KR100399283B1 - 고성능 유기 박막 트랜지스트의 소자 구조 및 그 제조방법. - Google Patents

Abstract

본 발명은 펜타센을 활성층으로 사용하는 유기 박막 트랜지스터를 제작함에 있어 OTFT의 성능 향상을 위한 소자의 구조와 제조 공정을 개선한 것으로서, 소자의 구조는 게이트 절연막과 유기 활성층 사이에 자기조립체를 삽입하여 유기 활성층의 분자들이 보다 밀집하여 적층되도록 함으로써 유기 활성층의 캐리어 이동도를 향상시켰다. 또한 제조 공정의 개선으로는 유기물 증착공정을 개선하여 전계 이동도를 향상시켰고, 게이트 절연막으로 유전율이 큰 재료를 사용하여 문턱전압을 감소시켰으며, 유기물은 solvent 현상액에 용해되기 때문에 광리소그라피 공정이 불가능하였으나 물을 현상액으로 사용하는 새로운 광리소그라피 공정을 개발하였다.

Description

고성능 유기 박막 트랜지스트의 소자 구조 및 그 제조방법.{DEVICE STRUCTURE AND FABRICATION PROCESS FOR HIGH PERFORMANCE ORGANIC THIN FILM TRANSISTOR}

본 발명은 유기물 활성층으로 사용하는 유기 박막 트랜지스트에 관한 것으로서, 특히 트랜지스터의 전기적 성능을 향상시킬 수 있는 유기 박막 트랜지스트의 소자 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.

통상적으로, 유기 반도체는 반도체 특성을 나타내는 공액성 유기 고분자인 폴리아세틸렌이 개발된 후, 유기물의 특성 즉 합성 방법의 다양함, 섬유나 필름 형태로 성형이 용이함, 유연성, 전도성, 저렴한 생산비 때문에 새로운 전기전자재료로서 기능성 전자소자 및 광소자 등 광범위한 분야에서 활발한 연구가 이루어지고 있다.

이러한 전도성 고분자를 이용한 소자 중에서, 유기물을 활성층으로 사용하는 유기 박막 트랜지스터(Organic Thin Film Transistor: 이하 "OTFT"라 함)에 관한 연구는 1980년 이후부터 시작되었으며, 근래에는 전 세계에서 많은 연구가 진행 중에 있다. 상기 OTFT는 실리콘 TFT(Si-TFT)와 구조적으로 거의 같은 형태로서 반도체 영역에 실리콘(Si) 대신에 유기물을 사용한다는 차이점이 있다. 하지만. 제작 공정 면에서 실리콘 TFT에 비하여 간단하고 비용이 저렴하다는 장점을 가지고 있다.

현재 OTFT는 능동형 유기 EL의 구동소자, 스마트 카드(smart card)와 목록태그(inventory tag)용 플라스틱 칩에 높은 활용도가 예상되므로 세계 유수 기업체와 연구소 및 대학 등에서 연구되고 있다. 이러한 OTFT의 성능은 전계 이동도, 점멸비, 문턱전압, 부문턱전압 기울기(subthreshold slope) 등으로 평가하고 있으며, α-실리콘 TFT의 성능에 접근하고 있다. 또한 상기 OTFT의 성능은 유기 활성층의 결정도, 기판과 유기 활성층 계면의 전하 특성, 소스/드레인 전극과 유기 활성층 계면의 캐리어 주입능력 등에 좌우된다. 오늘한 이러한 특성을 개선하기 위하여 여러 가지 방법이 시도되고 있다.

따라서, 본 발명은 이러한 전기적 특성을 향상시키기 위한 소자 구조와 제조 공정의 개선을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 유기 활성층의 밀집도를 높이기 위한 진공 증착 후 고온 가압 공정, 기판과 유기 활성층 사이의 접착력과 전하 특성을 향상시키기 위한 새로운 자기 조립체의 삽입, 소스/드레인 전극의 유기 활성층으로 캐리어 주입 능력을 높이기 위한 금속의 선정과 유기물 완충층의 삽입, 게이트 절연막으로 유전율이 높은 재료를 사용한 문턱전압의 감소 그리고 종래에는 불가능했던 유기박막의 광리소그라피 공정을 개발하는 데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 제1 견지에 따른 본 발명은 실리콘이나 플라스틱, 유리를 이용한 기판과, 상기 기판 위에 진공 증착으로 전극을 입힌 후 리프트 오프(lift-off) 공정을 통하여 형성되는 유기물 트랜지스터의 게이트 전극과, 상기 게이트 전극 위에 유전율이 큰 유전체를 증착시킨 후 어닐링(annealing)을 통한 유전율 향상처리 방법으로 형성되는 게이트 절연층과, 상기 게이트 절연층 위에 진공 증착을 이용하여 전극을 입힌 후 리프트 오프 공정을 통하여 형성되는 소스 및 드레인 금속 전극층과, 상기 소스 및 드레인 금속 전극층과 유기 활성층 사이에 유기 완충층 물질을 알코올(alcohol)에 녹인 후 상기 금속 위에만 화학결합(chemical bond)이 형성되는 유기 완충층과, 상기 게이트 절연층과 유기 활성층 사이에 형성되는 자기 조립체로 구성된 유기 박막 트랜지스트의 소자 구조를 구현하였다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 제2 견지에 따른 본 발명은 상기 게이트 절연층과 유기 활성층 사이에 자기 조립체를 삽입하여 형성하는 제1 과정과; 상기 소스 및 드레인 금속 전극층과 유기 활성층 사이에 삽입되는 유기 완충층을 형성하는 제2 과정과; 상기 기판 위에 유전율이 큰 게이트 절연층을 형성하는 제3 과정과; 상기 기판 위에 게이트 전극을 리프트 오프 공정으로 형성한 다음, 상기 게이트 절연층을 형성한 후, 상기 소스/드레인 금속 전극층을 리프트 오프시키고, 진공 증착법을 이용하여 일정 두께로 증착된 유기 활성층을 형성한 다음, 그 위에 수용성의 PVA를 스핀 코팅법으로 입힌 후 리소그라피(lithography) 공정으로 노광을 시켜 물을 사용하여 현상을 하고, RIE(Reactive Ion Etching)로 불필요한 부분을 식각을 한 다음 수분을 증발시켜 PVA를 이용한 유기 활성층 리소그라피 공정이 이루어지는 제4 과정을 포함하는 유기 박막 트랜지스트의 제조방법을 구현하였다.

도 1은 통상적인 펜타센의 분자 구조를 도시한 도면.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 소자 구조와 제조 공정이 개선된 유기 박막 트랜지스트의 단면도.

도 3a와 도 3b는 도 2에서 도시하고 있는 유기 박막 트랜지스트(OTFTs)의 전기적 특성을 도시한 그래프.

도 4는 본 발명에 따른 HMDS/OTS로 처리된 산화막 표면의 결합 구조를 도시한 도면.

도 5는 본 발명에 따른 2-Mercapto 5-nitrobenzimidazole(MNB)를 처리한 금속 표면의 구조를 도시한 도면.

도 6은 본 발명에 따른 PVA photolithography의 공정 순서를 도시한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1,10: 기판 2,12: 게이트 전극

3,13: 게이트 절연층 4,14: 소스 및 드레인 전극

5: 유기 완충층 6: 자기 조립체

7,15: 유기 활성층 16: PVA(polyvinyl alcohol)

이하 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여설명될 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

우선, 본 발명에서는 유기물 활성층으로 펜타센을 사용하는 OTFT를 제작하였다. 상기 펜타센은 일렬로 다섯 개의 벤젠고리를 가진 작은 방향성 탄화수소 물질이다. 이 구조는 도 1에 나타나듯이 이중과 단일 결합을 가진 펜타센 분자가 연속적으로 결합되어 있고, 분자 내에서 전자의 움직임은 매우 빠르나 분자간의 이동은 전자의 호핑(hopping)으로 이루어지므로 분자의 밀집도(close-packing)가 캐리어의 이동도에 직접적인 영향을 주게된다. 그러므로 유기 박막의 밀집도는 전자의 이동도를 증가시키는데 필수적이다.

한편, 유기 박막의 밀집도를 향상시키기 위하여 종래에는 진공 증착법으로 유기분자를 적층하였으나, 본 발명에서는 진공 증착 후 가압 장치로써 고온에서 압력을 가하여 유기 박막을 액화시킴으로써 분자의 밀집도를 향상시켰고, 이것은 캐리어 전계 이동도를 10배 정도 개선하는 효과를 나타내었다.

또 다른 밀집도 향상 기술로서 분자의 밀집도(close packing)를 위한 펜타센 증착에 앞서 도 2에 도시한 자기조립체(6)인 HMDS(hexamethyldisilszane) 또는 OTS(octadecyltrichlorosilane)와 같은 유기물 결합 작용제인 자기 조립체(6)를 사용한다.

먼저 HMDS를 이용한 OTFT의 경우 도 3(a)에 나타나듯이 전술한 자기조립체(6)를 처리하지 않은 OTFT보다 드레인 전류는 10배 정도의 향상된 성능을 보였다. 도 3(b)의 전송 특성의 경우 부문턱전압 기울기(subthreshold slope)가 ∼1V/dec로서 게이트전압에 따른 급격한 증가를 나타낸다. 전계효과 이동도 또한 40배 정도가 향상된 4.3×10^-2cm²/V·sec로 증가하였다. 한편 차단(off) 상태의 누설전류는 10^-10A로 감소하였으며, 이는 도통/차단(on/off) 전류비가 10⁴에서 10⁵으로 증가함을 나타낸다. 또한 처리하지 않은 OTFT보다 재현성이 뛰어남을 보였다. 그 이유는 펜타센 막이 HMDS로 인해 산화막 표면과 격리되어 막의 표면상태에 영향을 덜 받았다는 것을 뜻한다.

도 4a에 나타나듯이 HMDS가 극성이 있는 메틸(methy)기를 가진 산화막의 자연적인 수산기(hydroxyl) 그룹 종단을 소수성으로 변형이 되게 대체시킨다. 이런 변화로 분자 구조 뿐 아니라 산화막 표면과 펜타센 막과의 결합력이 증가하게 된다. 그러나 소수성 끝 부분은 극히 작기 때문에 팬타센과 HMDS 분자사이의 상호 결합력이 그리 강하지 않다.

한편, OTS로 처리한 OTFT의 경우, 도 4b에 보듯이 산화막을 향한 친수성의 O 종단은 산화막 표면과 강하게 상호 결합을 하고, 소수성의 긴 종단은 펜타센 분자와 상호 작용을 하여 강하게 결합된다. 그리하여 도 3a,b에서와 같이 전계효과 이동도는 HMDS로 처리한 것보다 10배가 향상된 ∼0.3cm²/V·sec으로 나타났으며, 스위칭 소자의 특성을 결정하는 도통/차단(on/off) 전류비 또한 10⁶으로 10배 향상되었고, 차단(off) 상태의 누설전류도 ∼10^-11A로 감소하였다. 이들 파라미터 값은 스위칭 소자로 요구되는 전계효과 이동도 0.1cm²/V·sec와 on/off 전류비 또한 10⁶-10⁸사이의 성능을 충족시킨다. 향상된 원인은 펜타센 막의 분자 구조의 증가와 펜타센과 OTS 분자 사이의 강한 결합력 때문으로 친수성 SiO₂표면이 소수성 물질로 대체되고, 소수성 펜타센 분자와의 상호 작용이 증가한 결과이다. 아래에 전체적인 성능 비교를 표 1에 나타내었다.

여기서, 표 1에 사용된 용어중에서 'Unterated'는 처리하지 않고 소자이고, 'HMDS'는 HMDS처리 소자이며, 'OTS'는 OTS처리 소자이다. 또한 'Ion/off ratio'는 Ion/off 점멸비이며, 'off state leakage current'는 차단상태 누설전류를 나타낸다.

한편, TFT의 소스 및 드레인 전극과 유기 활성 박막 사이에는 일 함수 차이에 의한 전위 장벽이 형성되어 캐리어의 주입을 방해하여 접촉 저항을 증가시켰다. 종래에는 이러한 일 함수 차이가 작은 금속을 사용함으로써 접촉 저항을 감소시키는 기술을 사용하고 있다. 본 발명에서는 금속 전극(4)과 유기 박막(7) 사이에 유기 완충층(5)을 삽입하여 정공의 주입을 원활히 함으로써 접촉 저항을 감소시키는 기술을 개발하였다.

또한, 도 5와 같이 자기정렬(self-assembly) 방법으로 소스/드레인 금속(4)과 유기 활성층(7) 사이에 2-Mercapto 5-nitrobenzimidazole(MNB)과 같은 thiol 그룹을 가진 전하전달(charge transfer: CT) 화합물을 사용하여 접촉 저항 감소를 얻을 수 있다. 공정 순서는 다음과 같다. 먼저 실리콘 위에 SiO₂를 형성시킨 후 금속 전극(소스/드레인: Au)을 입힌다. 그 다음 MNB를 알코올에 녹인 후 소자를 담궈 자기정렬(self-assembly) 방법으로 금속 위에만 화학결합(chemical bond)를 형성한 후 펜타센을 증착시킨다. 이 과정을 통하여 MNB는 전극표면에 전하 전송 분자를 형성시켜 펜타센과 결합함으로서 접촉 저항을 감소시키고, 전하의 이동도를 향상 시켜 더 높은 전류 도통/차단(on/off) 비를 얻을 수 있기 때문에 기존의 OTFT 특성을 향상시킬 수 있다.

현재 유기 TFT의 게이트 절연체로서 실리콘 산화막을 사용하고 있으나 문턱 전압을 줄이기 위하여 유전율이 큰 유전체 예를 들어, Ba_xSr_1-xTiO₃BST(Barium Strontium Titanate)를 대표로 하여, Ta₂O₅, Y₂O₃, TiO₂와 강유전성의 절연체 계열과 PbZr_xTi_1-xO₃(PZT), Bi₄Ti₃O₁₂, BaMgF₄, SrBi₂(Ta_1-xNb_x)₂O₉, Ba(Zr_1-xTi_x)O₃(BZT), BaTiO₃, SrTiO₃, Bi₄Ti₃O₁₂등을 사용하였다.

한편, 기존에 사용되는 리소그라피 공정시 광감응제(Photoresist: PR)와 현상액(developer)은 펜타센의 구조적인 변화를 일으키거나 유기 소자를 열화시키는 변화를 일으켜 미세 패턴 형성을 위한 광리소그라피(Photolithography) 공정이 어려웠다. 또한 펜타센 OTFT 제작에 있어서 유기 활성층을 패턴형성 하지 않고 OTFT를 제작 한 경우에는 유기 박막층과 사이에 정공 축적이 되어 소자 사이에서 원치 않는 누설 전류가 많이 생긴다. 이를 보완하기 위해 PVA(polyvinyl alcohol)를 이용한 유기 활성층을 리소그라피 공정으로 제작함으로서 소자의 열화를 감소시켰다.

즉, 도 6(a)와 같이 고 준위 도핑 된 실리콘 기판이나 플라스틱, 유리 기판(10)을 사용하여 그 위에 게이트 전극(12)을 입힌 후 유전율이 큰 게이트 절연막(13)을 사용하였다. 광리소그라피 공정으로 소스/드레인 금속(14)의 리프트 오프시킨 후 도 6(b)에 보듯이 OMBD를 이용하여 펜타센을 50nm 증착을 시킨다. 그 다음 도 6(c)처럼 수용성의 PVA(16)를 약 200nm 두께로 스핀 코트(spin coat)를 한다. 여기서 PVA(16)가 광반응제로 사용되기 위해서는 2wt %의 암모늄 중크롬산염(dichromate)를 첨가하여야 하고, 리소그라피 공정을 위하여 도 6(d)와 같이 UV선에 노광을 시킨 후 현상액으로 물을 사용하여 현상을 한다. 최종적으로 도 6(e)의 완성도와 같이 산소 플라즈마 분위기 안에서 RIE로 불필요한 부분을 식각한다. PVA층은 식각 마스크로 작용을 하여 PVA와 펜타센 유기 박막층이 거의 동시에 식각이 이루어진다. 마지막 5분 정도는 100℃ 전기 오븐에 넣어서 수분을 증발시키면 PVA를 이용한 유기 활성층 리소그라피 공정을 더욱 미세한 패턴 형성을 이루어 집적화 공정을 얻을 수 있는 장점이 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스트의 소자 구조 및 그 제조방법은 다음과 같은 많은 효과를 달성한다.

첫 번째로, 본 발명은 유기 박막을 진공 증착한 후 고온 가압 장치 속에서 압력을 가하기 때문에 분자의 밀집도가 향상되어 전계 이동도가 개선되었다.

두 번째로, 본 발명은 유기 박막을 진공 증착하기 전에 게이트 절연층 표면에 자기 조립체를 삽입하여 유기 박막의 분자의 밀집도를 향상시킬 수 있었다.

세 번째로, 본 발명은 소스 및 드레인 전극과 유기 박막 사이에 유기 완충층을 삽입하여 접촉 저항을 감소시켰다.

네 번째로, 본 발명은 게이트 절연체로서 유전율이 큰 유전체를 사용하여 문턱 전압을 감소시켰다.

다섯 번째로, 본 발명은 유기 용매 대신에 물을 현상액으로 사용하는 새로운 광 리소그라피 기술을 개발하여 종래에는 불가능했던 유기 박막의 미세 패턴화가 가능하게 되었다.

Claims (4)

1. 고성능 유기 박막 트랜지스터의 소자 구조에 있어서,

   실리콘이나 플라스틱, 유리를 이용한 기판과,

   상기 기판 위에 진공 증착으로 전극을 입힌 후 리프트 오프 공정을 통하여 형성되는 유기물 트랜지스터의 게이트 전극과,

   상기 게이트 전극 위에 유전율이 큰 유전체를 증착시킨 후 어닐링을 통한 유전율 향상처리 방법으로 형성되는 게이트 절연층과,

   상기 게이트 절연층 위에 진공 증착을 이용하여 전극을 입힌 후 리프트 오프 공정을 통하여 형성되는 소스 및 드레인 금속 전극층과,

   상기 소스 및 드레인 금속 전극층과 유기 활성층 사이에 유기 완충층 물질을 알코올에 녹인 후 상기 금속 위에만 화학결합이 형성되는 유기 완충층과,

   상기 게이트 절연층과 유기 활성층 사이에 형성되는 자기 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스트의 소자 구조.
2. 기판, 게이트 전극, 게이트 절연층, 소스 및 드레인 전극, 유기 완충층, 자기 조립체, 유기 활성층으로 구성된 유기 박막 트랜지스트의 제조방법에 있어서,

   상기 게이트 절연층과 유기 활성층 사이에 자기 조립체를 삽입하여 형성하는 제1 과정과;

   상기 소스 및 드레인 금속 전극층과 유기 활성층 사이에 삽입되는 유기 완충층을 형성하는 제2 과정과;

   상기 기판 위에 유전율이 큰 게이트 절연층을 형성하는 제3 과정과;

   상기 기판 위에 게이트 전극을 리프트 오프 공정으로 형성한 다음, 상기 게이트 절연층을 형성한 후, 상기 소스/드레인 금속 전극층을 리프트 오프시키고, 진공 증착법을 이용하여 일정 두께로 증착된 유기 활성층을 형성한 다음, 그 위에 수용성의 PVA를 스핀 코팅법으로 입힌 후 리소그라피 공정으로 노광을 시켜 물을 사용하여 현상을 하고, RIE로 불필요한 부분을 식각을 한 다음 수분을 증발시켜 PVA를 이용한 유기 활성층 리소그라피 공정이 이루어지는 제4 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스트의 제조방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1 과정은,

   유기 활성 박막의 분자 밀집도를 향상시켜 캐리어의 이동도를 높이는 것을 특징으로 하는 OTFT 제작에 있어서 게이트 절연층과 유기 활성층 사이에 자기 조립체를 삽입하여 제조하는 방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 제3 과정은,

   상기 게이트 절연층으로서 유전율이 큰 Ba_xSr_1-xTiO₃BST(Barium Strontium Titanate)를 대표로 하여, Ta₂O₅, Y₂O₃, TiO₂와 강유전성의 절연체 계열과 PbZr_xTi_1-xO₃(PZT), Bi₄Ti₃O₁₂, BaMgF₄, SrBi₂(Ta_1-xNb_x)₂O₉, Ba(Zr_1-xTi_x)O₃(BZT), BaTiO₃, SrTiO₃, Bi₄Ti₃O₁₂등을 사용하여 문턱 전압을 감소시킴을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스트의 제조방법.