후, 상기 혼합 용액을 기판 상에 코팅하여 건조 및 소성함으로써 달성된다. The
일 실시예에서, 상기 안티몬 전구체는 안티몬염, 예를 들면, 안티몬 질산염(Antimony nitrate), 안티몬 수산화염(Antimony hydrate), 또는 안티몬질산수산화염(Antimony nitrate hydrate)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 인듐 전구체는 인듐염, 예를 들면, 인듈 질산염(Indium nitrate) 또는 인듐수산화염(Indium hydrate) 또는 인듐질산수산화염(Indium nitrate hydrate; In(NO3)3.xH2O)을 포함할 수 있다. 상기 혼합 용액 내에서, 인듐과 안티몬 전구체의 총 몰수에 대한 안티몬 전구체의 몰비([Sb]/([In]+[Sb]))는 0 초과 15 원자% 이하의 범위 내일 수 있다. In one embodiment, the antimony precursor may include antimony salts, such as antimony nitrate, antimony hydrate, or antimony nitrate hydrate. The indium precursor may include indium salts such as indium nitrate or indium hydrate or indium nitrate hydrate In (NO 3 ) 3 .xH 2 O) can do. In the mixed solution, the molar ratio ([Sb] / ([In] + [Sb]) of the antimony precursor to the total mole number of the indium and antimony precursors may be in the range of more than 0 and 15 atomic%.
상기 혼합 용액의 제조를 위한 상기 용매는, 예를 들면, 클로로폼, N-메틸피롤리돈, 아세톤, 시클로펜탄온, 시클로헥산온, 메틸에틸케톤, 에틸셀로솔브아세테이트, 부틸아세테이트, 에틸렌글리콜, 크실렌, 테트라하이드로퓨란, 디메틸포름아미드, 클로로벤젠, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 테트라히드로푸르푸릴 알코올, 부탄올, 부틸 아세테이트, 메톡시에탄올, 1-메톡시-2-프로판올, 톨루엔, 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드(DMF), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 에틸아세테이트 및 아세토니트릴로 구성되는 군에서 선택되는 용매를 단독으로 사용하거나 2종 이상을 임의의 비율로 혼합된 혼합 용매일 수 있다. 그러나, 상기 용매는 예시적이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 용매는 용액법에 의한 박막 형성시 안티몬의 급격한 산화에 의한 폭발 및 연소를 방지할 수 있는 비수계 전해액일 수도 있다. 상기 비수계 전해액은, 예를 들면, 에틸렌카르보네이트, 프로필렌카르보네이트, 디메틸카르보네이트와 같은 카르보네이트와 같은 탄화수소체를 포함할 수도 있다. The solvent for the preparation of the mixed solution may be, for example, chloroform, N-methylpyrrolidone, acetone, cyclopentanone, cyclohexanone, methylethylketone, ethylcellosolve acetate, butyl acetate, ethylene glycol , Xylene, tetrahydrofuran, dimethylformamide, chlorobenzene, methanol, ethanol, isopropanol, tetrahydrofurfuryl alcohol, butanol, butyl acetate, methoxyethanol, 1-methoxy-2-propanol, toluene, dimethylacetamide DMAc), dimethylformamide (DMF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), ethyl acetate and acetonitrile may be used alone, or two or more solvents may be mixed Mixed for daily use. However, the solvent is illustrative and the present invention is not limited thereto. For example, the solvent may be a nonaqueous electrolytic solution capable of preventing explosion and combustion due to abrupt oxidation of antimony when forming a thin film by a solution method. The non-aqueous liquid electrolyte may contain, for example, a hydrocarbon compound such as a carbonate such as ethylene carbonate, propylene carbonate, or dimethyl carbonate.
상기 혼합 용액을 기판 상에 코팅하는 것은, 드롭 캐스팅, 스핀 코팅, 블레이드 법, 잉크젯 코팅, 스프레이 분사법, 스크린 인쇄법 또는 그라비아 법으로 수행될 수 있다. 이들 코팅법은 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 용액법에 의한 활성층의 두께 조절은 상기 용매 내에 첨가되는 안티몬 전구체 및 인듐 전구체의 총 농도에 의해 조절될 수 있다. 상기 용액법은 대면적 공정이 가능할 뿐만 아니라 저온 박막 형성이 가능하여 종래의 유리 기판 이외에도 전술한 바와 같은 경량의 수지계 가요성 기판이 사용될 수 있다. 특히 가요성 기판이 적용되는 경우, 롤투롤(roll-to-roll) 공정과 같은 대면적 증착 공정이 가능한 이점이 있다.The coating of the mixed solution on the substrate can be performed by a drop casting, a spin coating, a blade method, an inkjet coating, a spraying method, a screen printing method, or a gravure method. These coating methods are merely exemplary and the present invention is not limited thereto. The thickness control of the active layer by the solution method can be controlled by the total concentration of the antimony precursor and the indium precursor added in the solvent. The solution method is not only capable of a large area process, but also can form a low-temperature thin film, so that a light-weight resin-based flexible substrate as described above can be used in addition to a conventional glass substrate. In particular, when a flexible substrate is applied, there is an advantage that a large-area deposition process such as a roll-to-roll process can be performed.
상기 기판 상에 코팅된 박막의 소성은 열처리에 의해 수행될 수 있다. 예를들면, 비활성 분위기 또는 산소 분위기에서 200 ℃ 내지 300 ℃ 의 온도 범위 내에서 수행될 수 있다.The baking of the thin film coated on the substrate can be performed by heat treatment. For example, in an inert atmosphere or in an oxygen atmosphere within a temperature range of 200 ° C to 300 ° C.
활성층(13a, 13b)과 접하는 게이트 절연막(12a, 12b)은 실리콘 활성층의 열산화, 또는 스퍼터링 및 플라즈마강화 화학기상법에 의해 증착된 실리콘 산화물층을 포함할 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 게이트 절연막(12a, 12b)은 원자층 증착법에 의해 증착되는 실리콘 산화물보다 높은 유전율 갖는 예를 들면, 실리콘 질화물 (Si3N4), 하프늄 산화물 (HfO2), 알루미늄 산화물 (Al2O3), 탄탈륨 산화물 (Ta2O5), 티타늄 산화물 (TiO2), 가돌리늄 산화물 (Gd2O3), 지르코늄 산화물 (ZrO2), 바륨 지르코늄 타이타늄 산화물(BaZrTiO3), 바륨 스트론튬 타이타늄 산화물(BaSrTiO3)과 같은 고유전율 재료, 또는 실리콘 산화물을 포함하는 전술한 2 이상의 적층 구조를 포함할 수 있다. 이들 게이트 절연막(12a, 12b) 또한 저온 공정이 가능한 용액법을 사용하여 채널층 위 혹은 아래부분에 성막될 수 있다.The
게이트 도전막(11a, 11b)은 스퍼터링 또는 전자빔 증착법 등에 의해 금속층을 증착하고 이를 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 상기 금속층은 낮은 저항을 갖고 열적 안정성이 우수한, 예를 들면, Al, Au, Ag, Ti, Cu 또는 이들의 합금 등으로 형성될 수 있다. The gate
소오스 및 드레인 전극들(14a, 14b)은 활성층(13a, 13b)의 양 측부에 각각 접속된다. 이들 소오스 및 드레인 전극들(14a, 14b) 중 적어도 하나는 투명 전극일 수 있다. 상기 투명 전극은, 예를 들면, 인듐-주석-산화물(Indium-Tin-Oxide; ITO), 불화 주석 산화물(Fluorinated Tin Oxide; FTO), 인듐 산화물(Indium Oxide; IO) 및 주석 산화물(Tin Oxide; SnO2)과 같은 투명 금속 산화물, 폴리아세틸렌(polyacetylene)과 같은 투명 도전성 수지 또는 도전성 금속 미립자를 함유하는 도전성 수지 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 소오스 및 드레인 전극들(14a, 14b)은 스퍼터링, 전자빔 증착법, 실크스크린법, 또는 잉크젯법에 의해 도전막을 증착하고 이를 패터닝하여 형성되며, 열처리 공정을 더 수행할 수도 있다.
The source and
이하에서는, 다양한 분석 결과를 참조하여 전술한 활성층을 포함하는 박막 트랜지스터의 정량적인 특성에 관하여 상술한다.Hereinafter, the quantitative characteristics of the thin film transistor including the active layer will be described in detail with reference to various analysis results.
도 2a 내지 도 2b 본 발명의 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 InOx 와 Sb의 조성비에 따른 박막 트랜지스터의 이동 특성을 보여주는 게이트 전압(VGS)-드레인 전류(IDS)의 측정 결과를 나타내는 그래프이다. 제조된 박막 트랜지스터의 채널층의 폭과 길이(W/L)는 1,000 ㎛ / 150 ㎛이다. 본 발명의 실시예에 따른 매트릭스 층은, 인듐 전구체인 In(NO3)3.xH2O과 안티몬 전구체인 Antimony nitrate hydrate를 용매인 2-methoxylethanol에 용해 및/또는 분산된 혼합 용액을 제조한 후, 이를 스핀 코팅 방법으로 코팅하여 제조하였다.FIGS. 2A and 2B are graphs showing the results of measurement of the gate voltage (V GS ) -drain current (I DS ) showing the movement characteristics of the thin film transistor according to the composition ratios of InO x and Sb of the oxide thin film transistor according to the embodiment of the present invention to be. The width and length (W / L) of the channel layer of the manufactured thin film transistor are 1,000 占 퐉 / 150 占 퐉. The matrix layer according to the embodiment of the present invention is prepared by preparing a mixed solution in which indium precursor, In (NO 3 ) 3 .xH 2 O and antimony precursor, Antimony nitrate hydrate, are dissolved and / or dispersed in 2-methoxylethanol as a solvent , And coated by a spin coating method.
표 1은 도 2a 내지 도 2c로부터 도출한 박막 소자의 이동 특성을 나타낸 것이다.Table 1 shows the movement characteristics of the thin film device derived from Figs. 2A to 2C.
도 2a 내지 도 2c 및 표 1을 참조하면, 대조군으로 이용된 InOx 소자는 전계 효과 이동도 (μsat), 문턱전압이하 스윙 (Subthreshold swing, SS) 값, 문턱 전압(Vth) 및 온/오프 전류 비율값으로, 각각 5.0 cm2/V s, 0.46 V/decade, 3.8 V 및 5.1 × 106을 갖는다. InSbO 박막 트랜지스터의 이동 특성은 InOx 채널에 도핑된 안티몬(Sb)에 크게 영향을 받지 않으며, 표 1에서 보이는 바와 같이 안티몬이 도핑된 박막트랜지스터 소자들은 도핑되지 않은 경우보다 더 높거나 거의 비슷한 값을 보인다. 또한, In0.88Sb0.12O 박막 트렌지스터는 도 2c에 도시된 바와 같이, 문턱전압 및 온/오프 전류 비율이 각각 1.9V 및 3× 107로 이에 관한 열화를 보이지 않으며, InOx와 유사하게 4.6의 전계 효과 이동도, 0.29 V/decade의 낮은 SS의 특성을 보였다. 하프늄(Hf) 및 지르코늄(Zr)과 같은 캐리어 억제 물질의 전기 음성도가 1.4 내지 1.6을 가지지만, 전기 음성도가 2.1인 Sb 양이온이 산소와의 결합력이 약하므로 이동도의 변화가 거의 없다. Sb 양이온은 박막 트랜지스터 내에 산소의 공공 결함이 생성되는 것을 억제하여 산화물 박막 트랜지스터의 채널에 발생하는 트랩(trap)을 감소시키며, Sb 양이온의 S-오비탈의 고립전자쌍이 Sb+3 - O 혼성 오비탈을 만들어 과산화이온(O2 2-)peroxide생성을 억제시켜 신뢰성을 개선시킬 수 있다.Referring to FIGS. 2A to 2C and Table 1, the InO x device used as a control group has a field effect mobility (μsat), a subthreshold swing (SS) value, a threshold voltage (Vth) Ratio values of 5.0 cm 2 / V s, 0.46 V / decade, 3.8 V and 5.1 × 10 6 , respectively. The migration characteristics of the InSbO thin film transistor are not significantly affected by the antimony (Sb) doped in the InO x channel. As shown in Table 1, the antimony doped thin film transistor elements have higher or nearly similar values see. In addition, the In 0.88 Sb 0.12 O thin film transistor does not show any degradation of this with, the threshold voltage and the on / off current ratio, respectively 1.9V and 3 × 10 7 As shown in Figure 2c, similarly with 4.6 x InO Field - effect mobility and low SS of 0.29 V / decade. Although the electronegativities of hafnium (Hf) and zirconium (Zr) have an electronegativity of 1.4 to 1.6, Sb cations having an electronegativity of 2.1 have weak binding force with oxygen, so that there is little change in mobility. The Sb cation suppresses the formation of oxygen vacancies in the thin film transistor, thereby reducing the trap generated in the channel of the oxide thin film transistor, and the isolated electron pair of the Sb orbitals of the Sb orbital becomes the Sb +3 - O hybrid orbitals It is possible to suppress the generation of peroxide (O 2 2- ) peroxide and improve the reliability.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 InOx 와 Sb의 조성비에 따른 박막 트랜지스터의 X선 회절 그래프이다.3A to 3C are X-ray diffraction graphs of thin film transistors according to composition ratios of InO x and Sb of an oxide thin film transistor according to an embodiment of the present invention.
도 3a를 참조하면, Vo(Oxygen vacancy defect)가 없는 산소 격자, Vo가 있는 산소 격자 및 OH 불순물을 포함했을 때의 산소 격자에 해당하는 530.4 eV, 531.6 eV 및 532.0 eV에 해당하는 피크를 보인다. 도 3b 내지 도 3c에서, 전술한 산소 격자들의 피크들 외에 Sb의 3d3/2 및 Sb의 3d5/2에 해당하는 539.7 및 529.8 에서 추가적인 피크를 나타내는 것을 확인할 수 있다. Sb에 관계되는 피크들은 InSbO 박막의 Sb 농도가 증가할수록 증가하며, 이를 통해 Sb 양이온이 InOx 매트릭스에 잘 도핑된 것을 알 수 있다. 또한, In0.88Sb0.12O에서 Vo 및 OH 연관된 피크들의 상대적인 면적이 InOx 박막의 34.5 % 및 55.1 %에서 27.8 % 및 49.1 % 로 줄어든 것을 통해, Sb가 도핑된 박막이 Sb가 도핑되지 않은 InOx 박막에 비해 낮은 산소 결함(Vo) 및 수산기 불순물 농도를 갖는 것을 알 수 있다. X 선 회절 분석 결과로부터, InOx 및 InSbO는 비정질임을 확인할 수 있다.
Referring to FIG. 3A, peaks corresponding to 530.4 eV, 531.6 eV, and 532.0 eV corresponding to an oxygen lattice without an oxygen vacancy defect (Vo), an oxygen lattice with Vo, and an oxygen lattice including an OH impurity are shown. In Figs. 3B to 3C, it can be seen that in addition to the peaks of the above-described oxygen lattices, additional peaks are shown at 539.7 and 529.8 corresponding to 3d 3/2 of Sb and 3d 5/2 of Sb. The peaks related to Sb are increased as the concentration of Sb in the InSbO thin film increases, and it can be seen that the Sb cation is well doped in the InO x matrix. In addition, In 0.88 Sb 0.12 O at Vo and InO the through that reduced from 34.5% and 55.1% to 27.8% and 49.1%, Sb-doped films of the relative area InO x thin film of OH associated peak non-Sb-doped x (Vo) and hydroxyl group impurity concentration as compared with the thin film. From the results of X-ray diffraction analysis, it can be confirmed that InO x and InSbO are amorphous.
도 4a 내지 도 4c 본 발명의 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 InOx 와 Sb의 조성비에 따른 박막 트랜지스터의 원자간력 현미경(Atomic force microscope)의 분석 이미지이다. 4A to 4C An analysis image of an atomic force microscope of a thin film transistor according to composition ratios of InO x and Sb of an oxide thin film transistor according to an embodiment of the present invention.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, In2O3, In0.91Sb0.09O 및 In0.88Sb0.12O의 표면 거칠기의 평균 제곱근은 각각 0.18 nm, 0.17 nm 및 0.14 nm으로 측정되었다. 이를 통해, X선 회절 분석 결과에서 확인한 바와 같이 Sb 양이온이 InOx 매트릭스에 균일하게 혼합되었음을 알 수 있다.
4A to 4C, the mean square root of the surface roughness of In 2 O 3 , In 0.91 Sb 0.09 O and In 0.88 Sb 0.12 O was measured to be 0.18 nm, 0.17 nm and 0.14 nm, respectively. From these results, it can be seen that the Sb cations are homogeneously mixed in the InO x matrix as confirmed by X-ray diffraction analysis.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 InOx 와 Sb의 조성비에 따른 박막 트랜지스터의 양 전압 스트레스(positive bias stress, PBS) 조건에서 드레인에 흐르는 전류를 측정한 그래프이다.FIGS. 5A to 5C are graphs illustrating a current flowing in a drain under a positive bias stress (PBS) condition of a thin film transistor according to a composition ratio of InO x and Sb of an oxide thin film transistor according to an embodiment of the present invention.
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 상기 양 전압 스트레스 조건은 게이트 전압(VGS)을 문턱 전압에서 +15 V까지 인가하고, 드레인 전압(VDS)은 5.1 V로 고정하여, 0 초에서 1800 초까지 상기 게이트 전압 및 상기 드레인 전압을 인가하는 조건이다. 본 발명의 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터는, Sb가 도핑되지 않은 InOx 박막 트랜지스터가 양 전압 스트레스 조건에서 문턱 전압이 6.4 V 감소하는데 비해, Sb가 도핑된 박막, 예를 들어, In0.91Sb0.09O 및 In0.88Sb0.12O 박막 트랜지스터의 문턱 전압은 각각 2.8 V 및 2.0 V 감소한다. 따라서, Sb가 도핑됨에 따라 박막 트랜지스터의 신뢰성이 향상될 수 있다.
5A to 5C, the positive voltage stress condition is that the gate voltage V GS is applied from the threshold voltage to +15 V, the drain voltage V DS is fixed at 5.1 V, The gate voltage and the drain voltage are applied. In the oxide thin film transistor according to the embodiment of the present invention, the InOx thin film transistor in which the Sb is not doped decreases the threshold voltage by 6.4 V under the positive voltage stress condition, whereas the Sb doped thin film, for example, In 0.91 Sb 0.09 O And In 0.88 Sb 0.12 O thin film transistors are reduced by 2.8 V and 2.0 V, respectively. Therefore, as the Sb is doped, the reliability of the thin film transistor can be improved.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 실시예에 따른 산화물 박막 트랜지스터의 InOx 와 Sb의 조성비에 따른 양 전압 스트레스 조건(PBS), 음 전압 스트레스 조건(NBS) 및 음 전압 광강도 스트레스(NBIS) 특성을 도시하는 그래프들이다.6A to 6C are graphs showing the relationship between the positive voltage stress condition (PBS), the negative voltage stress condition (NBS), and the negative voltage light intensity stress (NBIS) characteristic according to the InOx and Sb composition ratios of the oxide thin film transistor according to the embodiment of the present invention These graphs are shown.
△Vth (V)After PBS degradation
Vth (V)
△Vth (V)After NBS deterioration
Vth (V)
△Vth (V)After NBIS deterioration
Vth (V)
표 2는 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터의 양 전압 스트레스에 따른 문턱전압의 변화량이다. 양 전압 스트레스 조건은 전술한 바와 동일하며, 음 전압 스트레스 (negative bias stress, NBS) 조건은 게이트 전압(VGS)을 문턱 전압에서 -15 V까지 인가하고, 드레인 전압(VDS)은 5.1 V로 고정하여, 0 초에서 1800 초까지 상기 게이트 전압 및 상기 드레인 전압을 인가하는 조건이다. 음 전압 광강도 스트레스(negative bias illumination stress, NBIS) 조건은 상기 음 전압 스트레스 조건에 0.15 mW의 강도로 녹색광을 조사하는 열화 조건이다.Table 2 shows the variation of the threshold voltage according to the positive voltage stress of the thin film transistor according to the embodiment of the present invention. The positive bias stress condition is the same as described above and the negative bias stress (NBS) condition is that the gate voltage (V GS ) is applied to the threshold voltage from -15 V and the drain voltage (V DS ) And the gate voltage and the drain voltage are applied from 0 second to 1800 seconds. The negative bias illumination stress (NBIS) condition is a deterioration condition in which green light is irradiated with the intensity of the negative voltage stress of 0.15 mW.
도 6a 내지 도 6c와 함께 표 2에서 보는 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 Sb가 도핑된 산화물 박막 트랜지스터는 양 전압 스트레스 조건, 음 전압 스트레스 조건 및 음 전압 광 강도 스트레스 조건에서 Sb가 도핑되지 않은 박막 트랜지스터에 비해 문턱 전압 변화가 적게 일어나며, Sb의 도핑 농도가 클수록 문턱 전압 감소 폭은 작아지는 것을 확인할 수 있다. 따라서 Sb가 도핑된 박막 트랜지스터를 소자에 응용할 경우, 상기 소자의 신뢰성이 확보될 수 있으며, 전술한 바와 같이 높은 전하 이동도와 낮은 문턱 전압을 갖는 고효율의 소자가 제공될 수 있다.
As shown in Table 2 together with FIGS. 6A to 6C, the Sb-doped oxide thin film transistor according to the embodiment of the present invention is characterized in that Sb is not doped in a positive voltage stress condition, a negative voltage stress condition, The threshold voltage change is smaller than that of the thin film transistor. The larger the doping concentration of Sb is, the smaller the threshold voltage reduction width is. Therefore, when the thin film transistor doped with Sb is applied to the device, reliability of the device can be ensured, and a high efficiency device having high charge mobility and low threshold voltage as described above can be provided.
전술한 실시예에 따르면, 안티몬이 도핑된 In2O3 매트릭스을 활성층으로서 적용한 박막 트랜지스터는 순수한 In2O3 매트릭스층의 문턱 전압, 전계 효과 이동 및 ION/OFF 를 개선하여 스위칭 소자로서 실제 응용에 적합하다. 상기 박막 트랜지스터를 행 × 열의 2차원 어레이 형태로 배열하고, 모든 열 방향의 박막 트랜지스터들의 게이트 전극막을 서로 전기적으로 연결하여 게이트 라인을 형성하고, 모든 행 방향의 박막 트랜지스터들의 소오스 및 드레인 전극들 중 어느 하나를 전기적으로 연결하여 데이터 라인을 형성하여 능동형 매트릭스 구동 소자를 구현할 수 있다. 상기 능동형 매트릭스 구동 소자는 액정 디스플레이(LCD), 전계 방출 디스플레이(FED), 전기 영동 디스플레이(EPD), 유기ㆍ무기 발광(organicㆍinorganic electrolumininance) 소자 및 자기 볼 디스플레이와 같은 전자 디스플레이 장치 또는 디지털 카메라와 같은 촬상 장치의 발광 부재 또는 수광 부재를 구동을 위해 응용될 수 있다. According to the above-described embodiment, the thin film transistor to which the antimony-doped In 2 O 3 matrix is applied as the active layer improves the threshold voltage, field effect shift and I ON / OFF of the pure In 2 O 3 matrix layer, Suitable. The thin film transistors are arranged in a two-dimensional array of rows and columns, gate lines of all the column-direction thin film transistors are electrically connected to each other to form gate lines, and one of the source and drain electrodes of all the row- One may be electrically connected to form a data line to realize an active matrix driving device. The active matrix driving device may be an electronic display device such as a liquid crystal display (LCD), a field emission display (FED), an electrophoretic display (EPD), an organic or inorganic electroluminescence device, It can be applied for driving light emitting members or light receiving members of the same imaging device.
또한, 당업자에게 있어서, 본 명세서에 개시된 활성층은 필요에 따라 바이폴라 트랜지스터 또는 소자 집적도를 증가시키기 위한 3차원 반도체 소자를 제조하기 위한 버티컬 소자의 활성층에도 적용될 수 있음은 자명하다.
Further, it is apparent to those skilled in the art that the active layer disclosed in this specification can be applied to an active layer of a vertical device for manufacturing a bipolar transistor or a three-dimensional semiconductor device for increasing the device integration degree, if necessary.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. Will be clear to those who have knowledge of.
Claims (14)
상기 반도체 채널층이 In2O3를 포함하는 매트릭스; 및
상기 매트릭스에 도핑된 안티몬(Sb) 금속을 포함하는 박막 트랜지스터.A thin film transistor having a semiconductor channel layer and a gate structure,
A matrix in which the semiconductor channel layer comprises In 2 O 3 ; And
And a doped antimony (Sb) metal in the matrix.
상기 매트릭스 내의 인듐(In)과 안티몬(Sb)의 총 몰수에 대한 안티몬의 몰비는 0 % 초과 20 % 이하의 범위 내인 박막 트랜지스터.The method according to claim 1,
Wherein the molar ratio of antimony to the total number of moles of indium (In) and antimony (Sb) in the matrix is in the range of more than 0% and not more than 20%.
상기 매트릭스 내의 인듐(In)과 안티몬(Sb)의 총 몰수에 대한 안티몬의 몰비는 0 % 초과 15 % 이하의 범위 내인 박막 트랜지스터.The method according to claim 1,
Wherein the molar ratio of antimony to the total number of moles of indium (In) and antimony (Sb) in the matrix is in the range of more than 0% and not more than 15%.
용매 내에 안티몬 전구체 및 인듐 산화물 전구체를 함유하는 혼합 용액을 제공하는 단계; 및
상기 혼합 용액을 상기 기판 상에 코팅하는 단계를 포함하는 금속 산화물 반도체 박막의 제조 방법.Providing a substrate;
Providing a mixed solution containing an antimony precursor and an indium oxide precursor in a solvent; And
And coating the mixed solution on the substrate.
상기 혼합 용액의 상기 용매는, 클로로폼, N-메틸피롤리돈, 아세톤, 시클로펜탄온, 시클로헥산온, 메틸에틸케톤, 에틸셀로솔브아세테이트, 부틸아세테이트, 에틸렌글리콜, 크실렌, 테트라하이드로퓨란, 디메틸포름아미드, 클로로벤젠, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 테트라히드로푸르푸릴 알코올, 부탄올, 부틸 아세테이트, 메톡시에탄올, 1-메톡시-2-프로판올, 톨루엔, 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드(DMF), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 에틸아세테이트 및 아세토니트릴로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 2 이상의 혼합물을 포함하는 박막 트랜지스터의 제조 방법.5. The method of claim 4,
The solvent of the mixed solution may be at least one selected from the group consisting of chloroform, N-methylpyrrolidone, acetone, cyclopentanone, cyclohexanone, methylethylketone, ethylcellosolve acetate, butyl acetate, ethylene glycol, xylene, tetrahydrofuran, (1-methoxy-2-propanol, toluene, dimethylacetamide (DMAc), dimethylformamide (1-methoxy-2-propanol), and the like, in the presence of a base, such as dimethylformamide, chlorobenzene, methanol, ethanol, isopropanol, tetrahydrofurfuryl alcohol, DMF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), ethyl acetate and acetonitrile.
상기 코팅하는 단계는, 스핀 코팅법, 잉크젯 프린팅법, 스핀 코팅, 레이저프린팅, 임프린트, 나노임프린트, 나노트랜스퍼, 그라비아, 오프셋, 솔겔법, 또는 딥핑법으로 수행되는 금속 산화물 반도체 박막의 제조 방법.5. The method of claim 4,
Wherein the coating is performed by a spin coating method, an ink jet printing method, a spin coating method, a laser printing method, an imprint method, a nano imprint method, a nano transfer method, a gravure method, an offset method, a sol gel method or a dipping method.
상기 건조된 코팅막을 200 ℃ 내지 300 ℃의 온도 범위 내에서 열처리하는 단계를 더 포함하는 박막 트랜지스터의 제조 방법.5. The method of claim 4,
Further comprising the step of heat treating the dried coating film within a temperature range of 200 ° C to 300 ° C.
상기 안티몬 전구체는 리튬 분말, 산화 안티몬(Sb2O3), 안티몬 염(리튬 탄산염, 리튬 황산염, 리튬 질산염, 또는 리튬 수산화염임) 중 어느 하나 또는 2 이상의 혼합물을 포함하는 금속 산화물 반도체 박막의 제조 방법.5. The method of claim 4,
Wherein the antimony precursor is one or a mixture of two or more of lithium powder, antimony oxide (Sb 2 O 3 ), antimony salt (lithium carbonate, lithium sulfate, lithium nitrate, or lithium hydroxide) Way.
상기 인듐 전구체는 인듐 질산염(Indium nitrate), 인듐수산화염(Indium hydrate) 또는 인듐질산수산화염(Indium nitrate hydrate; In(NO3)3.xH2O)을 포함하는 박막 트랜지스터의 제조 방법.5. The method of claim 4,
Wherein the indium precursor comprises indium nitrate, indium hydrate or indium nitrate hydrate (In (NO 3 ) 3 .xH 2 O).
상기 매트릭스 내의 인듐(In)과 안티몬(Sb)의 총 몰수에 대한 안티몬의 몰비는 0 초과 20 % 이하의 범위 내인 박막 트랜지스터의 제조 방법.5. The method of claim 4,
Wherein a molar ratio of antimony to the total number of moles of indium (In) and antimony (Sb) in the matrix is in the range of more than 0 and 20% or less.
상기 스위칭 소자는,
In2O3를 포함하는 매트릭스; 및 상기 매트릭스에 도핑된 Sb 금속을 포함하는 활성층;
상기 활성층 상에 배치되는 게이트 절연막을 사이에 두고 상기 활성층의 일부 또는 전부와 중첩되는 게이트 도전막; 및
상기 게이트 도전막에 의해 이격된 상기 활성층의 양 측부에 형성된 소오스 및 드레인 영역을 포함하는 박막 트랜지스터인 디스플레이 장치.Board; And a plurality of switching elements formed on the substrate and arranged in an array so as to correspond to a plurality of pixels, the active matrix panel display apparatus comprising:
The switching device includes:
A matrix comprising In 2 O 3 ; And an active layer containing a doped Sb metal in the matrix;
A gate conductive film overlying a part or all of the active layer with a gate insulating film disposed therebetween; And
And source and drain regions formed on both sides of the active layer spaced apart by the gate conductive film.
상기 매트릭스 내의 인듐(In)과 리튬(Li)의 총 몰수에 대한 리튬의 몰비는
0 % 초과 20 % 이하의 범위 내인 박막 트랜지스터.12. The method of claim 11,
The molar ratio of lithium to the total number of moles of indium (In) and lithium (Li) in the matrix is
To less than 20%.
상기 매트릭스 내의 인듐(In)과 리튬(Li)의 총 몰수에 대한 리튬의 몰비는
0 % 초과 15 % 이하의 범위 내인 박막 트랜지스터.12. The method of claim 11,
The molar ratio of lithium to the total number of moles of indium (In) and lithium (Li) in the matrix is
And more than 0% and not more than 15%.
상기 기판은, 유리 또는 가요성의 수지계 재료를 포함하는 박막 트랜지스터.12. The method of claim 11,
Wherein the substrate comprises glass or a flexible resin-based material.
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