KR101953893B1 - 산화물 반도체 박막의 형성방법 및 형성장치 - Google Patents

산화물 반도체 박막의 형성방법 및 형성장치 Download PDF

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Abstract

산화물 반도체 박막을 형성하는 방법과 장치가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기상의 유기갈륨전구체를 피증착 구조체 상에 제공하는 단계, 기상의 유기인듐전구체를 상기 피증착 구조체 상에 제공하는 단계, 기상의 유기아연전구체를 상기 피증착 구조체 상에 제공하는 단계 및 산소를 포함하는 기상의 산화제를 상기 피증착 구조체 상에 제공하는 단계를 구비하는 산화물 반도체 박막의 형성방법이 제공된다.

Description

산화물 반도체 박막의 형성방법 및 형성장치{Method for fabricating oxide semiconductor thin film and apparatus for fabricating the same}
본 발명은 산화물 반도체 박막을 형성하는 방법과 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 GaInZnO 산화물 반도체 박막을 형성하는 방법과 장치에 관한 것이다.
박막 트랜지스터(Thin Film Transistor)는 채널 영역, 소스 영역 및 드레인 영역을 제공하는 활성층과, 채널 영역 상부에 형성되며 게이트 절연막에 의해 활성층과 전기적으로 절연되는 게이트 전극으로 구성될 수 있다. 박막 트랜지스터의 활성층은 통상적으로 비정질 실리콘(amorphous silicon)이나 폴리 실리콘(poly- silicon)과 같은 반도체 물질로 형성되는데, 활성층이 비정질 실리콘으로 형성되면 이동도(mobility)가 낮아 고속으로 동작되는 구동 회로의 구현이 어려우며, 폴리 실리콘으로 형성되면 이동도는 높지만 문턱전압이 불균일하여 별도의 보상 회로가 부가되어야 하는 문제점이 있다. 또한, 저온 폴리 실리콘(low temperature poly-silicon)을 이용한 박막 트랜지스터 제조 방법은 레이저 열처리 등과 같은 고가의 공정이 포함되고 특성 제어가 어렵기 때문에 대면적의 기판에 적용이 어려운 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 최근에는 GaInZnO와 같은 산화물 반도체를 활성층으로 이용하는 연구가 진행되고 있다.
하지만, 박막 트랜지스터에 이용되는 GaInZnO 박막은, 게이트와 인접한 부분은 전류가 잘 흐를 수 있는 특성이 필요하고, 게이트와 상대적으로 이격된 부분은 전류가 잘 흐르지 않는 특성이 필요한데, 단일한 조성의 GaInZnO 박막으로는 이를 구현할 수 없다는 문제점이 발생한다. 한편, 현재까지 알려진 GaInZnO 박막의 형성방법은 다성분계 산화물 타겟을 이용한 스퍼터링이지만, 스퍼터링 수율의 차이로 장시간 사용시에 타겟의 산소 농도가 저하되어 GaInZnO 박막의 전도도의 제어가 어려운 문제점이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 농도 구배를 가지는 산화물 반도체 박막을 제공하며, 나아가, 스퍼터링법을 이용하지 않고 이러한 산화물 반도체 박막을 형성하는 방법과 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의한 산화물 반도체 박막의 형성방법은, 기상의 유기갈륨전구체를 피증착 구조체 상에 제공하는 단계, 기상의 유기인듐전구체를 상기 피증착 구조체 상에 제공하는 단계, 기상의 유기아연전구체를 상기 피증착 구조체 상에 제공하는 단계 및 산소를 포함하는 기상의 산화제를 상기 피증착 구조체 상에 제공하는 단계를 구비한다.
상기 산화물 반도체 박막의 형성방법에서, 상기 유기갈륨전구체, 상기 유기인듐전구체 및 상기 유기아연전구체는 각각 탄화수소(hydrocarbon)계 화합물을 포함할 수 있다.
상기 산화물 반도체 박막의 형성방법에서, 상기 유기갈륨전구체는 Ga(CH3)3 화합물을 포함할 수 있다.
상기 산화물 반도체 박막의 형성방법에서, 상기 유기인듐전구체는 In(CH2CH3)3 화합물을 포함할 수 있다.
상기 산화물 반도체 박막의 형성방법에서, 상기 유기아연전구체는 Zn(CH2CH3)2 화합물을 포함할 수 있다.
상기 산화물 반도체 박막의 형성방법에서, 지르코늄 및 하프늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하여 구성된 기상의 유기도핑금속전구체를 상기 피증착 구조체 상에 제공하는 단계;를 더 구비할 수 있다.
상기 산화물 반도체 박막의 형성방법에서, 상기 유기갈륨전구체, 상기 유기인듐전구체, 상기 유기아연전구체 및 상기 유기도핑금속전구체는 각각 탄화수소(hydrocarbon)계 화합물을 포함할 수 있다.
상기 산화물 반도체 박막의 형성방법에서, 상기 유기도핑금속전구체는 Zr(CH2CH4)4, Zr-(N-(CH3)3)4, Zr(N-(CH2CH3)3)4, Hf(CH2CH4)4, Hf-(N-(CH3)3)4 또는 Hf(N-(CH2CH3)3)4 화합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 의한 산화물 반도체 박막의 형성방법은, 기상의 유기갈륨전구체, 기상의 유기인듐전구체, 및 기상의 유기아연전구체를 피증착 구조체 상에 제공하는 단계 및 산소를 포함하는 기상의 산화제를 상기 피증착 구조체 상에 제공하는 단계를 포함하는 제 1 사이클을 수행하여 제 1 산화물 반도체 박막을 형성하는 단계; 및 기상의 유기갈륨전구체, 기상의 유기인듐전구체, 및 기상의 유기아연전구체를 상기 제 1 산화물 반도체 박막 상에 제공하는 단계 및 산소를 포함하는 기상의 산화제를 상기 제 1 산화물 반도체 박막 상에 제공하는 단계를 포함하는 제 2 사이클을 수행하여 제 2 산화물 반도체 박막을 형성하는 단계;를 구비한다. 상기 제 1 사이클 동안 상기 피증착 구조체 상에 제공되는 상기 유기갈륨전구체의 유량은, 상기 제 2 사이클 동안 상기 제 1 산화물 반도체 박막 상에 제공되는 상기 유기갈륨전구체의 유량보다 더 적고, 상기 제 1 사이클 동안 상기 피증착 구조체 상에 제공되는 상기 유기인듐전구체의 유량은, 상기 제 2 사이클 동안 상기 제 1 산화물 반도체 박막 상에 제공되는 상기 유기인듐전구체의 유량보다 더 많다.
상기 산화물 반도체 박막의 형성방법에서, 상기 제 2 사이클은, 지르코늄 및 하프늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하여 구성된 기상의 유기도핑금속전구체를 상기 제 1 산화물 반도체 박막 상에 제공하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 산화물 반도체 박막의 형성방법에서, 상기 제 1 사이클 및 상기 제 2 사이클에서 상기 기상의 유기갈륨전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기갈륨전구체를 버블링하기 위하여 수용하는 제 1 유기갈륨전구체저장용기에 캐리어가스를 주입하는 단계를 각각 포함할 수 있고, 상기 제 1 사이클에서 상기 제 1 유기갈륨전구체저장용기에 주입하는 캐리어가스의 유량은 상기 제 2 사이클에서 상기 제 1 유기갈륨전구체저장용기에 주입하는 캐리어가스의 유량보다 더 적을 수 있다.
상기 산화물 반도체 박막의 형성방법에서, 상기 제 1 사이클에서 상기 기상의 유기갈륨전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기갈륨전구체를 버블링하기 위하여 수용하는 제 1 유기갈륨전구체저장용기에 캐리어가스를 주입하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 제 2 사이클에서 상기 기상의 유기갈륨전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기갈륨전구체를 버블링하기 위하여 수용하는 제 2 유기갈륨전구체저장용기에 캐리어가스를 주입하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 제 1 사이클에서 상기 제 1 유기갈륨전구체저장용기에 주입하는 캐리어가스의 유량은 상기 제 2 사이클에서 상기 제 2 유기갈륨전구체저장용기에 주입하는 캐리어가스의 유량보다 더 적을 수 있다.
상기 산화물 반도체 박막의 형성방법에서, 상기 제 1 사이클 및 상기 제 2 사이클에서 상기 기상의 유기갈륨전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기갈륨전구체를 버블링하기 위하여 수용하는 제 1 유기갈륨전구체저장용기에 캐리어가스를 주입하는 단계를 각각 포함하고, 상기 제 1 사이클에서의 상기 제 1 유기갈륨전구체저장용기의 온도는 상기 제 2 사이클에서의 상기 제 1 유기갈륨전구체저장용기의 온도보다 더 낮을 수 있다.
상기 산화물 반도체 박막의 형성방법에서, 상기 제 1 사이클에서 상기 기상의 유기갈륨전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기갈륨전구체를 버블링하기 위하여 수용하는 제 1 유기갈륨전구체저장용기에 캐리어가스를 주입하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 제 2 사이클에서 상기 기상의 유기갈륨전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기갈륨전구체를 버블링하기 위하여 수용하는 제 2 유기갈륨전구체저장용기에 캐리어가스를 주입하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 제 1 사이클에서의 상기 제 1 유기갈륨전구체저장용기의 온도는 상기 제 2 사이클에서의 상기 제 2 유기갈륨전구체저장용기의 온도보다 더 낮을 수 있다.
상기 산화물 반도체 박막의 형성방법에서, 상기 제 1 사이클 및 상기 제 2 사이클에서 상기 기상의 유기인듐전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기인듐전구체를 버블링하기 위하여 수용하는 제 1 유기인듐전구체저장용기에 캐리어가스를 주입하는 단계를 각각 포함할 수 있고, 상기 제 1 사이클에서 상기 제 1 유기인듐전구체저장용기에 주입하는 캐리어가스의 유량은 상기 제 2 사이클에서 상기 제 1 유기인듐전구체저장용기에 주입하는 캐리어가스의 유량보다 더 많을 수 있다.
상기 산화물 반도체 박막의 형성방법에서, 상기 제 1 사이클에서 상기 기상의 유기인듐전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기인듐전구체를 버블링하기 위하여 수용하는 제 1 유기인듐전구체저장용기에 캐리어가스를 주입하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 제 2 사이클에서 상기 기상의 유기인듐전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기인듐전구체를 버블링하기 위하여 수용하는 제 2 유기인듐전구체저장용기에 캐리어가스를 주입하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 제 1 사이클에서 상기 제 1 유기인듐전구체저장용기에 주입하는 캐리어가스의 유량은 상기 제 2 사이클에서 상기 제 2 유기인듐전구체저장용기에 주입하는 캐리어가스의 유량보다 더 많을 수 있다.
상기 산화물 반도체 박막의 형성방법에서, 상기 제 1 사이클 및 상기 제 2 사이클에서 상기 기상의 유기인듐전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기인듐전구체를 버블링하기 위하여 수용하는 제 1 유기인듐전구체저장용기에 캐리어가스를 주입하는 단계를 각각 포함할 수 있고, 상기 제 1 사이클에서의 상기 제 1 유기인듐전구체저장용기의 온도는 상기 제 2 사이클에서의 상기 제 1 유기인듐전구체저장용기의 온도보다 더 높을 수 있다.
상기 산화물 반도체 박막의 형성방법에서, 상기 제 1 사이클에서 상기 기상의 유기인듐전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기인듐전구체를 버블링하기 위하여 수용하는 제 1 유기인듐전구체저장용기에 캐리어가스를 주입하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 제 2 사이클에서 상기 기상의 유기인듐전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기인듐전구체를 버블링하기 위하여 수용하는 제 2 유기인듐전구체저장용기에 캐리어가스를 주입하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 제 1 사이클에서의 상기 제 1 유기인듐전구체저장용기의 온도는 상기 제 2 사이클에서의 상기 제 2 유기인듐전구체저장용기의 온도보다 더 높을 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 의한 산화물 반도체 박막의 형성장치는, 액상의 유기갈륨전구체를 수용하는 적어도 하나 이상의 유기갈륨전구체저장용기; 액상의 유기인듐전구체를 수용하는 적어도 하나 이상의 유기인듐전구체저장용기; 액상의 유기아연전구체를 수용하는 유기아연전구체저장용기; 상기 액상의 유기갈륨전구체, 상기 액상의 유기인듐전구체 및 상기 액상의 유기아연전구체를 각각 버블링하기 위하여, 상기 유기갈륨전구체저장용기, 상기 유기인듐전구체저장용기 및 상기 유기아연전구체저장용기 내에 캐리어가스를 인입하도록 구성되는, 캐리어가스 공급부; 상기 유기갈륨전구체저장용기, 상기 유기인듐전구체저장용기 및 상기 유기아연전구체저장용기에서 각각 생성된 기상의 유기갈륨전구체, 기상의 유기인듐전구체 및 기상의 유기아연전구체를 챔버 내로 인입하도록 구성되는, 유기금속전구체 공급부; 및 산소를 포함하는 기상의 산화제를 상기 챔버 내로 인입하도록 구성되는, 산소 공급부;를 구비한다.
상기 산화물 반도체 박막의 형성장치에서, 지르코늄 및 하프늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하여 구성된 액상의 유기도핑금속전구체를 수용하는 유기도핑금속전구체저장용기;를 더 구비하고, 상기 캐리어가스 공급부는 상기 액상의 유기도핑금속전구체를 버블링하기 위하여, 상기 유기도핑금속전구체저장용기 내에 캐리어가스를 인입하도록 더 구성되며, 상기 유기금속전구체 공급부는 상기 유기도핑금속전구체저장용기에서 생성된 기상의 유기도핑금속전구체를 상기 챔버 내로 인입하도록 더 구성될 수 있다.
상기 산화물 반도체 박막의 형성장치에서, 상기 적어도 하나 이상의 유기갈륨전구체저장용기 또는 상기 적어도 하나 이상의 유기인듐전구체저장용기 내에 인입되는 상기 캐리어가스의 유량을 조절할 수 있는 제어부;를 구비할 수 있다.
상기 산화물 반도체 박막의 형성장치에서, 상기 적어도 하나 이상의 유기갈륨전구체저장용기 또는 상기 적어도 하나 이상의 유기인듐전구체저장용기의 각각의 온도를 독립적으로 조절할 수 있는 제어부;를 구비할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 반도체 박막을 형성하는 방법과 장치에 의하면, 유기금속 화학기상 증착법에 의하여 GaInZnO 박막과 같은 산화물 반도체 박막을 형성함으로써 산소에 의한 소자 특성의 변화를 완화시킬 수 있다. 나아가, 갈륨 및/또는 인듐의 농도 구배를 용이하게 구현할 수 있어, 전기적 특성과 후속 공정의 마진을 동시에 확보할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 산화물 반도체 박막의 형성장치의 구성을 도해하는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 반도체 박막을 형성하는 장치의 일부를 도해한 단면도이다.
도 3은 갈륨과 인듐의 농도 구배를 가지는 산화물 반도체 박막의 적층구조체를 도해하는 단면도이다.
도 4는 산화물 반도체 박막의 적층구조체 농도 구배를 도해하는 그래프이다.
도 5는 산화물 반도체 박막의 적층구조체가 적용된 박막 트랜지스터를 도해하는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 산화물 반도체 박막의 형성방법에서, 공정시간에 따른 기상의 유기금속전구체의 유량을 도해하는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 산화물 반도체 박막을 형성하는 장치의 일부를 도해한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 산화물 반도체 박막의 형성장치의 구성을 개념적으로 도해하는 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 반도체 박막을 형성하는 장치의 일부를 도식적으로 도해한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 산화물 반도체 박막을 형성하는 장치는, 예를 들어, GaInZnO 박막을 형성하는 유기금속 화학기상 증착장치를 포함할 수 있다. GaInZnO 박막을 형성하는 유기금속 화학기상 증착장치는 GaInZnO 박막과 같은 산화물 반도체 박막이 형성될 피증착 구조체(100)를 장입하는 챔버(250) 및 챔버(250) 내로 기상의 유기금속전구체들과 기상의 산화제를 제공할 수 있는 소스물질 공급시스템을 포함할 수 있다. 소스물질 공급시스템은 유기금속전구체저장용기(224), 캐리어가스 공급부(218), 유기금속전구체 공급부(226), 산소 공급부(230) 및 제어부(210)를 포함한다.
유기금속전구체저장용기(224)는 액상의 유기금속전구체(220)를 수용할 수 있으며, 소위, 캐니스터(canister)로 명명될 수 있다. 구체적으로 살펴보면, 유기금속전구체저장용기(224)는 액상의 유기갈륨전구체를 수용하는 적어도 하나 이상의 유기갈륨전구체저장용기, 액상의 유기인듐전구체를 수용하는 적어도 하나 이상의 유기인듐전구체저장용기 및 액상의 유기아연전구체를 수용하는 유기아연전구체저장용기를 구비할 수 있다. 나아가, 유기금속전구체저장용기(224)는 지르코늄 및 하프늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하여 구성된 액상의 유기도핑금속전구체를 수용하는 유기도핑금속전구체저장용기를 더 구비할 수 있다. 유기금속전구체저장용기(224) 내에는 액상의 유기금속전구체(220)의 온도를 소정의 값으로 변경, 조절 및/또는 유지할 수 있도록 온도조절장치(222)가 추가적으로 구성될 수 있다.
캐리어가스 공급부(218)는 유기금속전구체저장용기(224) 내에, 예를 들어, 질소와 같은, 캐리어가스를 공급하도록 구성되며, 적절한 압력과 유량을 가진 캐리어가스는 액상의 유기금속전구체(220)를 버블링할 수 있다. 액상의 유기금속전구체(220)를 버블링함으로써 기상의 유기금속전구체가 생성될 수 있다. 캐리어가스의 유량을 정밀하게 제어하기 위하여 유량제어기(MFC, Mass Flow Controller, 212)가 캐리어가스 공급부(218)의 일단에 추가로 구성될 수 있다.
유기금속전구체 공급부(226)는 유기금속전구체저장용기(224)에서 생성된 기상의 유기금속전구체를 챔버(250) 내로 공급할 수 있도록 구성될 수 있다. 캐리어가스 공급부(218)와 유기금속전구체 공급부(226)에는 유체의 흐름을 제어할 수 있도록 유로의 개폐를 조절할 수 있는 밸브(214, 228)가 각각 연결될 수 있다. 한편, 산소 공급부(230)는 산소를 포함하는 기상의 산화제를 챔버(250) 내로 인입하도록 구성될 수 있다.
제어부(210)는 유량제어기(212)와 밸브(214, 228)의 온/오프를 조절하고 제어함으로써 유체의 흐름을 조절하고 제어할 수 있다. 나아가, 제어부(210)는 유기금속전구체저장용기(224) 내에 인입되는 상기 캐리어가스의 유량을 조절할 수 있다. 예를 들어, 제어부(210)는 적어도 하나 이상의 유기갈륨전구체저장용기 또는 적어도 하나 이상의 유기인듐전구체저장용기 내에 인입되는 상기 캐리어가스의 유량을 조절할 수 있다. 한편, 제어부(210)는 유기금속전구체저장용기(224)의 온도를 독립적으로 조절할 수 있다. 예를 들어, 제어부(210)는 적어도 하나 이상의 유기갈륨전구체저장용기 또는 적어도 하나 이상의 유기인듐전구체저장용기의 각각의 온도를 독립적으로 조절할 수 있다.
챔버(250) 내에는 GaInZnO 박막과 같은 산화물 반도체 박막이 형성되기 위한 공간이 형성되며, 챔버(250) 내부 하측에는 GaInZnO 박막과 같은 산화물 반도체 박막이 형성되기 위한 피증착 구조체(100)가 안착되는 스테이지(254)가 마련되고, 챔버(250) 내부 상측에는 피증착 구조체(100) 상에 기상의 유기금속전구체를 분사하여 제공할 수 있는 샤워헤드(252)가 배치될 수 있다. 그리고 배기라인(256)은 챔버(250) 내에 증착을 완료한 후에 잔류하는 공정가스들을 배출하기 위하여 마련되며, 별도의 배관 및 진공펌프 등으로 구성될 수 있다.
편의상, 도 2에서는 액상의 유기금속전구체(220)를 수용하는 유기금속전구체저장용기(224)로서 유기갈륨전구체저장용기, 유기인듐전구체저장용기, 유기아연전구체저장용기 및 유기도핑금속전구체저장용기 중의 어느 하나에 대하여 도시하였다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 GaInZnO 박막의 형성장치는 유기아연전구체저장용기, 적어도 하나의 유기갈륨전구체저장용기 및 적어도 하나의 유기인듐전구체저장용기가 병렬적으로 배치되고 최종적으로 샤워헤드 공급부(232)에 병합됨으로써, 기상의 유기갈륨전구체, 기상의 유기인듐전구체 및 기상의 유기아연전구체가 챔버(250) 내에 제공될 수 있다. 또한, 추가적으로, 유기도핑금속전구체저장용기가 유기아연전구체저장용기, 적어도 하나의 유기갈륨전구체저장용기 및 적어도 하나의 유기인듐전구체저장용기와 병렬적으로 배치되고 최종적으로 샤워헤드 공급부(232)에 병합됨으로써, 기상의 유기도핑금속전구체도 챔버(250) 내에 제공될 수 있다.
상술한 산화물 반도체 박막의 형성장치를 이용하여 기상의 유기갈륨전구체를 피증착 구조체(100) 상에 제공하는 단계, 기상의 유기인듐전구체를 피증착 구조체(100) 상에 제공하는 단계, 기상의 유기아연전구체를 피증착 구조체(100) 상에 제공하는 단계 및 산소를 포함하는 기상의 산화제를 피증착 구조체(100) 상에 제공하는 단계를 수행함으로써, GaInZnO 박막과 같은 산화물 반도체 박막을 형성한다. 상기 단계들은 유기금속화학기상증착(MOCVD) 공정이나 원자층증착(ALD) 공정을 구현하는 단계들의 일부를 구성할 수 있다. 상기 단계들 중에서 적어도 일부의 단계들은 동시에 수행되거나 순차적으로 수행될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 GaInZnO 박막의 형성방법에서, 상기 유기갈륨전구체, 상기 유기인듐전구체 및 상기 유기아연전구체는 각각 탄화수소(hydrocarbon)계 화합물로만 구성될 수 있다. 이는 상기 유기갈륨전구체, 상기 유기인듐전구체 및 상기 유기아연전구체와 같은, 서로 다른 유기금속전구체들에 대해서 동일한 공정 윈도우를 확보하기 위하여 제안된 것으로서, 예를 들어, 상기 서로 다른 유기금속전구체들의 분해 온도를 일정하게, 예를 들어, 350℃ 이하로, 유지할 수 있는 장점이 있다. 구체적으로 살펴보면, 기상의 유기갈륨전구체는 Ga(CH3)3 화합물을 포함할 수 있으며, 기상의 유기인듐전구체는 In(CH2CH3)3 화합물을 포함할 수 있으며, 기상의 유기아연전구체는 Zn(CH2CH3)2 화합물을 포함할 수 있다. 이 경우, 산소를 포함하는 기상의 산화제는 H2O, N2O 또는 O2를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 변형된 실시예에 따른 GaInZnO 박막의 형성방법은 지르코늄 및 하프늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하여 구성된 기상의 유기도핑금속전구체를 피증착 구조체(100) 상에 제공하는 단계를 더 수행할 수 있다. 이 경우, 지르코늄 및 하프늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나가 도핑된 GaInZnO 박막을 형성할 수 있다. 상기 유기도핑금속전구체는 상기 유기갈륨전구체, 유기인듐전구체 및 유기아연전구체와 마찬가지로 탄화수소(hydrocarbon)계 화합물을 포함할 수 있으며, 이에 따라 동일한 공정 윈도우를 확보할 수 있는 유리한 효과를 기대할 수 있다. 예를 들어, 상기 유기도핑금속전구체는 Zr(CH2CH4)4, Zr-(N-(CH3)3)4, Zr(N-(CH2CH3)3)4, Hf(CH2CH4)4, Hf-(N-(CH3)3)4 또는 Hf(N-(CH2CH3)3)4 화합물을 포함할 수 있다.
상술한 산화물 반도체 박막의 형성장치 및 형성방법에 따르면, 스퍼터링 공정에 의하지 않고 유기금속화학기상증착 공정에 의하여 GaInZnO 박막을 구현할 수 있었다. 스퍼터링법에 의해 GaInZnO 박막을 형성할 경우, 타겟의 구성원소 중 가벼운 원소는 높은 스퍼터링 수율로 인해 소실되며 이에 따라 장기간 동안 공정을 진행할 경우 조성 변화에 따른 활성층의 전도도의 제어가 불가능한 문제점이 발생하였지만, 본 발명의 일 실시예에 의하여 형성된 GaInZnO 박막은 유기금속화학기상증착 공정에 의하여 형성되므로 이러한 문제점을 방지할 수 있다. 한편, 유기금속화학기상증착 공정은, 일반적인 화학기상증착(CVD) 공정의 장점에 더하여, 결합에너지가 낮은 유기원소가 리간드(ligand)로 금속원자와 화학적으로 결합되어 있는 전구체를 이용하기 때문에 보다 낮은 온도에서 증착이 가능하며, 후열처리가 필요없는 장점을 가질 수 있다. 또한, 유기금속화학기상증착 공정에서 유기금속전구체들을 모두 탄화수소(hydrocarbon)계 화합물로만 구성하여 동일한 공정 윈도우를 확보할 수 있다.
이하에서는, 갈륨과 인듐의 농도 구배를 가지는 GaInZnO 박막의 적층구조체를 구현하는 산화물 반도체 박막의 형성장치 및 형성방법을 설명하고자 한다. 먼저, 갈륨과 인듐의 농도 구배를 가지는 GaInZnO 박막의 적층구조체에 대하여 살펴본다.
도 3은 갈륨과 인듐의 농도 구배를 가지는 GaInZnO 박막의 적층구조체를 도해하는 단면도이며, 도 4는 GaInZnO 박막의 적층구조체 농도 구배를 도해하는 그래프이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, GaInZnO 박막의 적층구조체(340)는 GaInZnO를 각각 포함하는 제 1 산화물 반도체 박막(342) 및 제 2 산화물 반도체 박막(344)을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 제 1 산화물 반도체 박막(342) 및 제 2 산화물 반도체 박막(344)은 유기금속화학기상증착(MOCVD) 공정에 의하여 형성될 수 있다. 다성분계 산화물 타겟을 이용한 스퍼터링에 의하여 GaInZnO 박막을 형성하는 경우, 장시간 사용에 따라 타겟의 산소 농도가 저하되어 GaInZnO 박막의 전도도의 제어가 어려웠으나 본 발명에서는 유기금속화학기상증착에 의하여 GaInZnO 박막의 적층구조체(340)를 형성함으로써 이러한 문제점을 극복할 수 있다. 제 2 산화물 반도체 박막(344)은 제 1 산화물 반도체 박막(342)과 접촉할 수 있으며, 제 1 산화물 반도체 박막(342) 상에 배치될 수 있다. 본 발명의 변형된 실시예에서는, 도 3에서 도시된 것과 달리, 제 1 산화물 반도체 박막(342)이 제 2 산화물 반도체 박막(344) 상에 배치될 수도 있다.
이해의 편의상, 도 3에서는 제 1 산화물 반도체 박막(342)과 제 2 산화물 반도체 박막(344)의 경계선이 명확하도록 도시하였으나, 실제로 형성된 GaInZnO 박막의 적층구조체(340)에서는 제 1 산화물 반도체 박막(342)과 제 2 산화물 반도체 박막(344)의 경계선이 명확하지 않거나 나타나지 않을 수도 있다. 예를 들어, 동일한 챔버나 반응실 내부에서 인시츄(in-situ)로 제 1 산화물 반도체 박막(342)과 제 2 산화물 반도체 박막(344)을 연속적으로 형성하는 경우에는, GaInZnO 물질로 구성되는 제 1 산화물 반도체 박막(342)과 제 2 산화물 반도체 박막(344) 사이에서 경계선이 명확하지 않거나 또는 나타나지 않을 수 있으며, 제 1 산화물 반도체 박막(342)과 제 2 산화물 반도체 박막(344)은 일체(一體)로 형성될 수도 있다.
GaInZnO 박막의 적층구조체(340)에서 갈륨과 인듐의 농도는 구배를 가진다. 예를 들어, 제 2 산화물 반도체 박막(도 4의 제2층; 344)의 갈륨의 농도(C2)는 제 1 산화물 반도체 박막(도 4의 제1층; 342)에서의 갈륨의 농도(C1) 보다 더 높으며, 제 2 산화물 반도체 박막(344)의 인듐의 농도(C4)는 제 1 산화물 반도체 박막(342)에서의 인듐의 농도(C3) 보다 더 낮을 수 있다. 이 경우, 갈륨의 농도는 제 1 산화물 반도체 박막(342)에서 제 2 산화물 반도체 박막(344)으로 불연속적으로 증가할 수 있으며, 인듐의 농도는 제 1 산화물 반도체 박막(342)에서 제 2 산화물 반도체 박막(344)으로 불연속적으로 감소할 수 있다. 만약, 불연속적으로 변하는 농도의 차이가 크다면, 제 1 산화물 반도체 박막(342)과 제 2 산화물 반도체 박막(344) 사이의 계면에서 급격하게 변하는 농도차에 따른 문제점이 발생할 수 있으므로, 이를 완충하기 위한 버퍼층(미도시)이 제 1 산화물 반도체 박막(342)과 제 2 산화물 반도체 박막(344) 사이에 개재될 수도 있다. 상기 버퍼층에서의 갈륨과 인듐의 농도는 각각 제 1 산화물 반도체 박막(342)과 제 2 산화물 반도체 박막(344)에서의 갈륨의 농도들의 사이값 및 인듐의 농도들의 사이값을 가질 수 있다. 제 1 산화물 반도체 박막(342)은 인듐의 농도가 상대적으로 높으므로 캐리어 밀도가 증가되는 효과를 기대할 수 있으며, 제 2 산화물 반도체 박막(344)은 갈륨의 농도가 상대적으로 높으므로 절연 특성이 나타나는 효과를 기대할 수 있다.
상술한 불연속적인 농도 구배와 달리, 본 발명의 변형된 실시예에서는, 갈륨의 농도는 제 1 산화물 반도체 박막(342)에서 제 2 산화물 반도체 박막(344)으로 나아가는 방향(예를 들어, 도 3의 y방향)으로 연속적으로 증가할 수 있으며, 그리고/또는, 인듐의 농도는 제 1 산화물 반도체 박막(342)에서 제 2 산화물 반도체 박막(344)으로 나아가는 방향(예를 들어, 도 3의 y방향)으로 연속적으로 감소할 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 GaInZnO 박막의 적층구조체(340)는, 예시적으로, 상하의 두 개의 층으로 구성되었지만, 변형된 실시예에서는, 세 개 이상의 층으로 구성될 수도 있다. 이 경우 GaInZnO 박막의 적층구조체(340)의 일면에서 타면 방향(예를 들어, 도 3의 y방향)으로 갈륨의 농도는 연속적 또는 불연속적으로 증가하며, 동시에, 인듐의 농도는 연속적 또는 불연속적으로 낮아지는 농도 구배를 가질 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에서, 제 2 산화물 반도체 박막에서 GaInZnO 박막의 구성원소인 갈륨의 일부분은 지르코늄(Zr)이나 하프늄(Hf)으로 대체될 수 있다. 즉, 제 2 산화물 반도체 박막(344)은 지르코늄 또는 하프늄이 도핑된 GaInZnO 박막으로 이해될 수 있다. 갈륨을 대체하는 지르코늄이나 하프늄에 의하여, 저항 상승을 통한 오프전류(off current)의 감소 효과를 기대할 수 있다. 예를 들어, GaInZnO로 이루어진 제 2 산화물 반도체 박막(344)은 갈륨산화물, 인듐산화물 및 아연산화물로 구성된 부분을 포함할 수 있다. 한편, 갈륨(Ga)과 인듐(In)은 3가 금속이며 아연(Zn)은 2가 금속이므로, 지르코늄이나 하프늄과 같은 4가 금속이 3가 금속인 갈륨의 전부 또는 갈륨의 적어도 일부분을 대체한다는 것은 갈륨산화물(Ga2O3) 자리의 갈륨산화물(Ga2O3)이 지르코늄산화물(ZrO2)이나 하프늄산화물(HfO2)으로 치환된다는 것을 의미할 수 있다. 갈륨산화물에서는, 갈륨원자 1개당 산소원자는 1.5개가 공급되지만 지르코늄산화물(ZrO2)이나 하프늄산화물(HfO2)에서는, 지르코늄이나 하프늄의 원자 1개당 산소원자가 2개 공급된다. 따라서, 제 2 산화물 반도체 박막(344)에서 갈륨의 일부분이 지프코늄이나 하프늄으로 대체되는 경우, 제 2 산화물 반도체 박막(344)에 산소 공급이 상대적으로 더 많아지게 된다.
일반적으로 GaInZnO 물질과 같은 산화물 반도체 박막의 증착은 비평형 증착이므로 산소가 부족한 결함이 발생하는데, 지프코늄이나 하프늄으로 갈륨을 대체하는 경우 더 많은 산소 공급에 의하여 상기 결함이 감소되며, 감소된 결함 만큼 캐리어 생성이 저하되므로 결국 저항이 증가하여 오프전류(off current)의 감소 효과를 기대할 수 있다. 물론, 이 경우에도 제 1 산화물 반도체 박막(342) 및 제 2 산화물 반도체 박막(344)에서 인듐의 농도 구배는 제 1 산화물 반도체 박막(342)에서 제 2 산화물 반도체 박막(344)으로 불연속적으로 또는 연속적으로 감소할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 변형된 실시예에서, 절연 특성을 확보하기 위하여 제 2 산화물 반도체 박막(344) 상에 3가 또는 4가의 산화수를 갖는 금속의 산화물(예를 들어, 갈륨산화물, 지르코늄산화물 또는 하프늄산화물)을 포함하는 절연층(미도시)이 추가로 배치될 수 있다.
이하에서는, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 GaInZnO 박막 적층구조체가 적용된 박막 트랜지스터를 설명하고자 한다. 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 산화물 반도체 박막의 적층구조체가 적용된 박막 트랜지스터를 도해하는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 절연물로 이루어진 기판(310) 상에 게이트 전극(320)이 형성된다. 기판(310)과 게이트 전극(320) 사이에는 버퍼층(미도시)이 형성될 수 있다. 게이트 전극(320)은 Mo, MoW, Al 등의 금속으로 형성될 수 있다. 게이트 전극(320)을 포함하는 상부에는, 실리콘 산화막(SiO2)이나 실리콘 질화막(SiNx)으로 형성되는 게이트 절연막(330)에 의해 게이트 전극(320)과 전기적으로 절연되는, GaInZnO 물질로 구성되는 산화물 반도체 박막의 적층구조체(340)가 형성된다. 산화물 반도체 박막 적층구조체(340) 상에는 소스 영역 및 드레인 영역과 접촉되는 소스 전극 및 드레인 전극(352 및 354)이 형성되고, 소스 전극 및 드레인 전극(352 및 354)을 포함하는 상부에는 보호막(360)이 형성된다. 도 2에 도시된 피증착 구조체(100)와 도 3에 도시된 피증착 구조체(310)는, 예를 들어, 도 5에 도시된 기판(310), 게이트 전극(320) 및/또는 게이트 절연막(330)을 포함할 수 있다.
GaInZnO 물질로 구성되는 산화물 반도체 박막에서, 갈륨의 농도가 증가하면 비저항이 증가하여 절연특성이 나타나며, 플라즈마에 대한 내구성이 강하여 후속공정의 마진이 확보될 수 있다. 한편, GaInZnO 물질과 같은 산화물 반도체 박막에서, 인듐은 도전밴드(conductive band)를 형성하는 요소로서, 인듐의 농도가 증가하면 캐리어(전자)의 이동도가 증가할 수 있으나, 플라즈마를 이용한 후속공정에서 손상을 쉽게 받는다. GaInZnO 물질로 구성된 산화물 반도체 박막의 적층구조체(340)가 후속 공정에 사용되는 플라즈마에 의하여 손상을 받으면 표면의 격자 파괴에 따른 산소 결함으로 인하여 캐리어 농도가 증가하고 이에 따른 비저항 감소에 의해 오프전류(off current)가 증가하는 등의 문제점이 발생할 수 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위하여, GaInZnO 물질로 구성되는 산화물 반도체박막의 적층구조체(340)는, 갈륨과 인듐의 농도가 구배를 가질 수 있다. 구체적으로 살펴보면, GaInZnO 물질로 구성되는 산화물 반도체 박막의 적층구조체(340)는, 게이트 전극(320)과 상대적으로 인접한 제 1 산화물 반도체 박막(342)과 게이트 전극(320)과 상대적으로 멀리 이격된 제 2 산화물 반도체 박막(344)을 포함할 수 있는데, 예를 들어, 제 2 산화물 반도체 박막(344)의 갈륨의 농도(C2)는 제 1 산화물 반도체 박막(342)에서의 갈륨의 농도(C1) 보다 더 높으며, 제 2 산화물 반도체 박막(344)의 인듐의 농도(C4)는 제 1 산화물 반도체 박막(342)에서의 인듐의 농도(C3) 보다 더 낮을 수 있다. 한편, 도 3 및 도 4를 참조하여 앞에서 설명한 산화물 반도체 박막(340)에 대한 다양한 변형된 실시예들이 도 5와 같은 산화물 반도체 박막 적층구조체가 적용된 박막 트랜지스터에서도 적용될 수 있음은 명백하다.
이하에서는, 상술한 갈륨과 인듐의 농도 구배를 가지는 GaInZnO 박막의 적층구조체를 구현하는 산화물 반도체 박막의 형성방법 및 형성장치를 설명한다. 먼저, 상기 산화물 반도체 박막의 적층구조체를 형성하는 방법은, 피증착 구조체(도 3의 310) 상에 제 1 산화물 반도체 박막(도 3의 342)을 형성하는 단계 및 제 1 산화물 반도체 박막(342) 상에 제 2 산화물 반도체 박막(도 3의 344)을 형성하는 단계를 구비한다.
피증착 구조체(310) 상에 제 1 산화물 반도체 박막(342)을 형성하는 단계는, 기상의 유기갈륨전구체, 기상의 유기인듐전구체, 및 기상의 유기아연전구체를 피증착 구조체(310) 상에 제공하는 단계 및 산소를 포함하는 기상의 산화제를 피증착 구조체(310) 상에 제공하는 단계를 포함하는 제 1 사이클을 수행함으로써 구현된다.
제 1 산화물 반도체 박막(342) 상에 제 2 산화물 반도체 박막(344)을 형성하는 단계는, 기상의 유기갈륨전구체, 기상의 유기인듐전구체, 및 기상의 유기아연전구체를 제 1 산화물 반도체 박막(342) 상에 제공하는 단계 및 산소를 포함하는 기상의 산화제를 제 1 산화물 반도체 박막(342) 상에 제공하는 단계를 포함하는 제 2 사이클을 수행함으로써 구현된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 반도체 박막의 형성방법을 설명하기 위한 것으로서, 공정시간에 따른 기상의 유기금속전구체의 유량을 도해하는 그래프인 도 6을 함께 참조하면, 상기 제 1 사이클(도 6에서 시간 t1 이전 구간에 대응) 동안 피증착 구조체(310) 상에 제공되는 상기 유기갈륨전구체의 유량(P1)은, 상기 제 2 사이클(도 6에서 시간 t1 이후 구간에 대응) 동안 제 1 산화물 반도체 박막(342) 상에 제공되는 상기 유기갈륨전구체의 유량(P2)보다 더 적고, 상기 제 1 사이클 동안 피증착 구조체(310) 상에 제공되는 상기 유기인듐전구체의 유량(P3)은, 상기 제 2 사이클 동안 제 1 산화물 반도체 박막(342) 상에 제공되는 상기 유기인듐전구체의 유량(P4)보다 더 많다. 이러한 유기금속전구체의 유량의 제어를 통하여, 도 4와 같은 농도 구배를 가지는, 산화물 반도체 박막의 적층구조체를 구현할 수 있다.
먼저, 상기 제 1 사이클 동안 피증착 구조체(310) 상에 제공되는 상기 유기갈륨전구체의 유량(P1)이, 상기 제 2 사이클 동안 제 1 산화물 반도체 박막(342) 상에 제공되는 상기 유기갈륨전구체의 유량(P2)보다 더 적도록 구성하여, 갈륨의 농도 구배(도 4의 (a))를 가지는 산화물 반도체 박막의 적층구조체(340)를 구현할 수 있는 다양한 방법을 설명한다.
첫번째 방법은, 단일의 유기갈륨전구체저장용기를 이용하면서 캐리어가스의 유량을 조절하는 방법이다. 예를 들어, 도 2 및 도 3을 함께 참조하면, 제 1 산화물 반도체 박막(342)을 형성하는 상기 제 1 사이클 및 제 2 산화물 반도체 박막(344)을 형성하는 상기 제 2 사이클에서 각각, 기상의 유기갈륨전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기갈륨전구체(220)를 버블링하기 위하여 수용하는 제 1 유기갈륨전구체저장용기(224)에 캐리어가스를 주입하는 단계를 포함하며, 상기 제 1 사이클에서 제 1 유기갈륨전구체저장용기(224)에 주입하는 캐리어가스의 유량은 상기 제 2 사이클에서 제 1 유기갈륨전구체저장용기(224)에 주입하는 캐리어가스의 유량보다 더 적도록 구성할 수 있다. 즉, 제 1 사이클과 제 2 사이클에서 사용하는 유기갈륨전구체저장용기(224)는 동일한 저장용기이다. 이를 구현하기 위한 산화물 반도체 박막의 형성장치는 제 1 유기갈륨전구체저장용기(224) 내에 인입되는 캐리어가스의 유량을 시간에 따라 순차적으로 조절할 수 있는 제어부(도 1의 210)를 구비할 수 있다.
두번째 방법은, 단일의 유기갈륨전구체저장용기를 이용하면서 유기갈륨전구체저장용기의 온도를 조절하는 방법이다. 예를 들어, 도 2 및 도 3을 함께 참조하면, 제 1 산화물 반도체 박막(342)을 형성하는 상기 제 1 사이클 및 제 2 산화물 반도체 박막(344)을 형성하는 상기 제 2 사이클에서 각각, 기상의 유기갈륨전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기갈륨전구체(220)를 버블링하기 위하여 수용하는 제 1 유기갈륨전구체저장용기(224)에 캐리어가스를 주입하는 단계를 포함하고, 상기 제 1 사이클에서의 제 1 유기갈륨전구체저장용기(224)의 온도는 상기 제 2 사이클에서의 제 1 유기갈륨전구체저장용기(224)의 온도보다 더 낮도록 구성할 수 있다. 즉, 제 1 사이클과 제 2 사이클에서 사용하는 유기갈륨전구체저장용기(224)는 동일한 저장용기이다. 이를 구현하기 위한 산화물 반도체 박막의 형성장치는 제 1 유기갈륨전구체저장용기(224)의 온도를 시간에 따라 순차적으로 조절할 수 있는 제어부(도 1의 210)를 구비할 수 있다.
세번째 방법은, 복수의 유기갈륨전구체저장용기들을 이용하면서 캐리어가스의 유량을 조절하는 방법이다. 도 3과 도 7을 함께 참조하면, 제 1 산화물 반도체 박막(342)을 형성하는 상기 제 1 사이클에서 기상의 유기갈륨전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기갈륨전구체(220a)를 버블링하기 위하여 수용하는 제 1 유기갈륨전구체저장용기(224a)에 캐리어가스를 주입하는 단계를 포함하고, 제 2 산화물 반도체 박막(344)을 형성하는 상기 제 2 사이클에서 기상의 유기갈륨전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기갈륨전구체(220b)를 버블링하기 위하여 수용하는 제 2 유기갈륨전구체저장용기(224b)에 캐리어가스를 주입하는 단계를 포함하며, 상기 제 1 사이클에서 제 1 유기갈륨전구체저장용기(224a)에 주입하는 캐리어가스의 유량은 상기 제 2 사이클에서 제 2 유기갈륨전구체저장용기(224b)에 주입하는 캐리어가스의 유량보다 더 적도록 구성할 수 있다. 즉, 제 1 사이클과 제 2 사이클에서 사용하는 유기갈륨전구체저장용기(224a, 224b)는 서로 상이하다. 이를 구현하기 위한 산화물 반도체 박막의 형성장치는 제 1 유기갈륨전구체저장용기(224a) 내에 인입되는 캐리어가스의 유량과 제 2 유기갈륨전구체저장용기(224b) 내에 인입되는 캐리어가스의 유량을 서로 다르게 조절할 수 있는 제어부(도 1의 210)를 구비할 수 있다.
네번째 방법은, 복수의 유기갈륨전구체저장용기들을 이용하면서 유기갈륨전구체저장용기들의 온도를 조절하는 방법이다. 도 3과 도 7을 함께 참조하면, 제 1 산화물 반도체 박막(342)을 형성하는 상기 제 1 사이클에서 기상의 유기갈륨전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기갈륨전구체(220a)를 버블링하기 위하여 수용하는 제 1 유기갈륨전구체저장용기(224a)에 캐리어가스를 주입하는 단계를 포함하고, 제 2 산화물 반도체 박막(344)을 형성하는 상기 제 2 사이클에서 기상의 유기갈륨전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기갈륨전구체(220b)를 버블링하기 위하여 수용하는 제 2 유기갈륨전구체저장용기(224b)에 캐리어가스를 주입하는 단계를 포함하며, 상기 제 1 사이클에서 제 1 유기갈륨전구체저장용기(224a)의 온도는 상기 제 2 사이클에서 제 2 유기갈륨전구체저장용기(224b)의 온도보다 더 낮도록 구성하는 방법이다. 즉, 제 1 사이클과 제 2 사이클에서 사용하는 유기갈륨전구체저장용기(224a, 224b)는 서로 상이하다. 이를 구현하기 위한 산화물 반도체 박막의 형성장치는 제 1 유기갈륨전구체저장용기(224a)과 제 2 유기갈륨전구체저장용기(224b)의 온도를 각각 독립적으로 조절할 수 있는 제어부(도 1의 210)를 구비할 수 있다.
또한, 상기 제 1 사이클 동안 피증착 구조체(310) 상에 제공되는 상기 유기인듐전구체의 유량(P3)은, 상기 제 2 사이클 동안 제 1 산화물 반도체 박막(342) 상에 제공되는 상기 유기인듐전구체의 유량(P4)보다 더 많도록 구성하여, 인듐의 농도 구배(도 4의 (b))를 가지는 산화물 반도체 박막의 적층구조체(340)를 구현할 수 있는 다양한 방법을 설명한다.
첫번째 방법은, 단일의 유기인듐전구체저장용기를 이용하면서 캐리어가스의 유량을 조절하는 방법이다. 예를 들어, 도 2 및 도 3을 함께 참조하면, 제 1 산화물 반도체 박막(342)을 형성하는 상기 제 1 사이클 및 제 2 산화물 반도체 박막(344)을 형성하는 상기 제 2 사이클에서 각각, 기상의 유기인듐전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기인듐전구체(220)를 버블링하기 위하여 수용하는 제 1 유기인듐전구체저장용기(224)에 캐리어가스를 주입하는 단계를 포함하며, 상기 제 1 사이클에서 제 1 유기인듐전구체저장용기(224)에 주입하는 캐리어가스의 유량은 상기 제 2 사이클에서 제 1 유기인듐전구체저장용기(224)에 주입하는 캐리어가스의 유량보다 더 많도록 구성할 수 있다. 즉, 제 1 사이클과 제 2 사이클에서 사용하는 유기인듐전구체저장용기(224)는 동일한 저장용기이다. 이를 구현하기 위한 산화물 반도체 박막의 형성장치는 제 1 유기인듐전구체저장용기(224) 내에 인입되는 캐리어가스의 유량을 시간에 따라 순차적으로 조절할 수 있는 제어부(도 1의 210)를 구비할 수 있다.
두번째 방법은, 단일의 유기인듐전구체저장용기를 이용하면서 유기인듐전구체저장용기의 온도를 조절하는 방법이다. 예를 들어, 도 2 및 도 3을 함께 참조하면, 제 1 산화물 반도체 박막(342)을 형성하는 상기 제 1 사이클 및 제 2 산화물 반도체 박막(344)을 형성하는 상기 제 2 사이클에서 각각, 기상의 유기인듐전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기인듐전구체(220)를 버블링하기 위하여 수용하는 제 1 유기인듐전구체저장용기(224)에 캐리어가스를 주입하는 단계를 포함하고, 상기 제 1 사이클에서의 제 1 유기인듐전구체저장용기(224)의 온도는 상기 제 2 사이클에서의 제 1 유기인듐전구체저장용기(224)의 온도보다 더 높도록 구성하는 방법이다. 즉, 제 1 사이클과 제 2 사이클에서 사용하는 유기인듐전구체저장용기(224)는 동일한 저장용기이다. 이를 구현하기 위한 산화물 반도체 박막의 형성장치는 제 1 유기인듐전구체저장용기(224)의 온도를 시간에 따라 순차적으로 조절할 수 있는 제어부(도 1의 210)를 구비할 수 있다.
세번째 방법은, 복수의 유기인듐전구체저장용기들을 이용하면서 캐리어가스의 유량을 조절하는 방법이다. 도 3과 도 7을 함께 참조하면, 제 1 산화물 반도체 박막(342)을 형성하는 상기 제 1 사이클에서 기상의 유기인듐전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기인듐전구체(220a)를 버블링하기 위하여 수용하는 제 1 유기인듐전구체저장용기(224a)에 캐리어가스를 주입하는 단계를 포함하고, 제 2 산화물 반도체 박막(344)을 형성하는 상기 제 2 사이클에서 기상의 유기인듐전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기인듐전구체(220b)를 버블링하기 위하여 수용하는 제 2 유기인듐전구체저장용기(224b)에 캐리어가스를 주입하는 단계를 포함하며, 상기 제 1 사이클에서 제 1 유기인듐전구체저장용기(224a)에 주입하는 캐리어가스의 유량은 상기 제 2 사이클에서 제 2 유기인듐전구체저장용기(224b)에 주입하는 캐리어가스의 유량보다 더 많도록 구성할 수 있다. 즉, 제 1 사이클과 제 2 사이클에서 사용하는 유기인듐전구체저장용기(224a, 224b)는 서로 상이하다. 이를 구현하기 위한 산화물 반도체 박막의 형성장치는 제 1 유기인듐전구체저장용기(224a) 내에 인입되는 캐리어가스의 유량과 제 2 유기인듐전구체저장용기(224b) 내에 인입되는 캐리어가스의 유량을 서로 다르게 조절할 수 있는 제어부(도 1의 210)를 구비할 수 있다.
네번째 방법은, 복수의 유기인듐전구체저장용기들을 이용하면서 유기인듐전구체저장용기들의 온도를 조절하는 방법이다. 도 3과 도 7을 함께 참조하면, 제 1 산화물 반도체 박막(342)을 형성하는 상기 제 1 사이클에서 기상의 유기인듐전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기인듐전구체(220a)를 버블링하기 위하여 수용하는 제 1 유기인듐전구체저장용기(224a)에 캐리어가스를 주입하는 단계를 포함하고, 제 2 산화물 반도체 박막(344)을 형성하는 상기 제 2 사이클에서 기상의 유기인듐전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기인듐전구체(220b)를 버블링하기 위하여 수용하는 제 2 유기인듐전구체저장용기(224b)에 캐리어가스를 주입하는 단계를 포함하며, 상기 제 1 사이클에서 제 1 유기인듐전구체저장용기(224a)의 온도는 상기 제 2 사이클에서 제 2 유기인듐전구체저장용기(224b)의 온도보다 더 높도록 구성하는 방법이다. 즉, 제 1 사이클과 제 2 사이클에서 사용하는 유기인듐전구체저장용기(224a, 224b)는 서로 상이하다. 이를 구현하기 위한 산화물 반도체 박막의 형성장치는 제 1 유기인듐전구체저장용기(224a)과 제 2 유기인듐전구체저장용기(224b)의 온도를 각각 독립적으로 조절할 수 있는 제어부(도 1의 210)를 구비할 수 있다.
상술한 설명에 따른 산화물 반도체 박막의 적층구조체(340)에서 갈륨의 농도 구배(도 4의 (a))를 구현할 수 있는 4가지 방법과 인듐의 농도 구배(도 4의 (b))를 구현할 수 있는 4가지 방법을 각각 조합하면, 산화물 반도체 박막의 적층구조체(340)에서 갈륨과 인듐의 농도 구배를 구현할 수 있는 방법은 모두 16가지 경우가 가능하다. 통상적으로, 다성분계 산화물 타겟을 이용한 스퍼터링 방식을 이용하는 경우는, 스퍼터링 수율의 차이로 장시간 사용시에 타겟의 산소 농도가 저하되어 산화물 반도체 박막의 적층구조체의 전도도의 제어가 어려운 문제점이 발생할 수 있으나, 본 발명의 실시예에 의하면, 갈륨과 인듐의 농도 구배를 가지는 양질의 산화물 반도체 박막의 적층구조체를 비교적 용이하게 다양한 방법으로 구현할 수 있다.
한편, 상술한 산화물 반도체 박막의 형성장치는 산화물 반도체 박막 내의 농도구배를 구현하기 위하여 액상의 유기금속전구체를 수용한 저장용기 내에 캐리어가스를 공급하는 버블러 구성을 적용하였다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상에 의한 산화물 반도체 박막 내의 농도구배를 구현하기 위한 산화물 반도체 박막의 형성장치는 버블러(bubbler) 외에도 기화기(vaporizer)를 이용할 수 있다. 즉, 갈륨이나 아연과 같이 증기압이 높은 경우에는 기화기를 사용하지 않고 버블러로도 충분히 기화가 가능하지만, 본 발명에 의한 산화물 반도체 박막 형성장치가 기화기의 적용을 배제하는 것이 아님은 명백하다. 기화기를 적용한 산화물 반도체 박막의 형성장치에서 농도구배를 가지는 산화물 반도체 박막을 형성하기 위하여, 기화율이 상이한 복수의 기화기들을 병렬로 배치하는 방법과 단일 기화기에서 기화기 내로 인입하는 전구체 물질의 펄싱(pulsing) 시간을 조절하여 유량을 제어하는 방법 등이 가능하다.
또한, 본 발명의 변형된 실시예로서, 산화물 반도체 박막 내의 농도구배를 구현하기 위한 산화물 반도체 박막의 형성장치는 기상의 유기금속전구체들의 유량조절을 유량제어기(MFC)로 제어할 수도 있다. 즉, 버블러나 기화기 후단의 기화된 유기금속전구체의 온도차이를 감지하여 유량조절을 함으로써 상술한 농도구배를 가지는 산화물 반도체 박막을 형성할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 피증착 구조체
200a, 200b : 산화물 반도체 박막 형성장치
224 : 액상의 유기금속전구체저장용기
218 : 캐리어가스 공급부
226 : 기상의 유기금속전구체 공급부
250 : 챔버
252 : 샤워헤드
340 : 산화물 반도체 박막의 적층 구조체
342 : 제 1 산화물 반도체 박막
344 : 제 2 산화물 반도체 박막

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  9. 기상의 유기갈륨전구체, 기상의 유기인듐전구체, 및 기상의 유기아연전구체를 피증착 구조체 상에 제공하는 단계 및 산소를 포함하는 기상의 산화제를 상기 피증착 구조체 상에 제공하는 단계를 포함하는 제 1 사이클을 수행하여 제 1 산화물 반도체 박막을 형성하는 단계; 및
    기상의 유기갈륨전구체, 기상의 유기인듐전구체, 및 기상의 유기아연전구체를 상기 제 1 산화물 반도체 박막 상에 제공하는 단계 및 산소를 포함하는 기상의 산화제를 상기 제 1 산화물 반도체 박막 상에 제공하는 단계를 포함하는 제 2 사이클을 수행하여 제 2 산화물 반도체 박막을 형성하는 단계;를 구비하고,
    상기 제 1 사이클 동안 상기 피증착 구조체 상에 제공되는 상기 유기갈륨전구체의 유량은, 상기 제 2 사이클 동안 상기 제 1 산화물 반도체 박막 상에 제공되는 상기 유기갈륨전구체의 유량보다 더 적고,
    상기 제 1 사이클 동안 상기 피증착 구조체 상에 제공되는 상기 유기인듐전구체의 유량은, 상기 제 2 사이클 동안 상기 제 1 산화물 반도체 박막 상에 제공되는 상기 유기인듐전구체의 유량보다 더 많은,
    산화물 반도체 박막의 형성방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 사이클은, 지르코늄 및 하프늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하여 구성된 기상의 유기도핑금속전구체를 상기 제 1 산화물 반도체 박막 상에 제공하는 단계;를 더 포함하는, 산화물 반도체 박막의 형성방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 사이클 및 상기 제 2 사이클에서 상기 기상의 유기갈륨전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기갈륨전구체를 버블링하기 위하여 수용하는 제 1 유기갈륨전구체저장용기에 캐리어가스를 주입하는 단계를 각각 포함하고,
    상기 제 1 사이클에서 상기 제 1 유기갈륨전구체저장용기에 주입하는 캐리어가스의 유량은 상기 제 2 사이클에서 상기 제 1 유기갈륨전구체저장용기에 주입하는 캐리어가스의 유량보다 더 적은, 산화물 반도체 박막의 형성방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 사이클에서 상기 기상의 유기갈륨전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기갈륨전구체를 버블링하기 위하여 수용하는 제 1 유기갈륨전구체저장용기에 캐리어가스를 주입하는 단계를 포함하고,
    상기 제 2 사이클에서 상기 기상의 유기갈륨전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기갈륨전구체를 버블링하기 위하여 수용하는 제 2 유기갈륨전구체저장용기에 캐리어가스를 주입하는 단계를 포함하고,
    상기 제 1 사이클에서 상기 제 1 유기갈륨전구체저장용기에 주입하는 캐리어가스의 유량은 상기 제 2 사이클에서 상기 제 2 유기갈륨전구체저장용기에 주입하는 캐리어가스의 유량보다 더 적은, 산화물 반도체 박막의 형성방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 사이클 및 상기 제 2 사이클에서 상기 기상의 유기갈륨전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기갈륨전구체를 버블링하기 위하여 수용하는 제 1 유기갈륨전구체저장용기에 캐리어가스를 주입하는 단계를 각각 포함하고,
    상기 제 1 사이클에서의 상기 제 1 유기갈륨전구체저장용기의 온도는 상기 제 2 사이클에서의 상기 제 1 유기갈륨전구체저장용기의 온도보다 더 낮은, 산화물 반도체 박막의 형성방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 사이클에서 상기 기상의 유기갈륨전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기갈륨전구체를 버블링하기 위하여 수용하는 제 1 유기갈륨전구체저장용기에 캐리어가스를 주입하는 단계를 포함하고,
    상기 제 2 사이클에서 상기 기상의 유기갈륨전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기갈륨전구체를 버블링하기 위하여 수용하는 제 2 유기갈륨전구체저장용기에 캐리어가스를 주입하는 단계를 포함하고,
    상기 제 1 사이클에서의 상기 제 1 유기갈륨전구체저장용기의 온도는 상기 제 2 사이클에서의 상기 제 2 유기갈륨전구체저장용기의 온도보다 더 낮은, 산화물 반도체 박막의 형성방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 사이클 및 상기 제 2 사이클에서 상기 기상의 유기인듐전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기인듐전구체를 버블링하기 위하여 수용하는 제 1 유기인듐전구체저장용기에 캐리어가스를 주입하는 단계를 각각 포함하고,
    상기 제 1 사이클에서 상기 제 1 유기인듐전구체저장용기에 주입하는 캐리어가스의 유량은 상기 제 2 사이클에서 상기 제 1 유기인듐전구체저장용기에 주입하는 캐리어가스의 유량보다 더 많은, 산화물 반도체 박막의 형성방법.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 사이클에서 상기 기상의 유기인듐전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기인듐전구체를 버블링하기 위하여 수용하는 제 1 유기인듐전구체저장용기에 캐리어가스를 주입하는 단계를 포함하고,
    상기 제 2 사이클에서 상기 기상의 유기인듐전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기인듐전구체를 버블링하기 위하여 수용하는 제 2 유기인듐전구체저장용기에 캐리어가스를 주입하는 단계를 포함하고,
    상기 제 1 사이클에서 상기 제 1 유기인듐전구체저장용기에 주입하는 캐리어가스의 유량은 상기 제 2 사이클에서 상기 제 2 유기인듐전구체저장용기에 주입하는 캐리어가스의 유량보다 더 많은, 산화물 반도체 박막의 형성방법.
  17. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 사이클 및 상기 제 2 사이클에서 상기 기상의 유기인듐전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기인듐전구체를 버블링하기 위하여 수용하는 제 1 유기인듐전구체저장용기에 캐리어가스를 주입하는 단계를 각각 포함하고,
    상기 제 1 사이클에서의 상기 제 1 유기인듐전구체저장용기의 온도는 상기 제 2 사이클에서의 상기 제 1 유기인듐전구체저장용기의 온도보다 더 높은, 산화물 반도체 박막의 형성방법.
  18. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 사이클에서 상기 기상의 유기인듐전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기인듐전구체를 버블링하기 위하여 수용하는 제 1 유기인듐전구체저장용기에 캐리어가스를 주입하는 단계를 포함하고,
    상기 제 2 사이클에서 상기 기상의 유기인듐전구체를 제공하는 단계는, 액상의 유기인듐전구체를 버블링하기 위하여 수용하는 제 2 유기인듐전구체저장용기에 캐리어가스를 주입하는 단계를 포함하고,
    상기 제 1 사이클에서의 상기 제 1 유기인듐전구체저장용기의 온도는 상기 제 2 사이클에서의 상기 제 2 유기인듐전구체저장용기의 온도보다 더 높은, 산화물 반도체 박막의 형성방법.
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