KR100464070B1 - 유기물 전계효과 트랜지스터의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기물 전계효과 트랜지스터(Organic Field Effect Transistor)에 관한 것으로, 유기물 반도체를 증착한 후 진공 상태에서 플라즈마 처리하여 증착 과정에서 함유된 산소, 이온 등의 불순물을 외부 확산시킴으로써 전하 이동도(mobility)가 향상되어 소자의 성능 개선을 이룰 수 있다. 본 발명은 간접적인 플라즈마 처리를 위해 차폐용 셔터와 냉각 기능이 부가된 스테이지를 구비하는 진공 시스템을 이용함으로써 직접적인 플라즈마에 의한 물리적 손상과 열에 의한 손상이 방지되도록 한다.
Description
본 발명은 유기물 전계효과 트랜지스터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 간접적인 플라즈마(plasma) 처리를 통해 유기물 반도체층에서의 전하 이동도(mobility)를 향상시킴으로써 소자의 성능 개선을 이룰 수 있도록 한 유기물 전계효과 트랜지스터의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 유기물 전계효과 트랜지스터는 기판 상에 형성된 게이트, 절연층에 의해 게이트와 전기적으로 절연된 소스 및 드레인, 소스 및 드레인 사이의 절연층 상에 형성된 유기물 반도체층으로 이루어진다.
유기물 반도체층에는 전하들이 고루게 분포되어 있다. 그러므로 소스 및 드레인에 전압을 인가하면 낮은 전압 조건에서는 인가된 전압에 비례하는 량의 전류가 흐르게 된다.
게이트에 양(+)의 전압을 인가하면 전기장에 의해 유기물 반도체층에 존재하는 전하(정공 또는 전자)들이 윗쪽으로 밀려 올라가 절연층과 인접된 부분에 전도 전하가 없는 공핍층(depletion layer)이 형성된다. 이 상태에서 소스 및 드레인에 전압을 인가하면 전도 가능한 전하 운반자의 량이 적기 때문에 게이트에 전압을 인가하지 않았을 때보다 적은 량의 전류가 흐르게 된다. 반대로, 게이트에 음(-)의 전압을 인가하면 전기장에 의해 유기물 반도체층에 존재하는 전하(정공 또는 전자)들이 절연층과 인접된 부분으로 유도되어 축적층(accumulation layer)이 형성된다. 이 상태에서 소소 및 드레인에 전압을 인가하면 전도 가능한 전하 운반자의 량이많기 때문에 더 많은 량의 전류가 흐르게 된다. 즉, 소스 및 드레인에 전압을 인가한 상태에서 게이트에 양(+)의 전압과 음(-)의 전압을 선택적으로 인가함으로써 소스 및 드레인을 통해 흐르는 전류의 량을 제어하게 된다.
종래에는 실리콘(Si) 기판 상에 실리콘 산화막(SiO2)이 적층된 구조를 형성한 후 2차원으로 정렬되려는 성질을 갖는 OTS(octadecyltrichlirosilane), HMDS(hexamethyldisilazane) 등으로 표면을 전처리하고 열증착법으로 펜타센(pentacene)을 증착하여 유기물 반도체층을 형성하였다. 이 경우 비정질 실리콘을 사용한 전계효과 트랜지스터와 유사한 성능을 나타내었다 (미국특허 제 5,574,291호). 또 다른 방법으로 펜타센을 증착하기 전에 액정을 한쪽 방향으로 정열시키는 데 사용되는 고분자 물질을 증착하여 성능 향상을 이루었다.
현재 개발 중인 유기물 전계효과 트랜지스터의 유기물 반도체층은 유기 단분자나 고분자 반도체로 형성된다. 유기 단분자나 고분자 반도체를 사용하면 제조 공정이 간편해지고 제조 가격이 저렴해지는 등의 장점은 있으나, 다결정 실리콘을 사용하는 경우에 비해 낮은 전하 이동도를 나타낸다. 따라서 단순하고 일반적인 진공 증착법이나 스핀 코팅법 이외의 다른 방법으로 소자의 성능을 개선시킬 수 있는 박막 제조 기술이 필요하다.
본 발명은 유기물 반도체를 증착한 후 진공 분위기에서 간접적인 플라즈마 처리를 실시함으로써 상기한 단점을 해소할 수 있는 유기물 전계효과 트랜지스터의제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기판 상에 게이트 전극을 형성한 후 전체 상부면에 게이트 절연층을 형성하는 단계와, 상기 게이트 절연층 상에 소스 및 드레인을 각각 형성한 후 노출된 부분의 상기 게이트 절연층 상에 자기조립층을 형성하는 단계와, 상기 자기조립층 상에 유기물 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 유기물 반도체층에 함유된 불순물을 외부 확산시키기 위해 진공 상태에서 간접적으로 플라즈마 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 플라즈마 처리는 차폐용 셔터에 의해 샤워헤드와 상기 기판 사이에서 생성된 플라즈마가 상기 유기물 반도체층에 간접적으로 영향을 미치도록 구성된 진공 시스템에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 플라즈마는 스퍼터링과 유사한 상황에서 나타나는 플라즈마 또는 PECVD과 유사한 상황에서 나타나는 플라즈마이며, 상기 플라즈마를 생성하기 위해 직류형 소스, 고주파형 소스, 쌍 직류형 소스, 쌍 고주파형 소스, ECR 소스, ICP 소스, CCP 소스 또는 이들 각 소스들의 펄스형 소스가 사용되고, 상기 플라즈마를 생성하기 위한 소스 가스로 Ar, N2, O2, N2O, He, H, NH3가스 혹은 이들 중 하나 이상의 혼합 가스를 사용하는 것을 특징으로 한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 유기물 전계효과 트랜지스터의 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.
도 2는 본 발명의 플라즈마 처리를 위한 진공 시스템의 구성도.
도 3은 본 발명에 따라 플라즈마 처리된 유기물 반도체층에서의 전하 이동도를 도시한 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1, 10: 기판 2: 게이트 전극
3: 게이트 절연층 4: 소스
5: 드레인 6: 자기조립층
7: 유기물 반도체층 20: 챔버
21: 가스 공급관 22: 샤워헤드
23: 절연체 24: 스테이지
25: 가스 배기구 26: 진공펌프
27: 차폐용 셔터 28: 플라즈마
본 발명은 기판 상에 형성된 게이트, 게이트 절연층에 의해 게이트와 전기적으로 절연된 소스 및 드레인, 소스 및 드레인 사이의 절연층 상에 형성된 자기조립층, 자기조립층 상에 형성된 유기물 반도체층으로 이루어진 유기물 전계효과 트랜지스터를 제조한 후 유기물 반도체층의 표면과 내부에 존재하는 산소, 이온 등의 불순물을 제거하기 위해 플라즈마 처리를 실시한다.
일반적으로 유기물은 열이나 플라즈마에 의해 쉽게 손상을 입기 때문에 유기물 반도체를 직접적으로 열처리하거나 플라즈마 처리하면 소자의 성능 향상보다 소자의 특성 저하를 가져오기 쉽다. 그래서 본 발명은 진공 분위기에서 차폐용 셔터를 이용한 간접적인 플라즈마 처리를 통해 유기물 반도체의 표면과 내부에 존재하는 불순물을 제거함으로써 전하 이동도가 증대되도록 한다.
그러면 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 유기물 전계효과 트랜지스터의 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 기판(1) 상에 티타늄(Ti) 및 금(Au)을 순차적으로 증착한 후 리소그래피(lithography) 공정으로 패터닝하여 게이트 전극(2)을 형성하고 전체 상부면에 게이트 절연층(3)을 형성한다.
기판(1)으로는 실리콘 단결정, 투명 유리, 투명한 플라스틱 등을 이용하는데, p형 트랜지스터의 경우 n형 이온이 도핑된 기판을 사용한다. 게이트 절연층(3)은 SiO2, Al2O3와 같은 산화물이나 SiN, AlN와 같은 질화물 등의 무기물 또는 폴리이미드(polymide), 아크릴계 물질(acrylate)과 같은 유기물을 3000Å의 두께로 증착하여 형성한다.
도 1b를 참조하면, 상기 게이트 절연층(3) 상에 이온 빔 증착법으로 티타늄(Ti)을 500Å의 두께로 증착하고, 열 증착법으로 금(Au)을 1000Å의 두께로 증착한 후 리소그래피 공정으로 패터닝하여 소스 및 드레인(4 및 5)을 각각 형성한다. 이 때 소스 및 드레인(4 및 5) 사이의 간격(L)과 폭(W)이 각각 10㎛와 50㎛ 정도가 되도록 패터닝한다.
도 1c는 2차원으로 정렬되려는 성질을 갖는 OTS, HMDS 등으로 노출된 게이트 절연층(3)의 표면을 전처리하여 자기조립층(self-assembled monolayer; 6)을 형성한 후 자기조립층(6) 상에 유기물 반도체층(7)을 형성한다.
유기물 반도체층(7)은 유기 단분자나 고분자 반도체를 이용한다. p형 유기 단분자 반도체로는 펜타센(pentacene), 알파-6T(alpha-sexithiophene) 등을 사용할 수 있고, n 형 유기 단분자 반도체로는 F-CuPc(hexadecafluorcopper phthalocyanine) 등을 사용할 수 있으며, p형 고분자 반도체로는 P3HT(poly(3-hexylthiophene)), P3OT(poly(3-octylthiophene)), P3AT(poly(3-alkylthiophene)) 등을 사용할 수 있다.
유기물은 여러 가지의 화학물질에 취약한 특성을 가지기 때문에 게이트 전극(2)이나 소스 및 드레인(4 및 5)을 형성한 후 최종적으로 유기물 반도체층(7)을 형성한다.
도 2는 본 발명의 플라즈마 처리를 위한 진공 시스템의 개략도로서, 챔버(20)의 상부에는 가스 공급관(21)과 연결된 샤워헤드(22)가 위치되고, 하부에는 진공펌프(26)와 연결된 가스 배기구(25)가 설치된다. 챔버(20) 내부의 저면에는 기판(10)이 놓일 수 있는 스테이지(stage; 24)가 설치되며, 스테이지(24) 상부에는 차폐용 셔터(27)가 위치된다. 도면에서 부호 23은 챔버(20)와 가스 공급관(21) 간의 전기적 절연을 위한 절연체이다.
그러면 상기와 같이 구성된 진공 시스템을 이용하여 플라즈마 처리하는 과정을 설명하기로 한다.
도 1c와 같이 유기물 반도체층(7)을 형성한 후 기판(10)을 진공 시스템의 스테이지(24)에 위치시킨다. 진공펌프(26)를 동작시켜 챔버(20) 내부의 압력을 10-7Torr 이하가 되도록 만든다. 가스 공급관(21)을 통해 챔버(20) 내부로 Ar, N2, O2등의 소스 가스를 주입한다. 이 때 챔버(20) 내부의 압력이 수 mTorr 내지 수 Torr의 진공 상태로 유지되도록 한다. 전극 역할을 하는 가스 공급관(21)과 접지된 챔버(20)에 직류(DC) 또는 고주파 전력(RF Power)을 인가하여 플라즈마(28)가 생성되도록 한다.
일반적인 유기물은 자외선과의 이온 충돌에 의한 스퍼터링 현상에 매우 약하다. 그러므로 본 발명은 샤워헤드(22)와 기판(10) 사이에 차폐용 셔터(27)를 설치하여 유기물 반도체층(7)이 직접적으로 플라즈마에 노출되지 않도록 한다. 이 때 샤워헤드(22) 아래 부분에서 생성된 플라즈마(28)가 시료에 직접적인 영향을 미치지 않도록 차폐용 셔터(27)를 기판(10)과 아주 근접하게 설치하는 것이 바람직하다. 이와 같은 간접적인 플라즈마 처리는 예를 들어, 5 내지 50분동안 실시하는데,증착 과정에서 유기물 반도체층(7)의 내부 및 표면에 함유되었던 산소, 이온 등의 불순물이 플라즈마 처리에 의해 외부로 확산됨으로써 순수한 막질의 유기물 반도체를 이루게 된다.
플라즈마 처리 과정에서 온도 상승에 의해 시료가 열손상을 입을 수 있는데, 이를 방지하기 위해 냉각수나 찬공기 등으로 냉각시킬 수 있는 기능이 부가된 스테이지(24)를 이용할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 스퍼터링(sputtering)과 유사한 상황에서 나타나는 플라즈마 또는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)과 유사한 상황에서 나타나는 플라즈마를 이용할 수 있으며, 플라즈마 생성을 위해 직류(DC)형 또는 고주파(RF)형 소스 뿐만 아니라 쌍 직류(dual DC)형 소스, 쌍 고주파(dual RF)형 소스, ECR(Eelectron Cyclotron Resonance) 소스, ICP(Inductively Coupled Plasma) 소스, CCP(Capacitive Coupled Plasma) 소스, 또는 이들 각 소스들의 펄스형 소스를 사용할 수도 있다. 또한, 플라즈마 생성을 위한 소스 가스로는 Ar, N2, O2, N2O, He, H, NH3가스 혹은 이들 중 하나 이상의 혼합 가스를 사용할 수 있으며, 플라즈마 공정을 같은 종류 혹은 다른 종류의 가스로 한번이상 수행할 수있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 플라즈마 처리된 유기물 반도체층에서의 전하 이동도를 도시한 그래프이다.
측정을 위해 도 1a와 같이 n형 이온이 도핑된 기판(1) 상에 이온 빔 증착법으로 500Å 두께의 티타늄(Ti)과 열 증착법으로 1000Å 두께의 금(Au)을 증착한 후패터닝하여 게이트 전극(2)을 형성하고, 3000Å 두께의 실리콘 산화막(SiO2)으로 게이트 절연층(3)을 형성한다. 그리고 도 1b와 같이 이온 빔 증착법으로 500Å 두께의 티타늄(Ti)과 열 증착법으로 1000Å 두께의 금(Au)을 증착한 후 패터닝하여 소스 및 드레인(4 및 5)을 형성한다. 이 후 도 1c와 같이 HMDS를 이용한 표면 전처리를 통해 자기조립층(6)을 형성하고, P3HT를 1500rpm의 속도로 40초동안 스핀 코팅한 후 질소(N2) 가스 및 100℃의 온도 분위기에서 1 시간동안 열처리하여 유기물 반도체층(7)을 형성한다.
상기 기판(10)을 도 2에 도시된 진공 시스템의 스테이지(24) 상에 위치시킨다. 그리고 진공펌프(26)를 동작시켜 챔버(20) 내부의 압력을 7×10-7Torr 이하가 되도록 만든다. 내부가 2 mTorr의 진공이 유지되도록 가스공급관(21)을 통해 챔버(20) 내부로 아르곤(Ar) 가스를 공급하며 10 와트(W)의 직류(DC) 전력을 인가하여 플라즈마를 생성시킨다.
간접적인 플라즈마 처리를 위해 면적이 4㎠인 차폐용 셔터(27)를 사용하였으며, 차폐용 셔터(27)와 샤워헤드(22) 간의 거리는 10㎝, 유기물 반도체층(7)과 차폐용 셔터(27) 간의 거리는 1㎜가 되도록 하였다.
상기와 같은 진공 상태에서 5 내지 50분동안 간접적인 플라즈마 처리를 실시하여 도 3의 그래프와 같은 결과를 얻었다. 그래프를 통해 알 수 있듯이, 전하 이동도는 플라즈마 처리 시간에 따라 0분에서 2.36×10-2㎠/Vs, 30분에서2.85×10-2㎠/Vs으로 점차 증가하였으며, 50분에서 2.87×10-2㎠/Vs으로 30분부터 50분까지는 변화가 없었다.
이와 같은 결과는 P3HT를 사용한 전계효과 트랜지스터 뿐만 아니라 펜타센을 사용한 전계효과 트랜지스터에서도 유사하게 관찰되었으며, 종래 전계효과 트랜지스터보다 향상된 전하 이동도를 나타냄으로써 소자의 전기적 특성 및 신뢰성이 향상된다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정된 것이 아니라 특허의 청구범위에 의하여 정해져야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 유기물 반도체를 증착한 후 진공 상태에서 플라즈마 처리하여 증착 과정에서 함유된 산소, 이온 등의 불순물을 외부 확산시킴으로써 유기물 반도체층에서의 전하 이동도가 향상되어 소자의 성능 개선을 이룰 수 있다. 본 발명은 직접적인 플라즈마에 의한 물리적 손상을 방지하기 위한 차폐용 셔터와 열에 의한 손상을 방지하기 위해 냉각 기능이 부가된 스테이지를 구비하는 진공 시스템을 이용한다. 대면적 차폐용 셔터의 사용에 따른 간접적인 플라즈마 처리에 의해 플라즈마에서 발생하는 자와선과 이온의 충돌로 인한 스퍼터링 효과와 유기물 반도체의 손상이 방지된다.
Claims (8)
- 기판 상에 게이트 전극을 형성한 후 전체 상부면에 게이트 절연층을 형성하는 단계와,상기 게이트 절연층 상에 소스 및 드레인을 각각 형성한 후 노출된 부분의 상기 게이트 절연층 상에 자기조립층을 형성하는 단계와,상기 자기조립층 상에 유기물 반도체층을 형성하는 단계와,상기 유기물 반도체층에 함유된 불순물을 외부 확산시키기 위해 진공 상태에서 간접적으로 플라즈마 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기물 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 유기물 반도체층은 p형 유기 단분자 반도체, n 형 유기 단분자 반도체 또는 p형 고분자 반도체로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기물 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 p형 유기 단분자 반도체는 펜타센 또는 알파-6T이며, 상기 n 형 유기 단분자 반도체는 F-CuPc이고, 상기 p형 고분자 반도체는 P3HT, P3OT 또는 P3AT인 것을 특징으로 하는 유기물 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 플라즈마 처리는 차폐용 셔터에 의해 샤워헤드와 상기 기판 사이에서 생성된 플라즈마가 상기 유기물 반도체층에 간접적으로 영향을 미치도록 구성된 진공 시스템에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기물 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 플라즈마는 스퍼터링과 유사한 상황에서 나타나는 플라즈마 또는 PECVD과 유사한 상황에서 나타나는 플라즈마인 것을 특징으로 하는 유기물 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 플라즈마를 생성하기 위해 직류형 소스, 고주파형 소스, 쌍 직류형 소스, 쌍 고주파형 소스, ECR 소스, ICP 소스, CCP 소스 또는 이들 각 소스들의 펄스형 소스가 사용되는 것을 특징으로 하는 유기물 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 플라즈마를 생성하기 위한 소스 가스로 Ar, N2, O2, N2O, He, H, NH3가스 혹은 이들 중 하나 이상의 혼합 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 유기물 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 플라즈마 처리는 동일한 종류 또는 다른 종류의 가스를 사용하여 한번 이상 수행하는 것을 특징으로 하는 유기물 전계효과 트랜지스터의 제조 방법.
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