KR20190012499A - Method to manufacture oxy-nitride TFT using ultraviolet and thermal treatment - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 자외선 조사 및 열처리를 이용한 산질화물 박막 트랜지스터(TFT; Thin Film Transistors)의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 산질화물 박막 트랜지스터의 제조 과정에서 자외선을 조사하고 열처리를 수행함으로써, 산질화물 박막 트랜지스터의 전기적 성능과 신뢰성을 강화하는 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing an oxynitride thin film transistor (TFT) using ultraviolet irradiation and heat treatment. More particularly, the present invention relates to a manufacturing method for enhancing the electrical performance and reliability of an oxynitride thin film transistor by irradiating ultraviolet rays and performing heat treatment in the manufacturing process of the oxynitride thin film transistor.
현재까지 TFT-LCD 또는 TFT-OLED에서 사용되는 TFT의 활성층으로는 비정질 실리콘이 사용돼 왔다. 제조 방법이 간단하고, 공정 온도가 낮으며, 무엇보다 대형 기판상에 균일하게 생산할 수 있고, 단결정보다 저렴하게 생산할 수 있기 때문이다.Until now, amorphous silicon has been used as an active layer of a TFT used in a TFT-LCD or a TFT-OLED. This is because the production method is simple, the process temperature is low, among other things, it can be uniformly produced on a large substrate and can be produced at a lower cost than the single crystal.
이러한 비정질 실리콘 TFT를 대체하기 위해서 IGZO-TFT에 대한 연구가 이루어지고 있다. IGZO는 인듐(Indium), 갈륨(Galium), 아연(Zinc), 산소(Oxide, 산화물)로 이루어진 비결정성(또는 비정질) 반도체를 이용하는 산화물 반도체의 한 형태이다. 즉, 구성물질의 원소명 앞 글자를 따서 IGZO라 명명한 비정질 산화물 반도체가 들어가는 디스플레이를 말한다.In order to replace such an amorphous silicon TFT, research on an IGZO-TFT has been conducted. IGZO is a type of oxide semiconductor that uses an amorphous (or amorphous) semiconductor consisting of indium, gallium, zinc, and oxide. In other words, it refers to a display in which an amorphous oxide semiconductor named IGZO enters after the name of the element name of the constituent material.
비정질 실리콘 TFT와 IGZO-TFT의 가장 큰 차이점은 캐리어의 이동도에 있다. IGZO-TFT가 약 10배 정도 큰 이동도를 가짐에 따라 같은 전압을 인가했을 때, IGZO-TFT 쪽에서 비정질 실리콘 TFT보다 캐리어가 더 빨리 더 많이 움직이게 된다. 그로 인해, TFT 회로를 구동하는데 있어서 더 낮은 전압을 인가해줘도 되므로 그만큼의 소비전력을 줄일 수 있다. 또한, 높은 캐리어 이동도로 인해 더 얇고 적은 면적의 트랜지스터의 제작이 가능하다.The biggest difference between an amorphous silicon TFT and an IGZO-TFT is the carrier mobility. As the IGZO-TFT has about 10 times greater mobility, the carriers move faster than amorphous silicon TFTs on the IGZO-TFT side when the same voltage is applied. Therefore, a lower voltage can be applied in driving the TFT circuit, so that the power consumption can be reduced. Also, due to the high carrier mobility, it is possible to fabricate thinner and smaller area transistors.
최근 이러한 IGZO-TFT보다도 더 높은 전계 효과 이동도(field effect mobility, μFE = ~ 40 - 100 cm2 / Vs)를 가지는 산질화 아연(ZnON) TFT가 차세대 대형 및 고해상도 디스플레이 분야에서 주목을 받고 있다. 산질화 아연(ZnON)은 동일한 양이온 아연(Zn)을 가지는 산화물(ZnO)과 질화물(Zn3N2)의 합금이다.ZnO TFTs with higher field effect mobility (μ FE = ~ 40 - 100 cm 2 / Vs) than those of IGZO-TFTs have recently been attracting attention in the next generation of large and high resolution displays . ZnO is an alloy of an oxide (ZnO) and a nitride (Zn 3 N 2 ) having the same cationic zinc (Zn).
전자의 유효 질량을 me라고 할 때, IGZO의 전자의 유효 질량인 0.34me보다 산질화 아연(ZnON)의 전자의 유효 질량이 0.19me로 더 낮기 때문에, 산질화 아연(ZnON)에서 전자 이동도가 더 높다. 이러한 전기적 특성으로 인해 IGZO를 대체할 차세대 TFT로 산질화 아연 TFT가 주목 받고 있다.When called the effective mass m of the electron e, because the electrons of the effective mass of electrons in the effective mass of 0.34m e nitride zinc (ZnON) acid than the IGZO is lower by 0.19m e, e in zinc oxynitride (ZnON) The mobility is higher. Due to these electrical characteristics, zinc oxynitride TFTs are attracting attention as a next-generation TFT to replace IGZO.
이에 산질화 아연 TFT의 전기적 특성을 개선하기 위한 다양한 후처리 공정에 대한 연구가 필요하다.Therefore, it is necessary to study various post-treatment processes to improve the electrical characteristics of the zinc oxynitride TFT.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 자외선 조사 및 열처리를 이용한 산질화물 박막 트랜지스터의 제조 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing an oxynitride thin film transistor using ultraviolet irradiation and heat treatment.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems of the present invention are not limited to the above-mentioned technical problems, and other technical problems which are not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 산질화물 박막 트랜지스터의 제조 방법은, 기판에 산질화물을 포함하는 박막을 증착하는 단계; 상기 산질화물 박막에 UV를 조사하는 단계; 및 상기 산질화물 박막에 열처리를 하는 단계를 포함하되, 상기 UV를 조사하는 단계와 상기 열처리를 하는 단계를 통해, 상기 산질화물 박막에서 서브 갭 결함을 발생시키는 금속-질소 결합을 줄임으로써, 상기 산질화물 박막의 전계 효과 이동도를 증가시키는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an oxynitride thin film transistor, including: depositing a thin film including an oxynitride on a substrate; Irradiating the oxynitride thin film with UV light; And annealing the thin oxynitride film by reducing the metal-nitrogen bond that causes sub-gap defects in the thin oxynitride film by irradiating the UV and performing the heat treatment, And the field effect mobility of the nitride thin film is increased.
바람직하게는, 상기 산질화물은, 산질화 아연, 산질화 갈륨, 산질화 인듐 중에서 어느 하나이다.Preferably, the oxynitride is any one of zinc oxynitride, gallium oxynitride, and indium oxynitride.
바람직하게는, 상기 산질화물 박막에 UV를 조사하는 단계는, 가열 없이 공기 중에서 10분 내지 20분 동안 UV를 조사하는 단계를 포함할 수 있다.Preferably, the step of irradiating the thin film of oxynitride with UV may include irradiating UV for 10 to 20 minutes in air without heating.
바람직하게는, 상기 산질화물 박막에 열처리를 하는 단계는, 아르곤(Ar) 대기에서 250도 내지 280도의 온도로 열처리를 하는 단계를 포함할 수 있다.Preferably, the step of subjecting the oxynitride thin film to heat treatment may include a step of performing a heat treatment at a temperature of 250 to 280 degrees in an argon (Ar) atmosphere.
바람직하게는, 상기 산질화물 박막에 열처리를 하는 단계는, 아르곤(Ar) 대기에서 1시간 동안 열처리를 하는 단계를 포함할 수 있다.Preferably, the step of subjecting the oxynitride thin film to heat treatment may include a step of performing heat treatment in an argon (Ar) atmosphere for 1 hour.
본 발명에 의한 효과는 다음과 같다.The effects of the present invention are as follows.
본 발명의 산질화물 TFT의 제조 방법을 이용하면 UV 처리와 열처리의 후공정을 수행하여, 금속과 질소의 결합을 변형시켜 산질화물 TFT의 전기적 특성을 개선할 수 있다. 즉 서브 갭 결함을 발생시키는 금속-질소의 결합을 화학양론적 결합인 금속-질소의 결합으로 변형하여, 전자 이동도를 높일 수 있다. 이를 통해 종래의 산화물 TFT보다 우수한 이동도를 가지는 TFT를 제조할 수 있다.By using the method for producing an oxynitride TFT of the present invention, it is possible to improve the electrical characteristics of the oxynitride TFT by modifying the bond between the metal and nitrogen by performing a post-process of UV treatment and heat treatment. That is, the bond of the metal-nitrogen generating the sub-gap defect is transformed into the bond of the metal-nitrogen which is the stoichiometric bond, and the electron mobility can be increased. This makes it possible to manufacture a TFT having better mobility than conventional oxide TFTs.
도 1은 본 발명의 일 실시예에서 사용될 수 있는 산질화 아연 TFT를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 내지 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 산질화 아연 TFT에 UV 처리와 열처리를 수행하는 경우의 전기적 특성의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 산질화 아연 TFT에 UV 처리와 열처리를 수행하는 경우에 발생하는 매커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6d는 K-alpha +, Thermo Fisher Scientific의 장비를 사용하여 채널 / 게이트 유전체 계면에서 다양한 방법으로 후처리된 20nm 두께의 산질화 아연 박막에서 측정된 O 1s 및 N 1s 코어 레벨의 XPS 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 산질화 아연 TFT에 UV 처리와 열처리를 수행하는 경우의 서브갭 DOS (density of states) 에너지 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 조사 및 열처리를 이용한 산질화물 박막 트랜지스터의 제조 방법의 순서도이다.1 is a view for explaining a zinc oxynitride TFT which can be used in an embodiment of the present invention.
FIGS. 2A to 4B are views for explaining a change in electrical characteristics in the case of performing a UV treatment and a heat treatment on a zinc oxynitride TFT according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 5A and 5B are diagrams for explaining a mechanism that occurs when performing a UV process and a heat treatment on a zinc oxynitride TFT according to an embodiment of the present invention.
Figures 6a-6d show the O 1s and N 1s core-level XPS measurements at 20 nm thick zinc oxynitride films post-treated at various channel / gate dielectric interfaces using K-alpha +, Thermo Fisher Scientific equipment Fig.
FIG. 7 is a view for explaining a sub-gap DOS (energy of states) energy distribution in the case of performing a UV treatment and a heat treatment on a zinc oxynitride TFT according to an embodiment of the present invention.
8 is a flowchart of a method of manufacturing an oxynitride thin film transistor using ultraviolet irradiation and heat treatment according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.The terms first, second, A, B, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component. And / or < / RTI > includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에서 사용될 수 있는 산질화 아연 TFT를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a zinc oxynitride TFT which can be used in an embodiment of the present invention.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에서 사용하는 산질화 아연 TFT(100)는 고농도로 도핑된 p 형 실리콘 웨이퍼가 게이트 전극(110)으로 사용된다. 그리고 게이트 전극(100)의 상부에 열 성장된 이산화 규소(SiO2, 100nm)가 게이트 유전체(120)로 사용된다.Referring to FIG. 1, a zinc oxynitride TFT 100 used in an embodiment of the present invention uses a heavily doped p-type silicon wafer as a
그런 다음 기판 가열이 없는 상태에서 혼합 반응성 가스 (N2 / Ar / O2 = 100 / 10 / 0.3 sccm)에서 3" 직경 Zn 타겟을 사용하는 RF(Radio Frequency) 마그네트론 스퍼터링에 의해 채널 층으로서 20 nm 두께의 ZnON(130)이 증착 되었다. 이때 RF의 전력 및 작동 압력은 각각 100W 및 5m Torr로 설정되었다.Then, RF (Radio Frequency) magnetron sputtering using a 3 "diameter Zn target in a mixed reactive gas (N 2 / Ar / O 2 = 100/10 / 0.3 sccm) Thick ZnON (130) was deposited, with the power and operating pressure of the RF set at 100 W and 5 m Torr, respectively.
본 발명에서는 이와 같은 산질화 아연 TFT에 다양한 후처리 공정을 적용하여 전기적 특성을 개선하고자 한다. 다만, 발명의 이해를 돕기 위해 산질화 아연 TFT를 기준으로 설명을 할 뿐, 발명을 제한하고자 하는 것은 아니므로 산질화 아연과 유사한 화학적 특성을 가지는 다양한 산질화물에도 동일하게 적용이 가능하다.In the present invention, various post-treatment processes are applied to the zinc oxynitride TFT to improve electrical characteristics. However, in order to facilitate the understanding of the invention, the description is made on the basis of zinc oxynitride TFT, but the invention is not intended to be limited, so that it is applicable to various oxynitride having chemical properties similar to zinc oxynitride.
특히 본 발명에서는 산질화 아연 TFT에 UV 처리와 열처리를 수행하여 산질화 아연 TFT의 전기적 특성을 개선하는 방법을 제안하고자 한다. UV 처리와 열처리를 통해 개선되는 성능에 대해서 살펴보고, 이와 같은 기능의 개선이 일어나는 매커니즘(mechanism)에 대해서 살펴보고자 한다.In particular, the present invention proposes a method of improving the electrical characteristics of a zinc oxynitride TFT by performing a UV treatment and a heat treatment on the zinc oxynitride TFT. We will review the performance improvement through UV treatment and heat treatment, and discuss the mechanisms by which such improvements are made.
도 2a 내지 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 산질화 아연 TFT에 UV 처리와 열처리를 수행하는 경우의 전기적 특성의 변화를 설명하기 위한 도면이다.FIGS. 2A to 4B are views for explaining a change in electrical characteristics in the case of performing a UV treatment and a heat treatment on a zinc oxynitride TFT according to an embodiment of the present invention.
도 2a는 전달 곡선(transfer curves)를 반-대수 척도(semi-logarithmic scale)로 표시한 그래프이며, 도 2b는 선형 척도(linear scale)로 표시한 그래프이다. 도 2a 내지 도 2b에서 사용된 산질화 아연 TFT는 폭(W)은 500 μm이고 길이(L)는 150 μm이다. 그리고 VDS는 드레인-소스 전압으로 0.5V의 값을 가진다.FIG. 2A is a graph showing transfer curves on a semi-logarithmic scale, and FIG. 2B is a graph on a linear scale. The zinc oxynitride TFT used in Figs. 2A and 2B has a width (W) of 500 mu m and a length (L) of 150 mu m. And V DS has a drain-source voltage of 0.5V.
도 2a 내지 도 2b에서 x축인 VGS는 게이트-소스 전압이며, y축인 ID는 드레인 전류를 나타낸다. 전류의 측정은 정밀 반도체 매개 변수 분석기를 사용하여 공기 중 실온의 어두운 환경에서 수행되었다.In FIGS. 2A and 2B, the x-axis, V GS, is the gate-source voltage, and the y-axis, I D , represents the drain current. The measurement of the current was carried out in a dark environment at room temperature in air using a precision semiconductor parameter analyzer.
도 2a 내지 도 2b에서 검은색 원형 선은 아무런 후처리를 하지 않은 경우이며, 빨간색 사각형 선은 UV를 조사한 경우이고, 파란색 육각형 선은 270도의 열처리를 한 경우이고, 녹색 오각형 선은 350도의 열처리를 한 경우이고, 보라색 마름모형 선은 270도의 열처리와 UV 처리를 모두 수행한 경우이다.In FIGS. 2A and 2B, the black circular line is the case without any post-treatment, the red square line is the case of UV irradiation, the blue hexagonal line is the case of the heat treatment of 270 degrees, And the purple diamond pattern line is the case where both the heat treatment and the UV treatment are performed at 270 degrees.
도 2a를 참고하면, 검은색 원형 선으로부터 아무런 후처리를 하지 않은 산질화 아연 TFT는 금속과 같은 행동을 보이는 것을 알 수 있다. 그리고, 빨간색 사각형 선으로부터 UV 처리를 하는 경우 금속과 같은 행동을 보이는 것은 동일한데, 아무런 후처리를 하지 않은 경우에 비해 전도성이 더 높아지는 것을 볼 수 있다.Referring to FIG. 2A, it can be seen that the zinc oxynitride TFT, which has not undergone any post-treatment from the black circular line, behaves like a metal. In addition, when the UV treatment is performed from the red square line, the behavior similar to that of a metal is the same, and it is seen that the conductivity is higher than that when no post treatment is performed.
그리고 도 2a를 참고하면, 파란색 육각형 선, 녹색 오각형 선, 보라색 마름모형 선으로부터 산질화 아연 TFT에 열처리를 하는 경우 일반적인 n형 트랜지스터처럼 작동하는 것을 볼 수 있다. 그 중에서 파란색 육각형 선과 보라색 마름모형 선을 비교해보면 270도로 열처리를 하는 경우보다 270도 열처리와 함께 UV 처리를 하는 경우에 보다 높은 온 전류 및 낮은 임계 전압(VTH)를 가지는 것을 볼 수 있다.Referring to FIG. 2A, it can be seen that when a zinc oxynitride TFT is heat-treated from a blue hexagonal line, a green pentagonal line, and a purple diamond line, it behaves like a general n-type transistor. Among them, blue hexagonal line and purple line are shown to have higher on current and lower threshold voltage (V TH ) in case of UV treatment with 270 ° heat treatment than 270 ° heat treatment.
도 3을 참고하면 270도의 열처리를 한 경우와 350도의 열처리를 한 경우와 270도의 열처리와 UV 처리를 모두 수행한 경우의 전기적 특성의 변화를 표로 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3, it can be seen from the table that changes in electrical characteristics when the heat treatment at 270 °, the heat treatment at 350 °, the heat treatment at 270 °, and the UV treatment are both performed.
도 3에서 μFE는 VDS가 0.5V일 때 최대 상호 컨덕턴스를 사용하여 선형 동작 영역에 얻을 수 있다 그리고, VTH는 ID가 W/L * 10nA일 때의 VGS 값으로 정의할 수 있다. 그리고 SS 및 ION/IOFF는 각각 subthreshold 스윙 및 전류 온 오프 비율을 나타낸다.In Figure 3, the FE can be obtained in the linear operating region using the maximum transconductance when V DS is 0.5 V and V TH can be defined as the V GS value when I D is W / L * 10 nA . SS and I ON / I OFF represent the subthreshold swing and current on / off ratio, respectively.
도 3을 참고하면 단순히 270도의 열처리를 수행하는 경우에 비해 UV 처리를 하고 270도의 열처리를 수행하는 경우에, μFE는 48.1 cm2 / Vs에서 55.9 cm2 / Vs로 증가하는 것을 볼 수 있다. 또한 단순히 370도로 열처리를 수행하는 경우에는 270도로 열처리를 수행하는 경우에 비해 μFE가 9.0 cm2 / Vs로 급격하게 낮아져서 전기적 특성이 악화되는 것을 볼 수 있다.Referring to FIG. 3, it can be seen that the μ FE increases from 48.1 cm 2 / Vs to 55.9 cm 2 / Vs in the case of performing the UV treatment and the 270 ° heat treatment, compared with the case of simply performing the heat treatment at 270 °. Also, in the case of simply performing the heat treatment at 370 degrees, the FE characteristic is drastically lowered to 9.0 cm 2 / Vs as compared with the case of performing the heat treatment at 270 degrees, so that the electrical characteristics are deteriorated.
이를 종합해보면, 산질화 아연 TFT에 열처리를 수행하는 경우 n형의 트랜지스터로 작동하는 것을 볼 수 있다. 특히 열처리 온도가 250도에서 280도 정도의 범위에서 n형 트랜지스터로 동작하고, 350도와 같이 열처리 온도가 너무 높은 경우 오히려 성능이 악화되는 것을 볼 수 있다. 이때 열처리는 30 m Torr의 Ar 대기에서 1 시간 동안 수행되었다.Taken together, it can be seen that when the heat treatment is performed on the zinc oxynitride TFT, it operates as an n-type transistor. In particular, it can be seen that the n-type transistor operates at a temperature of 250 ° C. to 280 ° C., and the performance deteriorates when the heat treatment temperature is too high. At this time, the heat treatment was carried out for 1 hour in an Ar atmosphere of 30 mTorr.
또한 270도 정도에서 1시간 동안 열처리를 수행하는 것이 최적의 열처리 조건이더라도, 열처리에 앞서 또는 열처리와 병행하여 UV 처리를 하는 경우, 단순히 열처리만 수행하는 경우에 비해 전기적 특성이 훨씬 더 개선되는 것을 볼 수 있다. 다만, 열처리 후에 UV 처리를 하는 경우에는 개선 효과가 없었다.In addition, even when the heat treatment is performed for about 1 hour at about 270 ° C, the electric characteristics are much improved compared to the case where the heat treatment is performed only before the heat treatment or when the UV treatment is performed in parallel with the heat treatment . However, there was no improvement in the case of UV treatment after the heat treatment.
이때 기판 가열없이 공기 중에서 28 mW/cm2의 출력 밀도 및 185 nm 및 254 nm의 파장을 갖는 수은 램프 - 광원을 이용하여 10 분 내지 20분 동안 수행되었다. 특히 15분동안 UV 조사를 수행하는 경우 전기적 특성이 최적으로 개선됨을 실험을 통해 확인할 수 있었다.At this time, the substrate was carried out for 10 to 20 minutes using a mercury lamp-light source with an output density of 28 mW / cm 2 and a wavelength of 185 nm and 254 nm in air without heating. Especially, it was confirmed through experiments that the optimum electric characteristics were improved when UV irradiation was performed for 15 minutes.
도 4a 내지 도 4b에서 사용된 산질화 아연 TFT는 폭 (W)은 500 μm이고 길이(L)는 150 μm이다. 또한, 270도의 열처리와 UV 처리를 거친 경우이다. 그리고 VDS는 0.5V이다. 이때 도 4a는 게이트 오버 드라이브 전압 VOV = VGS - VTH 라 할 때 그 값을 15V로 일정하게 유지하는 경우에 전달 곡선(transfer curves)의 시간에 따른 변화를 도시한 것이다.The zinc oxynitride TFT used in Figs. 4A to 4B has a width W of 500 mu m and a length L of 150 mu m. Also, it is a case where the heat treatment and the UV treatment are performed at 270 degrees. And V DS is 0.5V. FIG. 4A shows a change with time of transfer curves when the gate overdrive voltage V OV = V GS -V TH is maintained constant at 15V.
특히 도 4a에서는 UV 처리와 270도의 열처리를 수행한 산질화 아연 TFT에서의 stress time에 따른 그래프의 이동을 볼 수 있다. 도 4a에서 검은색 실선은 초기 상태의 경우이고, 빨간색 실선은 10초인 경우, 파란색 실선은 30초인 경우, 보라색 실선은 100초인 경우, 녹색 실선은 300초인 경우, 남색 실선은 1000초인 경우이다. 도 4a에서 볼 수 있듯이 stress time이 증가함에 따라 그래프가 양의 방향으로 약간만 이동하는 것을 볼 수 있다.In particular, FIG. 4A shows the shift of the graph according to the stress time in the zinc oxynitride TFT subjected to the UV treatment and the 270 ° heat treatment. In FIG. 4A, the black solid line indicates the initial state, the red solid line indicates 10 seconds, the blue solid line indicates 30 seconds, the purple solid line indicates 100 seconds, the green solid line indicates 300 seconds, and the blue solid line indicates 1000 seconds. As can be seen in FIG. 4A, as the stress time increases, the graph moves slightly in the positive direction.
도 4b는 stress time에 따른 VTH의 변화를 도시한 그래프이다. 도 4b에서 빨간색 실선을 참고하면, UV 처리와 270도의 열처리를 수행한 경우에는 1000초가 경과한 후에도 VTH는 0.6V 만큼 변하였다. 이에 비해 검은색 실선을 270도로 열처리만 수행한 경우에는 1000초가 경과한 후에 VTH가 1.5V 만큼 변하였다. 마지막으로 파란색 실선을 참고하면 350도로 열처리만 수행하는 경우에는 1000초가 경과한 후에 VTH가 4.8V 만큼 변하는 것을 볼 수 있다. 도 4b에서 볼 수 있듯이 UV 처리와 270도의 열처리를 수행하는 경우 안전성이 가장 높은 것을 볼 수 있다.FIG. 4B is a graph showing changes in V TH with stress time. FIG. Referring to the red solid line in FIG. 4B, when the UV treatment and the 270 ° heat treatment were performed, V TH varied by 0.6 V even after 1000 seconds elapsed. In contrast, when the black solid line was subjected to only the heat treatment at 270 degrees, V TH changed by 1.5 V after 1000 seconds elapsed. Finally, referring to the blue solid line, in the case of performing only the heat treatment at 350 degrees, it is seen that V TH changes by 4.8 V after 1000 seconds elapse. As can be seen from FIG. 4B, when the UV treatment and the heat treatment at 270 degrees are performed, the safety is the highest.
이처럼 본 발명에서는 산질화물 TFT, 특히 산질화 아연 TFT에 UV 처리와 270도의 열처리를 순차적으로 적용하거나 병행하여 적용하여, 산질화물 TFT의 전기적 특성을 개량하고 신뢰성을 높이는 방법을 제안하고자 한다.As described above, the present invention proposes a method of improving the electrical characteristics of the oxynitride TFT and improving the reliability by sequentially applying the UV treatment and the heat treatment of 270 ° to the oxynitride TFT, in particular, the oxynitride TFT.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 산질화 아연 TFT에 UV 처리와 열처리를 수행하는 경우에 발생하는 매커니즘을 설명하기 위한 도면이다.FIGS. 5A and 5B are diagrams for explaining a mechanism that occurs when performing a UV process and a heat treatment on a zinc oxynitride TFT according to an embodiment of the present invention.
도 5a 내지 도 5b를 참고하면 산질화 아연 TFT에 다양한 후처리 공정을 거치는 경우의 특성의 변화를 살펴보기 위해 홀 효과 측정과 X-선 광전자 분광법(XPS)을 수행한 결과를 볼 수 있다. 이를 위해 HL5500PC, BIO-RAD 장비를 이용하여 측정을 수행하였다.Referring to FIGS. 5A and 5B, Hall effect measurement and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) are performed to examine the characteristics of the zinc oxynitride TFT after various post-treatment processes. For this, measurements were performed using HL5500PC and BIO-RAD instruments.
도 5a 내지 도 5b를 참고하면 검은색 사각형은 아무런 후처리를 하지 않은 경우이며, 빨간색 원형은 UV 처리만 수행한 경우, 파란색 삼각형은 270도의 열처리만 수행한 경우이고, 보라색 삼각형은 UV 처리와 270도 열처리를 모두 수행한 경우이다.Referring to FIGS. 5A and 5B, the black rectangle is not subjected to any post-processing. In the case of performing only the UV processing for the red circle, the blue triangle is only subjected to the 270 ° heat processing. Is also the case where both heat treatment is performed.
도 5a에서 볼 수 있듯이 UV처리만 수행하는 경우 electron concentration가 8.6 × 1018㎝-3에서 1.6 × 1019㎝- 3로 증가하는 것을 볼 수 있다. 또한 270도로 열처리를 수행하는 경우 2.5 × 1018cm- 3로 감소하는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 270도로 열처리를 하는 경우에 산질화 아연 TFT에서 강한 VGS 유도 전류 변조를 설명할 수 있다. 마지막으로 UV 처리와 270도 열처리를 모두 수행하는 경우 3.8 × 1018cm-3으로 약간 증가한다.Figure 5a as seen in the case of performing only the UV treatment in electron concentration is 8.6 × 10 18 ㎝ -3 1.6 × 10 19 ㎝ - can be seen to increase by three. Also 2.5 × 10 18 cm when performing the heat treatment 270 degrees - it can be seen that the reduction in three. This can explain the strong V GS induced current modulation in zinc oxynitride TFTs when annealing at 270 degrees. Finally, when both the UV treatment and the 270 ° heat treatment are carried out, it slightly increases to 3.8 × 10 18 cm -3 .
도 5b를 참고하면, 산질화 아연을 UV 처리를 하고 270도로 열처리로 처리하는 경우에 Hall 이동도가 102.9 cm2 / Vs로 최대로 증가하는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 도 3에서 UV 처리와 270도의 열처리를 하는 경우 산질화 아연 TFT의 μFE가 가장 큰 값을 갖는 것을 설명할 수 있다.Referring to FIG. 5B, it can be seen that the Hall mobility increases to 102.9 cm 2 / Vs when the oxynitride is UV-treated at 270 ° C. It can be seen from FIG. 3 that the μ FE of the zinc oxynitride TFT has the largest value when the UV treatment and the 270 ° heat treatment are performed.
도 6a 내지 도 6d는 K-alpha+, Thermo Fisher Scientific의 장비를 사용하여 산질화 아연 박막에서 측정한 O 1s 및 N 1s 코어 레벨의 XPS 스펙트럼을 도시한 도면이다.FIGS. 6A to 6D show XPS spectra of O 1s and N 1s core levels measured on a zinc oxynitride thin film using K-alpha +, Thermo Fisher Scientific equipment.
도 6a 내지 도 6d를 참고하면 채널 / 게이트 유전체 계면에서 다양한 방법으로 후처리된 20nm 두께의 산질화 아연 TFT를 파장이 λ = 0.8341nm 인 Al K-alpha X-ray를 이용하여 분석한 결과를 확인할 수 있다.6A to 6D, a 20 nm thick zinc oxynitride TFT post-treated at various channel / gate dielectric interfaces was analyzed using Al K-alpha X-ray having a wavelength of? = 0.8341 nm .
도 6a를 참고하면 O 1s 스펙트럼이 A-C까지 3개의 서브 피크로 변화하는 것을 볼 수 있다. oxygen vacancy이 없는 산소 결합 (Zn-O), oxygen vacancy이 있는 산소 결합 (Zn-O), 그리고 OH 결합에 대응되는 3개의 서브 피크가 529.9eV (피크 A), 531.0eV (피크 B) 및 532.4eV (피크 C)로 나타난다.Referring to FIG. 6A, it can be seen that the O 1s spectrum changes to three sub-peaks up to A-C. (peak A), 531.0 eV (peak B), and 532.4 (peak B) corresponding to oxygen bonds without oxygen vacancies (Zn-O), oxygen vacancies with oxygen vacancies eV (peak C).
도 6b를 참고하면 피크 A와 피크 B의 상대적 면적 변화를 확인할 수 있다. 도 6b에서 빨간색 막대 그래프와 보라색 막대 그래프를 참고하면 UV 처리를 하는 경우 산질화 아연에서 피크 B(oxygen vacancy이 있는 산소 결합 Zn-O)가 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는 UV 처리에 의해 채널 층 내부의 oxygen vacancy의 농도가 증가하기 때문이다. oxygen vacancy이 증가하면 oxygen vacancy가 shallow donor로 작용하기 때문에 UV 처리를 수행하면 도 5a와 같이 electron concentration가 증가하게 된다.Referring to FIG. 6B, it can be seen that the relative area change of peak A and peak B is observed. Referring to the red bar graph and the purple bar graph in FIG. 6B, it can be seen that peak B (oxygen vacancy-containing oxygen bonded Zn-O) increases in the oxynitride when UV treatment is performed. This is because the concentration of oxygen vacancies in the channel layer is increased by UV treatment. As the oxygen vacancy increases, the oxygen vacancy acts as a shallow donor. Therefore, when the UV treatment is performed, the electron concentration increases as shown in FIG. 5A.
다시 도 6a를 참고하면 270도의 열처리를 수행하는 경우 피크 B의 상대적 면적은 열처리를 진행하지 않은 경우 대비 감소하게 된다. UV 처리를 하고 다시 270도로 열처리를 하는 경우, 270도의 열처리만 수행하는 경우 대비 피크 B의 상대적 면적은 다소 증가하게 되는데 (19.1 %에서 23.3 %로 증가), 이를 통해 단순히 270도로 열처리를 하는 경우에 비해 UV 처리를 하고 열처리를 수행하는 경우 ZnON TFT가 더 작은 VTH를 갖는 것을 설명할 수 있다. Referring again to FIG. 6A, when the heat treatment is performed at 270 degrees, the relative area of the peak B is decreased as compared with the case where the heat treatment is not performed. In the case of performing the heat treatment at 270 degrees after the UV treatment, the relative area of the contrast peak B is slightly increased (from 19.1% to 23.3%) when 270 ° heat treatment is performed, It can be explained that the ZnON TFT has a smaller V TH when the UV treatment is performed and the heat treatment is performed.
도 6c를 참고하면 N 1s의 스펙트럼이 D-G까지 4개의 서브 피크로 변화하는 것을 볼 수 있다. 결함이 있는 ZnXNY 결합, 화학양론적 Zn3N2의 결합, N-N 결합, NO2 결합에 대응되는 4개의 서브 피크가 395.6eV (피크 D), 396.4eV (피크 E), 397.8eV (피크 F) 및 404.2eV (피크 G)로 나타난다.Referring to FIG. 6C, it can be seen that the spectrum of N 1s changes to four sub-peaks up to DG. Zn X N Y bond is faulty, the stoichiometric combination of Zn 3 N 2, NN bond, four sub 395.6eV peak (Peak D), 396.4eV (peak E) corresponding to NO 2 bond, 397.8eV ( Peak F) and 404.2 eV (peak G).
도 6d를 참고하면 피크 D와 피크 E의 상대적 면적의 변화를 확인할 수 있다. 이를 통해 UV 처리와 270도의 열처리를 수행하면 결함이 있는 ZnXNY 결합이 줄어들고 화학양론적 Zn3N2의 결합이 증가하는 것을 볼 수 있다. UV 처리와 270도의 열처리를 거치는 경우 결함이 있는 ZnXNY 결합이 최소 비율을 갖는 것을 볼 수 있다.Referring to FIG. 6D, the change of the relative area of the peak D and the peak E can be confirmed. This shows that UV treatment and 270 ° heat treatment reduced the defective Zn X N Y bond and increased the stoichiometric Zn 3 N 2 bond. When UV treatment and 270 ° heat treatment are performed, it can be seen that the defective Zn X N Y bond has the minimum ratio.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 산질화 아연 TFT에 UV 처리와 열처리를 수행하는 경우의 서브갭 DOS (density of states) 에너지 분포를 설명하기 위한 도면이다.FIG. 7 is a view for explaining a sub-gap DOS (energy of states) energy distribution in the case of performing a UV treatment and a heat treatment on a zinc oxynitride TFT according to an embodiment of the present invention.
도 7을 참고하면 UV 처리와 270도의 열처리가 conduction band edge (EC) 근처의 서브 갭 DOS 감소시키는데 보다 효과적인 것을 알 수 있다. 이는 ZnXNY 결합에 의해 형성된 nitrogen vacancies이 EC 근처에서 전차 트랩 상태를 생성하고 국부 전자 전도 경로를 차단하기 때문이다. 즉, ZnXNY 결합이 감소하고 화학양론적 Zn3N2의 결합이 증가함에 따라 서브 갭 상태의 밀도가 감소하기 때문에, 본 발명에서 제안하는 것처럼 산질화물 TFT에 UV 처리와 열처리를 수행하는 경우, 보다 효과적으로 전기적 특성을 개선할 수 있다.Referring to FIG. 7, it can be seen that the UV treatment and the 270 ° heat treatment are more effective in reducing the subgap DOS near the conduction band edge (E C ). This is because the nitrogen vacancies formed by the Zn X N Y bond create a trap trap state near E C and block the local electron conduction path. That is, since the density of the sub-gap state decreases as the Zn x N y bond decreases and the stoichiometric Zn 3 N 2 bond increases, the oxynitride TFT is subjected to UV treatment and heat treatment as suggested in the present invention The electrical characteristics can be improved more effectively.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 조사 및 열처리를 이용한 산질화물 박막 트랜지스터의 제조 방법의 순서도이다.8 is a flowchart of a method of manufacturing an oxynitride thin film transistor using ultraviolet irradiation and heat treatment according to an embodiment of the present invention.
도 8을 참고하면 본 발명의 TFT 제조 방법은 기판 상에 산질화물을 포함하는 박막을 형성하고(S1100, S1200), 산질화물 박막에 UV 처리를 수행하고(S1300), 열처리를 수행하는 단계(S1400)를 포함할 수 있다. 이때 UV 처리와 열처리를 동시에 수행이 되어도 무방하다. 다만, 열처리 후에 UV 처리를 하는 경우에는 전기적 특성의 개선이 미약하다.Referring to FIG. 8, a method of manufacturing a TFT according to the present invention includes forming a thin film containing an oxynitride on a substrate (S1100, S1200), performing UV treatment on the thin oxynitride film (S1300) ). At this time, UV treatment and heat treatment may be performed at the same time. However, when the UV treatment is performed after the heat treatment, the improvement of the electric characteristics is weak.
이와 같은 과정을 통해 산질화물에서 금속과 산소의 결합, 금속과 질소의 결합, 금속과 산소와 질소의 결합에 영향을 미치게 되는데 그 중에서 특히 금속과 질소의 결합에 가장 큰 영향을 미치게 되어서 산질화물 TFT의 전기적 특성을 개선할 수 있다.Through such a process, the influence of the metal-oxygen bond, the metal-nitrogen bond, and the metal-oxygen-nitrogen bond in the oxynitride is influenced the most, and in particular, the metal- Can be improved.
보다 자세하게는 UV 처리와 열처리를 통해 결함이 있는 ZnXNY 결합이 감소시키고 이를 통해 서브 갭 상태를 감소시켜서 전계 효과 이동도(field effect mobility)를 증가시킬 수 있다. 이를 통해 산질화물 TFT의 전기적 특성을 개선하고 신뢰성을 강화할 수 있다.More specifically, UV treatment and heat treatment can reduce defective Zn X N Y bonds and thereby reduce sub-gap states, thereby increasing field effect mobility. This can improve the electrical characteristics of the oxynitride TFT and enhance the reliability.
이는 종래의 a-IGZO TFT에서 UV 처리와 열처리를 통해 서브 갭 상태와 관련이 있는 oxygen-vacancy를 감소시키는 것에 비해, 본 발명의 산질화물 TFT에서는 UV 처리와 열처리를 통해 서브 갭 상태와 관련된 결함이 있는 ZnXNY 결합을 줄이고 이동도를 높일 수 있다.This reduces the oxygen vacancy associated with the subgap state through UV treatment and heat treatment in the conventional a-IGZO TFT. In contrast, in the oxynitride TFT of the present invention, defects related to the subgap state are obtained through UV treatment and heat treatment Zn X N Y bond can be reduced and mobility can be increased.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, You will understand. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.
Claims (5)
상기 산질화물 박막에 UV를 조사하는 단계; 및
상기 산질화물 박막에 열처리를 하는 단계를 포함하되,
상기 UV를 조사하는 단계와 상기 열처리를 하는 단계를 통해, 상기 산질화물 박막에서 서브 갭 결함을 발생시키는 금속-질소 결합을 줄임으로써, 상기 산질화물 박막의 전계 효과 이동도를 증가시키는 것을 특징으로 하는,
산질화물 박막 트랜지스터의 제조 방법.Depositing a thin film comprising an oxynitride on a substrate;
Irradiating the oxynitride thin film with UV light; And
And heat treating the oxynitride thin film,
Wherein the field effect mobility of the oxynitride thin film is increased by reducing the metal-nitrogen bond that causes sub-gap defects in the oxynitride thin film through the step of irradiating the UV and the step of performing the heat treatment ,
A method of manufacturing an oxynitride thin film transistor.
상기 산질화물은,
산질화 아연, 산질화 갈륨, 산질화 인듐 중에서 어느 하나인,
산질화물 박막 트랜지스터의 제조 방법.The method according to claim 1,
The oxynitride,
Zinc oxynitride, gallium oxynitride, and indium oxynitride.
A method of manufacturing an oxynitride thin film transistor.
상기 산질화물 박막에 UV를 조사하는 단계는,
가열 없이 공기 중에서 10분 내지 20분 동안 UV를 조사하는 단계를 포함하는,
산질화물 박막 트랜지스터의 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the step of irradiating the oxynitride thin film with UV light comprises:
And irradiating UV for 10 to 20 minutes in air without heating.
A method of manufacturing an oxynitride thin film transistor.
상기 산질화물 박막에 열처리를 하는 단계는,
아르곤(Ar) 대기에서 250도 내지 280도의 온도로 열처리를 하는 단계를 포함하는,
산질화물 박막 트랜지스터의 제조 방법.The method according to claim 1,
The step of subjecting the oxynitride thin film to heat treatment includes:
Heat treatment in an argon (Ar) atmosphere at a temperature of 250 to 280 degrees,
A method of manufacturing an oxynitride thin film transistor.
상기 산질화물 박막에 열처리를 하는 단계는,
아르곤(Ar) 대기에서 1시간 동안 열처리를 하는 단계를 포함하는,
산질화물 박막 트랜지스터의 제조 방법.The method according to claim 1,
The step of subjecting the oxynitride thin film to heat treatment includes:
Lt; RTI ID = 0.0 > 1 < / RTI > hours in an argon (Ar)
A method of manufacturing an oxynitride thin film transistor.
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| KR20120097303A (en) * | 2011-02-24 | 2012-09-03 | 네이셔널 치아오 텅 유니버시티 | Semiconductor component having a transistor and method of fabricating the same |
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2017
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