KR20240008205A - Method of manufacturing the semiconductor device using solution process and semiconductor device manufactured by the method - Google Patents

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KR20240008205A
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박성준
곽태현
김원식
백석현
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아주대학교산학협력단
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Abstract

반도체 소자의 제조방법이 개시된다. 반도체 소자의 제조방법은 기판의 표면을 친수화 처리하는 제1 단계; 상기 친수화 처리된 기판의 표면 상에 IGZO 전구체 용액을 스핀코팅하여 IGZO 전구체 박막을 형성하는 제2 단계; 상기 IGZO 전구체 박막을 건조 후 열처리하여 IGZO 반도체 박막을 형성하는 제3 단계; 및 상기 IGZO 반도체 박막과 접촉하고 서로 이격된 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 제4 단계;을 포함한다. A method for manufacturing a semiconductor device is disclosed. A method of manufacturing a semiconductor device includes a first step of hydrophilizing the surface of a substrate; A second step of forming an IGZO precursor thin film by spin coating the IGZO precursor solution on the surface of the hydrophilic treated substrate; A third step of drying and heat-treating the IGZO precursor thin film to form an IGZO semiconductor thin film; and a fourth step of forming a source electrode and a drain electrode that are in contact with the IGZO semiconductor thin film and spaced apart from each other.

Description

용액 공정을 이용한 반도체 소자의 제조방법 및 이에 의해 제조된 반도체 소자 {METHOD OF MANUFACTURING THE SEMICONDUCTOR DEVICE USING SOLUTION PROCESS AND SEMICONDUCTOR DEVICE MANUFACTURED BY THE METHOD}Method for manufacturing a semiconductor device using a solution process and a semiconductor device manufactured thereby {METHOD OF MANUFACTURING THE SEMICONDUCTOR DEVICE USING SOLUTION PROCESS AND SEMICONDUCTOR DEVICE MANUFACTURED BY THE METHOD}

본 발명은 전구체 용액을 이용하는 용액 공정을 이용한 상기 반도체 소자의 제조방법 및 이에 의해 제조된 반도체 소자에 관한 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing the semiconductor device using a solution process using a precursor solution and to a semiconductor device manufactured thereby.

InGaO3(ZnO)3 물질을 채널로 이용한 박막트랜지스터의 발표 이후 산화물 반도체를 이용한 반도체 소자에 대해 많은 연구가 수행되었다. 종래의 연구들은 대부분 산화물 반도체를 제조하는 과정에서 고가의 진공 장비를 사용하였다. Since the announcement of the thin film transistor using InGaO 3 (ZnO) 3 material as a channel, much research has been conducted on semiconductor devices using oxide semiconductors. Most previous studies used expensive vacuum equipment in the process of manufacturing oxide semiconductors.

진공 장비를 이용하는 공정의 경우, 높은 공정 비용이 요구되는 문제점이 있어서, 최근에는 졸겔 박막 제조법, 유기금속분해법, 나노입자분산 용액법, 화학욕조법 등과 같은 용액 공정 기반 산화물 반도체 제조에 대한 연구가 많이 수행되고 있다. In the case of processes using vacuum equipment, there is a problem that high process costs are required. Recently, there has been a lot of research on solution process-based oxide semiconductor manufacturing such as sol-gel thin film manufacturing method, organic metal decomposition method, nanoparticle dispersion solution method, and chemical bath method. It is being carried out.

이러한 용액 공정 기반 산화물 반도체 박막의 제조방법은 공정 단가를 낮춰 원가 절감을 가능하게 하지만, 여전히 균일하고 대면적을 갖는 산화물 반도체 박막을 제조하는 것이 용이하지 않은 문제점이 있다. This solution process-based oxide semiconductor thin film manufacturing method enables cost reduction by lowering the process cost, but there is still a problem in that it is not easy to manufacture a uniform and large-area oxide semiconductor thin film.

본 발명의 일 목적은 IGZO 전구체 용액을 스핀코팅하여 균질한 대면적의 반도체 IGZO 박막을 형성할 수 있는 반도체 소자의 제조방법을 제공하는 것이다. One object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device capable of forming a homogeneous, large-area semiconductor IGZO thin film by spin-coating an IGZO precursor solution.

본 발명의 다른 목적은 상기의 방법으로 제조된 반도체 소자를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a semiconductor device manufactured by the above method.

본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법은, 기판의 표면을 친수화 처리하는 제1 단계; 상기 친수화 처리된 기판의 표면 상에 IGZO 전구체 용액을 스핀코팅하여 IGZO 전구체 박막을 형성하는 제2 단계; 상기 IGZO 전구체 박막을 건조 후 열처리하여 IGZO 반도체 박막을 형성하는 제3 단계; 및 상기 IGZO 반도체 박막과 접촉하고 서로 이격된 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 제4 단계;을 포함한다. A method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes a first step of hydrophilizing the surface of a substrate; A second step of forming an IGZO precursor thin film by spin coating the IGZO precursor solution on the surface of the hydrophilic treated substrate; A third step of drying and heat-treating the IGZO precursor thin film to form an IGZO semiconductor thin film; and a fourth step of forming a source electrode and a drain electrode that are in contact with the IGZO semiconductor thin film and spaced apart from each other.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 단계에서 상기 기판의 표면을 산소 플라즈마 또는 오존으로 처리함으로써 상기 기판의 표면을 친수화할 수 있다. In one embodiment, the surface of the substrate may be made hydrophilic by treating the surface of the substrate with oxygen plasma or ozone in the first step.

일 실시예에 있어서, 상기 IGZO 전구체 용액은 0.080 내지 0.090 M의 인듐니트레이트수화물(In(NO3)3·H2O), 0.010 내지 0.015 M의 갈륨니트레이트수화물(Ga(NO3)3·H2O) 및 0.025 내지 0.030 M의 아연아세테이트디하이드레이트(Zn(CH3COO)2·H2O)를 포함하고, 메톡시알콜 또는 물을 용매로 사용할 수 있다. In one embodiment, the IGZO precursor solution contains 0.080 to 0.090 M of indium nitrate hydrate (In(NO 3 ) 3 ·H 2 O) and 0.010 to 0.015 M of gallium nitrate hydrate (Ga(NO 3 ) 3 · H 2 O) and 0.025 to 0.030 M of zinc acetate dihydrate (Zn(CH 3 COO) 2 ·H 2 O), and methoxy alcohol or water can be used as a solvent.

일 실시예에 있어서, 상기 IGZO 전구체 용액은 은(Ag) 나노입자를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 IGZO 반도체 박막은 상기 은 나노입자를 0.5 내지 2 wt.%의 함량으로 포함할 수 있다. In one embodiment, the IGZO precursor solution may further include silver (Ag) nanoparticles. In this case, the IGZO semiconductor thin film may include the silver nanoparticles in an amount of 0.5 to 2 wt.%.

일 실시예에 있어서, 상기 제3 단계에서, 상기 IGZO 전구체 박막은 60 내지 80℃의 핫 플레이트 상에서 건조되고, 200 내지 500℃의 온도로 1 내지 2 시간 동안 열처리될 수 있다. In one embodiment, in the third step, the IGZO precursor thin film may be dried on a hot plate at 60 to 80°C and heat treated at a temperature of 200 to 500°C for 1 to 2 hours.

본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자는, 기판 상에 배치된 IGZO 반도체 박막; 및 상기 IGZO 반도체 박막과 접촉하고 상기 기판 상에서 서로 이격되게 형성된 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하고, 상기 IGZO 반도체 박막은 은(Ag) 나노입자를 0.5 내지 2 wt.%의 함량으로 포함할 수 있다. A semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes an IGZO semiconductor thin film disposed on a substrate; and a source electrode and a drain electrode in contact with the IGZO semiconductor thin film and spaced apart from each other on the substrate, and the IGZO semiconductor thin film may include silver (Ag) nanoparticles in an amount of 0.5 to 2 wt.%.

본 발명에 따르면, IGZO 전구체 용액을 이용하는 용액 공정을 통해 균질하고 대면적인 IGZO 반도체 박막을 형성할 수 있고, 그 결과 용액 공정을 통해 성능이 우수한 반도체 소자를 제조할 수 있다. According to the present invention, a homogeneous and large-area IGZO semiconductor thin film can be formed through a solution process using an IGZO precursor solution, and as a result, a semiconductor device with excellent performance can be manufactured through the solution process.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 도 1에 도시된 방법으로 제조된 반도체 소자를 설명하기 위한 사시도이다.
도 3a 및 도 3b는 실시예 1, 실시예 2 및 비교예에 따라 제조된 반도체 소자들에 대해 측정된 게이트 전압에 따른 드레인 전류의 변화 및 소스-드레인 전압에 따른 드레인 전류의 변화를 측정한 그래프들이다.
도 4a 및 도 4b는 실시예 1, 실시예 2 및 비교예에 따라 제조된 반도체 소자들에 대해 측정된 포화 이동도(saturation mobility) 및 히스테리시스 전압을 나타내는 그래프들이다.
도 5는 실시예 3에 따라 제조된 반도체 소자에 대해 측정된 게이트 전압에 따른 드레인 전류의 변화를 나타내는 그래프이다.1 is a flowchart for explaining a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view illustrating a semiconductor device manufactured by the method shown in FIG. 1.
3A and 3B are graphs measuring the change in drain current according to gate voltage and the change in drain current according to source-drain voltage measured for semiconductor devices manufactured according to Example 1, Example 2, and Comparative Example. admit.
4A and 4B are graphs showing saturation mobility and hysteresis voltage measured for semiconductor devices manufactured according to Example 1, Example 2, and Comparative Example.
Figure 5 is a graph showing the change in drain current according to the gate voltage measured for the semiconductor device manufactured according to Example 3.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 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. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. Since the present invention can be subject to various changes and can have various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention. While describing each drawing, similar reference numerals are used for similar components. In the attached drawings, the dimensions of the structures are enlarged from the actual size for clarity of the present invention.

제1, 제2 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. Terms such as first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first component may be named a second component, and similarly, the second component may also be named a first component without departing from the scope of the present invention.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features or steps. , it should be understood that it does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of operations, components, parts, 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 otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless explicitly defined in the present application, should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense. No.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 도 1에 도시된 방법으로 제조된 반도체 소자를 설명하기 위한 사시도이다. FIG. 1 is a flowchart for explaining a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a perspective view for explaining a semiconductor device manufactured by the method shown in FIG. 1.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법은, 기판의 표면을 친수화 처리하는 제1 단계(S110); 상기 친수화 처리된 기판의 표면 상에 IGZO 전구체 용액을 스핀코팅하여 IGZO 전구체 박막을 형성하는 제2 단계(S120); 상기 IGZO 전구체 박막을 건조 후 열처리하여 IGZO 반도체 박막을 형성하는 제3 단계(S130); 및 상기 IGZO 반도체 박막과 접촉하고 서로 이격된 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 제4 단계(S140);을 포함할 수 있다. Referring to Figures 1 and 2, the method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes a first step (S110) of hydrophilizing the surface of a substrate; A second step (S120) of forming an IGZO precursor thin film by spin coating the IGZO precursor solution on the surface of the hydrophilic treated substrate; A third step (S130) of drying and heat-treating the IGZO precursor thin film to form an IGZO semiconductor thin film; and a fourth step (S140) of forming a source electrode and a drain electrode that are in contact with the IGZO semiconductor thin film and spaced apart from each other.

상기 제1 단계(S110)에 있어서, 상기 기판으로는 표면에 절연막이 형성된 실리콘 기판이 사용될 수 있다. 상기 실리콘 기판의 적어도 일부 영역에는 불순물이 도핑될 수 있고, 상기 불순물이 도핑된 영역은 게이트 전극으로 기능할 수 있다. 상기 절연막은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 등으로 형성될 수 있다. In the first step (S110), a silicon substrate with an insulating film formed on its surface may be used as the substrate. At least a portion of the silicon substrate may be doped with impurities, and the impurity-doped area may function as a gate electrode. The insulating film may be formed of silicon oxide, silicon nitride, etc.

일 실시예에 있어서, 표면 친수화를 위해, 상기 기판의 표면을 산소 플라즈마 또는 오존으로 처리할 수 있다. 상기 기판의 표면을 친수화 처리하는 경우, 메톡시알콜 또는 물을 용매로 사용하는 상기 IGZO 전구체 용액이 상기 기판의 표면에 균일하게 도포될 수 있다. In one embodiment, the surface of the substrate may be treated with oxygen plasma or ozone to make the surface hydrophilic. When hydrophilizing the surface of the substrate, the IGZO precursor solution using methoxy alcohol or water as a solvent can be uniformly applied to the surface of the substrate.

상기 제2 단계(S120)에 있어서, 상기 IGZO 전구체 용액은 인듐 전구체 물질, 갈륨 전구체 물질 및 아연 전구체 물질을 포함할 수 있다. 일 실시예로, 상기 IGZO 전구체 용액은 용매에 상기 인듐 전구체 물질, 갈륨 전구체 물질 및 아연 전구체 물질을 용해시킴으로써 제조될 수 있고, 상기 용매로는 메톡시알콜 단독 용매 또는 상기 메톡시알콜과 물의 혼합 용매가 사용될 수 있다.In the second step (S120), the IGZO precursor solution may include an indium precursor material, a gallium precursor material, and a zinc precursor material. In one embodiment, the IGZO precursor solution may be prepared by dissolving the indium precursor material, gallium precursor material, and zinc precursor material in a solvent, and the solvent may be methoxy alcohol alone or a mixed solvent of methoxy alcohol and water. can be used.

일 실시예에 있어서, 상기 인듐 전구체 물질은 인듐니트레이트수화물(In(NO3)3·H2O)을 포함할 수 있고, 상기 갈륨 전구체 물질은 갈륨니트레이트수화물(Ga(NO3)3·H2O)을 포함할 수 있으며, 상기 아연 전구체 물질은 아연아세테이트디하이드레이트(Zn(CH3COO)2·H2O)을 포함할 수 있다. In one embodiment, the indium precursor material may include indium nitrate hydrate (In(NO 3 ) 3 ·H 2 O), and the gallium precursor material may include gallium nitrate hydrate (Ga(NO 3 ) 3 · H 2 O), and the zinc precursor material may include zinc acetate dihydrate (Zn(CH 3 COO) 2 ·H 2 O).

일 실시예에 있어서, 상기 IGZO 전구체 용액은 약 0.080 내지 0.090 M의 인듐니트레이트수화물(In(NO3)3·H2O), 약 0.010 내지 0.015 M의 갈륨니트레이트수화물(Ga(NO3)3·H2O) 및 약 0.025 내지 0.030 M의 아연아세테이트디하이드레이트(Zn(CH3COO)2·H2O)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 메톡시알콜 용매에 상기의 조성으로 인듐니트레이트수화물, 갈륨니트레이트수화물 및 아연아세테이트디하이드레이트를 투입한 후 약 50 내지 70℃의 온도에서 400 내지 600 rpm으로 20 내지 30시간 교반하여 상기 IGZO 전구체 용액을 제조할 수 있다. In one embodiment, the IGZO precursor solution contains about 0.080 to 0.090 M of indium nitrate hydrate (In(NO 3 ) 3 ·H 2 O) and about 0.010 to 0.015 M of gallium nitrate hydrate (Ga(NO 3 ) 3 ·H 2 O) and about 0.025 to 0.030 M of zinc acetate dihydrate (Zn(CH 3 COO) 2 ·H 2 O). For example, indium nitrate hydrate, gallium nitrate hydrate, and zinc acetate dihydrate were added to the methoxy alcohol solvent with the above composition, and then stirred at 400 to 600 rpm for 20 to 30 hours at a temperature of about 50 to 70 ° C. The IGZO precursor solution can be prepared.

일 실시예에 있어서, 상기 IGZO 전구체 용액을 상기 기판 상에 스핀코팅하는 방식은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 IGZO 전구체 용액을 상기 기판 상에 적하된 후 약 3500 내지 4500 rpm으로 스핀 코팅함으로서, 상기 IGZO 전구체 박막을 형성할 수 있다. In one embodiment, the method of spin coating the IGZO precursor solution on the substrate is not particularly limited. For example, the IGZO precursor solution can be dropped onto the substrate and then spin-coated at about 3500 to 4500 rpm to form the IGZO precursor thin film.

상기 제3 단계(S130)에 있어서, 상기 IGZO 전구체 박막을 형성한 후, 상기 IGZO 전구체 박막은 약 60 내지 80℃의 핫 플레이트 상에서 건조될 수 있다. 이어서, 건조된 상기 IGZO 전구체 박막을 약 180℃ 이상의 온도 또는 약 200℃ 이상의 온도, 예를 들면, 약 200 내지 500℃의 온도로 약 1 내지 2 시간 동안 열처리함으로써, 상기 IGZO 전구체 박막을 상기 IGZO 반도체 박막으로 변환시킬 수 있다. 상기 열처리 온도가 180℃ 미만인 경우, 상기 IGZO 반도체 박막의 전기 저항이 지나치게 높아져, 상기 반도체 소자의 동작 전압이 지나치게 높아지는 문제점이 발생할 수 있다. In the third step (S130), after forming the IGZO precursor thin film, the IGZO precursor thin film may be dried on a hot plate at about 60 to 80°C. Subsequently, the dried IGZO precursor thin film is heat-treated at a temperature of about 180°C or higher or a temperature of about 200°C or higher, for example, about 200 to 500°C for about 1 to 2 hours, thereby forming the IGZO precursor thin film into the IGZO semiconductor. It can be converted into a thin film. When the heat treatment temperature is less than 180°C, the electrical resistance of the IGZO semiconductor thin film becomes too high, which may cause a problem in which the operating voltage of the semiconductor device becomes too high.

일 실시예에 있어서, 상기 IGZO 반도체 박막을 형성한 후 이를 패터닝하는 공정이 추가로 수행될 수 있다. 이러한 패터닝 공정을 통해, 상기 IGZO 반도체 박막으로부터 복수개의 IGZO 반도체 채널들이 형성될 수 있다. 상기 IGZO 반도체 박막을 패터닝하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 IGZO 반도체 박막은 마스크를 이용한 건식 또는 습식 식각의 방법으로 패터닝될 수 있다. In one embodiment, a process of patterning the IGZO semiconductor thin film may be additionally performed after forming the IGZO semiconductor thin film. Through this patterning process, a plurality of IGZO semiconductor channels can be formed from the IGZO semiconductor thin film. The method of patterning the IGZO semiconductor thin film is not particularly limited. For example, the IGZO semiconductor thin film can be patterned by dry or wet etching using a mask.

상기 제4 단계(S140)에 있어서, 상기 소스 전극 및 드레인 전극은 전기 전도성을 갖는 금속 재료, 탄소 재료, 전도성 고분자 등으로 형성될 수 있다. 일 실시예로, 상기 소스 전극 및 드레인 전극 각각은 알루미늄, 구리, 은 등으로부터 선택된 금속 재료를 증착함으로써 형성될 수 있다. In the fourth step (S140), the source electrode and the drain electrode may be formed of an electrically conductive metal material, carbon material, or conductive polymer. In one embodiment, each of the source electrode and drain electrode may be formed by depositing a metal material selected from aluminum, copper, silver, etc.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 IGZO 반도체 박막은 은(Ag) 나노입자를 더 포함하는 IGZO 전구체 용액을 상기 기판 상에 스핀코팅 후 열처리하여 형성될 수도 있다. 이 경우, 상기 IGZO 전구체 용액은 상기 인듐 전구체 물질, 갈륨 전구체 물질 및 아연 전구체 물질과 함께 상기 은 나노입자를 더 포함할 수 있고, 상기 IGZO 반도체 박막에 있어서, 상기 은 나노입자는 박막 내부에 균일하게 분산될 수 있고, 약 0.5 내지 2 wt.%의 함량, 예를 들면, 약 0.8 내지 1.5 wt.%의 함량으로 포함될 수 있다. 상기 IGZO 반도체 박막이 상기 은 나노입자를 약 0.5 내지 2 wt.%의 함량으로 포함하는 경우, 상기 IGZO 반도체 박막의 전기 전도성이 향상되어, 상기 IGZO 반도체 박막을 턴온시키기 위한 게이트 임계전압을 현저하게 낮춤으로써 소비 전력을 감소시킬 수 있다. In another embodiment of the present invention, the IGZO semiconductor thin film may be formed by spin coating an IGZO precursor solution further containing silver (Ag) nanoparticles on the substrate and then heat treating it. In this case, the IGZO precursor solution may further include the silver nanoparticles along with the indium precursor material, gallium precursor material, and zinc precursor material, and in the IGZO semiconductor thin film, the silver nanoparticles are uniformly distributed inside the thin film. It may be dispersed and included in an amount of about 0.5 to 2 wt.%, for example, about 0.8 to 1.5 wt.%. When the IGZO semiconductor thin film contains the silver nanoparticles in an amount of about 0.5 to 2 wt.%, the electrical conductivity of the IGZO semiconductor thin film is improved, significantly lowering the gate threshold voltage for turning on the IGZO semiconductor thin film. This can reduce power consumption.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기의 방법으로 제조된 반도체 소자는, 기판, 상기 기판 상에 배치된 IGZO 반도체 박막, 상기 IGZO 반도체 박막과 접촉하고 상기 기판 상에서 서로 이격되게 형성된 소스 전극 및 드레인 전극을 포함할 수 있다. As shown in Figure 2, the semiconductor device manufactured by the above method includes a substrate, an IGZO semiconductor thin film disposed on the substrate, a source electrode and a drain electrode in contact with the IGZO semiconductor thin film and spaced apart from each other on the substrate. It can be included.

위에서는 상기 기판이 표면에 절연막이 형성된 실리콘 기판인 것을 예로 들어 설명하였으나, 상기 기판으로는 글라스 기판, 고분자 기판, 세라믹 기판 등과 같이 공지의 반도체 소자용 기판이 제한 없이 적용될 수 있다. 다만, 상기 기판이 글라스 기판, 고분자 기판, 세라믹 기판 등과 같이 절연성 재료로 형성된 경우, 상기 기판과 상기 IGZO 반도체 박막의 사이 또는 상기 IGZO 반도체 박막의 상부에는 게이트 전극이 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 게이트 전극과 상기 IGZO 반도체 박막 사이에는 게이트 절연막이 형성될 수 있다. Above, the substrate was described as an example of a silicon substrate with an insulating film formed on the surface. However, known substrates for semiconductor devices such as glass substrates, polymer substrates, ceramic substrates, etc. may be applied as the substrate without limitation. However, when the substrate is made of an insulating material such as a glass substrate, polymer substrate, ceramic substrate, etc., a gate electrode may be formed between the substrate and the IGZO semiconductor thin film or on top of the IGZO semiconductor thin film. In this case, a gate insulating film may be formed between the gate electrode and the IGZO semiconductor thin film.

본 발명에 따르면, IGZO 전구체 용액을 이용하는 용액 공정을 통해 균질하고 대면적인 IGZO 반도체 박막을 형성할 수 있고, 그 결과 용액 공정을 통해 성능이 우수한 반도체 소자를 제조할 수 있다. According to the present invention, a homogeneous and large-area IGZO semiconductor thin film can be formed through a solution process using an IGZO precursor solution, and as a result, a semiconductor device with excellent performance can be manufactured through the solution process.

이하 본 발명의 구체적인 실시예에 대해 상술한다. 다만, 하기 구체적인 실시예는 본 발명의 일부 실시형태에 불과한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail. However, the following specific examples are only some embodiments of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.

[실시예 1, 2, 3 및 비교예][Examples 1, 2, 3 and Comparative Examples]

10 ml 바이알에 담겨진 5 ml의 2-메톡시에탄올 용매에 0.085 M의 인듐니트레이트수화물(In(NO3)3·H2O), 0.0125 M의 갈륨니트레이트수화물(Ga(NO3)3·H2O) 및 0.0275 M의 아연아세테이트디하이드레이트(Zn(CH3COO)2·H2O)를 첨가하고, 60℃의 온도에서 마그네틱 바를 사용하여 500 rpm으로 24시간 교반하여 IGZO 전구체 용액을 제조하였다. In 5 ml of 2-methoxyethanol solvent contained in a 10 ml vial, 0.085 M of indium nitrate hydrate (In(NO 3 ) 3 ·H 2 O) and 0.0125 M of gallium nitrate hydrate (Ga(NO 3 ) 3 · H 2 O) and 0.0275 M zinc acetate dihydrate (Zn(CH 3 COO) 2 ·H 2 O) were added and stirred at 500 rpm for 24 hours using a magnetic bar at a temperature of 60°C to prepare an IGZO precursor solution. did.

이어서, 4인지 실리콘 웨이퍼 기판 표면에 대해 산소 플라즈마 처리를 한 후 상기 IGZO 전구체 용액을 2방울 적하하였고, 이어서 4000 rpm으로 30초 동안 스핀코팅하여 균질한 IGZO 전구체 박막을 형성하였다. Subsequently, the surface of the tetraphosphorus silicon wafer substrate was subjected to oxygen plasma treatment, and then 2 drops of the IGZO precursor solution were added dropwise, followed by spin coating at 4000 rpm for 30 seconds to form a homogeneous IGZO precursor thin film.

이어서, 상기 IGZO 전구체 박막이 형성된 기판을 70℃의 핫 플레이트에서 건조한 후, 160℃(비교예), 180℃(실시예 1), 200℃(실시예 2) 및 350℃(실시예 3)의 온도에서 1시간 동안 열처리하여 IGZO 반도체 박막을 형성하였다. Subsequently, the substrate on which the IGZO precursor thin film was formed was dried on a hot plate at 70°C, and then dried at 160°C (Comparative Example), 180°C (Example 1), 200°C (Example 2), and 350°C (Example 3). An IGZO semiconductor thin film was formed by heat treatment at high temperature for 1 hour.

이어서, 상기 IGZO 반도체 박막 상에 50 ㎛의 채널폭 및 500 ㎛의 채널 길이를 갖도록 두께 100 nm의 알루미늄으로 이루어진 소스 전극 및 드레인 전극을 증착의 방법으로 형성하여, 반도체 소자를 제조하였다. Subsequently, a source electrode and a drain electrode made of aluminum with a thickness of 100 nm were formed on the IGZO semiconductor thin film to have a channel width of 50 ㎛ and a channel length of 500 ㎛ by deposition, thereby manufacturing a semiconductor device.

[실험예][Experimental example]

도 3a 및 도 3b는 실시예 1, 실시예 2 및 비교예에 따라 제조된 반도체 소자들에 대해 측정된 게이트 전압에 따른 드레인 전류의 변화 및 소스-드레인 전압에 따른 드레인 전류의 변화를 측정한 그래프들이다. 3A and 3B are graphs measuring the change in drain current according to gate voltage and the change in drain current according to source-drain voltage measured for semiconductor devices manufactured according to Example 1, Example 2, and Comparative Example. admit.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 40V의 드레인 전압과 -40 부터 40V 까지 게이트 전압을 인가하면서 반도체 소자의 전기적 특성결과를 측정한 결과이다. 반도체 전구체 용액의 스핀코팅 이후 열처리 공정 온도에 따라 반도체 소자의 이동도 및 점멸비가 15% 이상 향상하고, 히스테리시스 현상이 최소화 된다. 아웃풋 커브를 통해 포화전류값이 향상함을 알 수 있다.Referring to FIGS. 3A and 3B, the electrical characteristics of the semiconductor device were measured while applying a drain voltage of 40V and a gate voltage from -40 to 40V. Depending on the heat treatment temperature after spin coating of the semiconductor precursor solution, the mobility and blink ratio of the semiconductor device are improved by more than 15%, and the hysteresis phenomenon is minimized. It can be seen from the output curve that the saturation current value improves.

도 4a 및 도 4b는 실시예 1, 실시예 2 및 비교예에 따라 제조된 반도체 소자들에 대해 측정된 포화 이동도(saturation mobility) 및 히스테리시스 전압을 나타내는 그래프들이다. 4A and 4B are graphs showing saturation mobility and hysteresis voltage measured for semiconductor devices manufactured according to Example 1, Example 2, and Comparative Example.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 열처리 온도를 160에서 200도로 증가함에 따라 히스테리시스 전압차이가 7에서 2 V로 감소하고, 이동도가 0.3 에서 1.5 cm2/Vs 로 증가함에 따라, 고성능 반도체 소자 제작에 있어 200도 최적화 열처리 온도가 필요하다.Referring to FIGS. 4A and 4B, as the heat treatment temperature increases from 160 to 200 degrees, the hysteresis voltage difference decreases from 7 to 2 V, and as the mobility increases from 0.3 to 1.5 cm 2 /Vs, high-performance semiconductor devices are manufactured. An optimized heat treatment temperature of 200 degrees is required.

도 5는 실시예 3에 따라 제조된 반도체 소자에 대해 측정된 게이트 전압에 따른 드레인 전류의 변화를 나타내는 그래프이다.Figure 5 is a graph showing the change in drain current according to the gate voltage measured for the semiconductor device manufactured according to Example 3.

도 5를 참조하면, 350도의 열처리를 통해 107 이상의 점멸비를 갖는 IGZO 반도체 소자특성 개발이 가능함을 보인다. Referring to FIG. 5, it is shown that it is possible to develop IGZO semiconductor device characteristics with a blink ratio of 10 7 or more through heat treatment at 350 degrees.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, those skilled in the art can make various modifications and changes to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following patent claims. You will understand that it is possible.

없음doesn't exist

Claims (7)

기판의 표면을 친수화 처리하는 제1 단계;
상기 친수화 처리된 기판의 표면 상에 IGZO 전구체 용액을 스핀코팅하여 IGZO 전구체 박막을 형성하는 제2 단계;
상기 IGZO 전구체 박막을 건조 후 열처리하여 IGZO 반도체 박막을 형성하는 제3 단계; 및
상기 IGZO 반도체 박막과 접촉하고 서로 이격된 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 제4 단계;을 포함하는, 반도체 소자의 제조방법.A first step of hydrophilizing the surface of the substrate;
A second step of forming an IGZO precursor thin film by spin coating the IGZO precursor solution on the surface of the hydrophilic treated substrate;
A third step of drying and heat-treating the IGZO precursor thin film to form an IGZO semiconductor thin film; and
A fourth step of forming a source electrode and a drain electrode that are in contact with the IGZO semiconductor thin film and spaced apart from each other. 제1항에 있어서,
상기 제1 단계에서 상기 기판의 표면을 산소 플라즈마 또는 오존으로 처리함으로써 상기 기판의 표면을 친수화하는 것을 특징으로 하는, 반도체 소자의 제조방법.According to paragraph 1,
A method of manufacturing a semiconductor device, characterized in that the surface of the substrate is made hydrophilic by treating the surface of the substrate with oxygen plasma or ozone in the first step. 제1항에 있어서,
상기 IGZO 전구체 용액은 0.080 내지 0.090 M의 인듐니트레이트수화물(In(NO3)3·H2O), 0.010 내지 0.015 M의 갈륨니트레이트수화물(Ga(NO3)3·H2O) 및 0.025 내지 0.030 M의 아연아세테이트디하이드레이트(Zn(CH3COO)2·H2O)를 포함하고, 메톡시알콜 또는 물을 용매로 사용하는 것을 특징으로 하는, 반도체 소자의 제조방법.According to paragraph 1,
The IGZO precursor solution contains 0.080 to 0.090 M of indium nitrate hydrate (In(NO 3 ) 3 ·H 2 O), 0.010 to 0.015 M of gallium nitrate hydrate (Ga(NO 3 ) 3 ·H 2 O), and 0.025 M of indium nitrate hydrate (In(NO 3 ) 3 ·H 2 O). A method for manufacturing a semiconductor device, comprising from 0.030 M of zinc acetate dihydrate (Zn(CH 3 COO) 2 ·H 2 O) and using methoxy alcohol or water as a solvent. 제3항에 있어서,
상기 IGZO 전구체 용액은 은(Ag) 나노입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 소자의 제조방법.According to paragraph 3,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the IGZO precursor solution further includes silver (Ag) nanoparticles. 제4항에 있어서,
상기 IGZO 반도체 박막은 상기 은 나노입자를 0.5 내지 2 wt.%의 함량으로 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 소자의 제조방법.According to clause 4,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the IGZO semiconductor thin film includes the silver nanoparticles in an amount of 0.5 to 2 wt.%. 제1항에 있어서,
상기 제3 단계에서, 상기 IGZO 전구체 박막은 60 내지 80℃의 핫 플레이트 상에서 건조되고, 200 내지 500℃의 온도로 1 내지 2 시간 동안 열처리되는 것을 특징으로 하는, 반도체 소자의 제조방법.According to paragraph 1,
In the third step, the IGZO precursor thin film is dried on a hot plate at 60 to 80°C and heat treated at a temperature of 200 to 500°C for 1 to 2 hours. 기판 상에 배치된 IGZO 반도체 박막; 및
상기 IGZO 반도체 박막과 접촉하고 상기 기판 상에서 서로 이격되게 형성된 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하고,
상기 IGZO 반도체 박막은 은(Ag) 나노입자를 0.5 내지 2 wt.%의 함량으로 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 소자.IGZO semiconductor thin film disposed on a substrate; and
Comprising a source electrode and a drain electrode in contact with the IGZO semiconductor thin film and spaced apart from each other on the substrate,
The IGZO semiconductor thin film is a semiconductor device, characterized in that it contains silver (Ag) nanoparticles in a content of 0.5 to 2 wt.%.
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