KR100777265B1 - 나노 입자를 이용한 전면 게이트 박막 트랜지스터 및 그제조 방법 - Google Patents
나노 입자를 이용한 전면 게이트 박막 트랜지스터 및 그제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 나노입자를 이용한 박막 트랜지스터 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 박막 트랜지스터에 관한 것으로, 특히 열처리된 나노입자를 활성층으로 이용하고, 그 위에 게이트 절연막을 형성시킴으로써, 저전압 구동이 가능하고 저온에서도 제작이 가능하도록 한 나노입자를 이용한 전면 게이트 박막 트랜지스터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 나노입자를 이용한 전면 게이트 박막 트랜지스터 제조 방법을 이루는 구성수단은, 기판에 나노입자 필름을 형성시키고 열처리 하는 단계, 상기 나노입자 필름에 소스 전극과 드레인 전극을 형성시키는 단계, 상기 소스와 드레인 전극이 형성된 나노입자 필름 상부에 절연체를 증착시켜 게이트 절연막을 형성시키는 단계, 상기 게이트 절연막 상부에 전면 게이트 전극(topgate electrode)을 형성시키는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
박막 트랜지스터, 나노 입자, 게이트 절연막
Description
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 나노입자를 이용한 전면 게이트 박막 트랜지스터 제조 공정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 게이트 절연막과 활성층으로 이용되는 나노 입자 필름을 보여주는 고 분해능 투과 전자 현미경 사진이다.
도 2b는 상기 도 2a에서 사각으로 표시된 점선 부분을 확대한 고 분해능 투과 전자 현미경 사진이다.
도 3은 후면 게이트(back gate) 트랜지스터의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전면 게이트 (top gate) 트랜지스터의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 나노입자 필름의 열처리 공정의 효과를 볼 수 있는 전류-전압 곡선의 그래프이다.
도 6a는 상기 도 3에 도시된 후면 게이트 트랜지스터 소자의 동작 특성으로, 불연속적인 게이트 전압에 따른 드레인-소스 전압에 따른 드레인 전류 곡선 그래프이다.
도 6b는 상기 도 3에 도시된 후면 게이트 트랜지스터 소자에서 연속적인 게이트 전압에 따른 드레인 전류 곡선 그래프이다.
도 7a는 상기 도 4에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 전면 게이트 트랜지스터 소자의 동작 특성으로, 불연속적인 게이트 전압에 따른 드레인-소스 전압에 따른 드레인 전류 곡선 그래프이다.
도 7b는 상기 도 4에 도시된 전면 게이트 트랜지스터 소자에서 연속적인 게이트 전압에 따른 드레인 전류 곡선 그래프이다.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
10 : 기판 11 : 종래의 기판 상에 형성된 게이트 절연막
20 : 나노입자 필름
31 : 소스 전극 32 : 드레인 전극
40 : 게이트 절연막
50 : 전면 게이트 전극
본 발명은 나노입자를 이용한 박막 트랜지스터 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 박막 트랜지스터에 관한 것으로, 특히 열처리된 나노입자를 활성층으로 이 용하고, 고 유전상수의 절연체를 게이트 절연막으로 이용하며, 상기 게이트 절연막 상에 전면 게이트 전극을 형성시킴으로써, 저전압 구동이 가능하고 저온에서도 제작이 가능하도록 한 나노입자를 이용한 박막 트랜지스터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
현재 액정 디스플레이(liquid crystal display, LCD)를 포함한 평면 패널 디스플레이(Flat Panel Display)에서 이용되는 박막 전계 효과 트랜지스터는 일반적으로 비정질 실리콘(aSi:H) 또는 다결정 실리콘을 활성층으로 이용하고, 게이트 절연체로는 실리콘 산화물이나 질화물을 이용하여 제작하고 있다.
최근에는 저온 공정이 가능하고 저가의 제작 비용을 위해 펜타신(pentacene), 헥사티오펜(hexathiophene) 등의 유기물을 이용한 박막 트랜지스터 제작에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 유기 박막 트랜지스터의 경우 이동도, 물리적 및 화학적 안정성 등에서 근본적인 한계를 가지고 있으며, 현재까지 무기 반도체를 중심으로 연구되어온 공정에 그대로 적용하는데 어려움이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 1999년 미국 MIT 대학의 B. A. Ridley, B. Nivi, J. M. Jacobson는 CdSe 나노입자를 이용하여 박막 트랜지스터를 제작하였다(Science, 286권, 746 페이지 참조).
이 연구에서는 1cm2/Vsec 수준의 전계 효과 이동도와 104 이상의 전류 점멸비를 갖는 트랜지스터를 제작하여 나노입자를 이용한 박막 트랜지스터의 가능성을 제시하였다. 또한 2005년 미국 IBM의 D. V. Talapin과 C. B. Murray는 PbSe 나노입 자를 이용하여 박막 트랜지스터를 제작하였다(Science, 310권, 86 페이지 참조).
이 연구에서는 하이드라진(hydrazine)을 나노입자 필름에 화학적으로 처리하여 필름의 전도도를 향상 시켰으며, 열처리를 통해 n 채널 및 p 채널 트랜지스터를 제작하였다. 이처럼 무기 반도체 나노입자를 이용할 경우 유기 박막 트랜지스터와 같이 용액 상태의 공정의 장점과 유기 물질이 갖는 근본적인 문제점을 해결할 수 있다.
그러나 대부분의 유기 박막 트랜지스터를 포함하여 지금까지 개발된 무기 반도체 나노입자를 이용한 트랜지스터의 경우 실리콘 기판을 산화한 SiO2를 게이트 절연막으로 이용한 후면 게이트(back gate)의 트랜지스터로서, 트랜지스터를 작동시키기 위해 수 십 V 이상의 게이트 전압이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 열처리된 나노입자를 활성층으로 이용하고, 게이트 절연막을 나노입자 필름 위에 형성시킨 전면 게이트 트랜지스터(top gate transistor)를 제작하여, 저전압 구동이 가능하고, 저온에서 제작 가능한 나노입자를 이용한 전면 게이트 박막 트랜지스터 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 제안된 본 발명인 나노입자를 이용한 박막 트랜지스터 제조 방법을 이루는 구성수단은, 나노입자를 이용한 박막 트랜지스터 제조 방법에 있어서, 기판에 나노입자 필름을 형성시키고 열처리 하는 단계, 상기 나노입자 필름에 소스 전극과 드레인 전극을 형성시키는 단계, 상기 소스와 드레인 전극이 형성된 나노입자 필름 상부에 게이트 절연막을 형성시키는 단계, 상기 게이트 절연막 상부에 전면 게이트 전극(topgate electrode)을 형성시키는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판은 실리콘 기판, 유리 기판 및 플라스틱 기판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하고, 상기 플라스틱 기판은 PET(Polyethylene Terephthalate), PEN(polyethylenapthanate) 및 PC(polycarbonate) 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한, 상기 나노입자 필름을 형성시키는 단계는, 나노입자를 용매에 분산시켜 나노입자 용액을 마련하는 과정, 상기 나노입자 용액에 침전제를 혼합시키는 과정, 상기 침전제가 포함된 나노입자 용액을 상기 기판 상에 증착하는 과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 나노입자는 HgTe, HgSe, HgS, CdTe, CdSe, CdS, ZnTe, ZnSe, ZnS, PbTe, PbSe, PbS 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한, 상기 침전제가 포함된 나노입자 용액을 상기 기판 상에 증착하는 방법은 스핀 코팅, 딥 코팅, 스탬핑, 스프레잉 및 프린팅 방법 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열처리는 100℃ ~ 400℃ 사이에서 10분 내지 200분 동안 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 게이트 절연막(40)은 고 유전상수의 절연체를 증착하여 형성하는데, 이러한 절연체로서는 Al2O3, HfO2, Ta2O5, La2O3, SiO2 와 같은 무기물이나 AIDCN, Polyaniline, CdAA, PVP, PEDOT과 같은 유기물 중 어느 하나가 나노입자 필름 상부에 증착되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 절연체를 상기 나노입자 필름 상부에 증착할 때의 기판온도는 상온 ~ 400℃ 사이의 범위로 하고, 상기 게이트 절연막의 두께는 10nm ~ 500nm 사이의 범위인 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상기와 같은 구성수단으로 이루어지는 본 발명인 나노입자를 이용한 박막 트랜지스터 제조 방법에 관한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 나노입자를 이용한 전면 게이트 박막 트랜지스터 소자의 제조 공정 단면도이다.
먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이, 절연기판(10)의 상부에 나노입자 필름(20)을 형성시킨다. 상기 절연기판(10)은 실리콘 기판, 유리 기판과 같은 무기물 기판 또는 플라스틱 기판 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 상기 플라스틱 기판으로서는 PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylenapthanate), PC(poly carbonate) 중 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 박막 트랜지스터는 저온의 공정에서 제조할 수 있기 때문에, 플라스틱 기판도 절연기판으로 사용할 수 있다.
상기와 같은 절연기판(10) 상에 나노입자 필름을 형성시키는 과정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 소정의 나노입자를 용매에 분산시켜 나노입자 용액을 마련한다. 이때 용매에 분산되는 나노입자의 농도는 0.01㎎/㎕ 내지 1㎎/㎕인 것이 바람직하다. 상기와 같이 나노입자 용액이 마련된 후에는 2프로파놀(2propanol)과 같은 침전제와 상기 나노입자 용액을 혼합시킨다. 이 때 혼합되는 부비피는 1:100 내지 1:1 로 혼합한다. 그런 다음, 상기 침전제가 포함된 나노입자 용액을 상기 기판 상에 증착시킴으로써, 상기 절연기판(10) 상에 나노입자 필름을 형성시키게 된다.
상기 과정에서 사용되는 나노입자는 다양하게 구성될 수 있지만, 본 발명에서는 HgTe, HgSe, HgS, CdTe, CdSe, CdS, ZnTe, ZnSe, ZnS, PbTe, PbSe, PbS 중 어느 하나를 나노입자로 선택하여 사용한다.
또한, 상기 침전제가 포함된 나노입자 용액을 상기 절연기판(10) 상에 증착하는 방법은 스핀코팅, 딥 코팅, 스탬핑, 스프레잉, 프린팅 방법 및 다른 용액 처리 기술 중 어느 하나를 이용하여 상기 절연기판(10) 상에 나노입자 필름(20)을 형성시킨다.
상기와 같은 과정에 따라, 절연기판(10) 상에 나노입자 필름(20)이 형성된 후에는 상기 나노입자 필름(20)을 소정 온도로 열처리하는 과정을 수행한다. 이와 같은 열처리 과정은 나노입자의 종류에 따라서 100도 내지 400도에서 10분 내지 200분간 수행된다.
이러한 열처리 공정은 나노입자 필름의 결정성을 향상시켜 이동도 및 전도도를 향상시켜 주는 역할과 나노입자 필름과 기판 사이의 접착력을 향상시켜 주는 역할을 한다.
도 5는 HgTe 나노입자 필름을 150도에서 180분 동안 열처리 한 후에 전류의 크기를 측정한 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 열처리를 하지 않는 그래프('a'로 표기됨)와 열처리를 수행한 그래프('b'로 표기됨)를 비교하면, 열처리를 수행한 경우의 전류 크기가 105 배 이상 증가하는 것을 볼 수 있다.
상기와 같이 나노입자 필름에 열처리를 수행한 후에는, 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 나노입자 필름(20) 위에 소스 전극(31)과 드레인 전극(32)을 전자빔 또는 포토리소그래피 방법이나 금속 마스크를 이용하여 형성한다.
상기와 같이 소스 전극(31)과 드레인 전극(32)을 상기 나노입자 필름(20) 상에 형성한 후에는, 도 1c에 도시된 바와 같이, 상기 소스 전극(31)과 드레인 전극(32)이 형성된 나노입자 필름(20) 상부에 고 유전상수를 갖는 절연체를 증착시켜 게이트 절연막(40)을 형성시킨다. 그런 다음, 상기 게이트 절연막(40) 상부에 전자빔 또는 포토리소그래피 방법이나 금속 마스크를 이용하여 게이트 전극(50)을 형성시킨다.
상기 게이트 절연막(40)은 고 유전상수의 절연체를 증착하여 형성하는데, 이 러한 절연체로서는 Al2O3, HfO2, Ta2O5, La2O3, SiO2 와 같은 무기물이나 AIDCN, Polyaniline, CdAA, PVP, PEDOT과 같은 유기물 중 어느 하나가 해당되는 것이 바람직하다. 상기와 같은 절연체를 상기 나노입자 필름 상부에 증착할 때의 기판의 온도는 상온(100도 이상) 내지 400도로 하고, 게이트 절연막의 두께는 10nm 내지 500nm로 하는 것이 바람직하다.
도 2a는 상기와 같은 절차에 의하여 형성되는 박막 트랜지스터 중, 게이트 절연막(40)과 나노입자 필름(20)을 보여주는 고 분해능 투과 전자 현미경 이미지이다. 그리고, 도 2b는 상기 도 2a에서 사각 점선으로 표시된 부분을 확대한 고 분해능 투과 전자 현미경 이미지이다. 상기 나노입자 필름(20) 부분은 열처리 과정이 수행되어 활성층으로서 동작될 수 있다.
이하, 상기와 같이 제작된 나노입자를 이용한 전면 게이트 박막 트랜지스터의 특성을 살펴보기 위하여 Agilent 4155C를 이용하여 박막 트랜지스터의 특성 동작을 살펴본다.
도 3은 나노입자를 이용한 후면 게이트 박막 트랜지스터의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 나노입자를 이용한 전면 게이트 박막 트랜지스터의 단면도이다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 전면 게이트 박막 트랜지스터는 기판(10) 상부에 종래의 게이트 절연막(11)이 형성되고, 상기 종래의 게이트 절연막(11) 상부에 나노입자 필름(20)이 형성된 후, 그 상부에 소스 전극(31)과 드레인 전극(32) 및 본 발명에 적용되는 게이트 절연막(40)이 증착된다. 도 4에 도시된 전면 게이트 박막 트랜지스터는 도 1a 내지 도 1c를 참조하여 설명한 본 발명에 따른 박막 트랜지스터이다.
도 6a 및 도 6b는 상기 도 3과 같이 제작된 후면 게이트 트랜지스터의 특성으로, 상술한 본 발명인 고 유전상수의 게이트 절연막을 이용한 전면 게이트 박막 트랜지스터 특성과의 비교를 위해 측정되었다. 여기서는 HgTe 나노입자 필름을 활성층으로 이용하고, 300 nm 두께의 SiO2 게이트 절연막을 이용하여 후면 게이트 트랜지스터를 제작하였다. 이 때의 소스드레인 간격은 5μm, 폭은 1000μm이다.
도 6a는 게이트 전극에 인가되는 불연속적인 전압(VG)에서 드레인소스 전극에 인가되는 전압(VDS)에 대하여 드레인 전류(ID)의 의존성을 나타낸다. 게이트 전압이 작아질수록 드레인 전류가 증가하는 것을 통해 p채널 트랜지스터임을 알 수 있다.
도 6b는 게이트 전압에 따른 드레인 전류를 보여주고 있다. 고정된 VDS= 10V 에서 √│ID│ 대 VG 곡선의 기울기를 이용하여 계산된 전계 효과 이동도는 0.82 cm2/Vs 이다.
도 7a 및 도 7b는 상기 도 4에 도시된 전면 게이트로 제작한 트랜지스터의 특성이다. 이 때에는 전면 게이트로 ALD 법으로 증착된 60 nm 두께의 Al2O3 게이트 절연막이 이용되었다.
상기 도 7a 및 7b는 각각 상기 도 6a 및 6b에 대응된다. 도 7a와 도6a를 비 교하면, 전면 게이트로 제작된 트랜지스터가 10V 이하의 비교적 낮은 게이트 전압에서도 구동된다는 것을 알 수 있다. 또한 고정된 VDS= 10V에서 √│ID│ 대 VG 곡선의 기울기를 이용하여 계산된 전계 효과 이동도는 2.38 cm2/Vs 로써, 용액 상태의 공정을 통해 제작되어 보고된 p채널 트랜지스터 중 가장 높은 이동도를 보여주고 있다.
이는 300 nm 두께의 SiO2 게이트 절연막을 이용하여 제작된 후면 게이트 트랜지스터와 비교할 때 10V의 비교적 낮은 게이트 동작 전압에서도 채널을 활성화시킬 수 있는 것을 확인할 수 있다.
상기와 같은 구성 및 작용 그리고 바람직한 실시예를 가지는 본 발명인 나노입자를 이용한 전면 게이트 박막 트랜지스터 제조 방법 및 이를 이용한 박막 트랜지스터에 의하면, 나노입자를 활성층으로 이용하고 전면 게이트 절연막을 이용하여 낮은 게이트 전압에서 구동할 수 있는 전면 게이트 박막 트랜지스터를 제조 할 수 있다. 따라서 제작 공정이 저온에서 가능하므로, 유연성(flexible) 플라스틱 기판이나 투명 기판에 적용이 가능하며, 용액 상태의 공정이 가능하기 때문에 박막 트랜지스터 제작비용 절감의 효과도 얻을 수 있다.
Claims (10)
- 나노입자를 이용한 박막 트랜지스터 제조 방법에 있어서,기판에 나노입자 필름을 형성시키고 열처리 하는 단계;상기 나노입자 필름에 소스 전극과 드레인 전극을 형성시키는 단계;상기 소스와 드레인 전극이 형성된 나노입자 필름 상부에 절연체를 증착시켜 게이트 절연막을 형성시키는 단계;상기 게이트 절연막 상부에 전면 게이트 전극(topgate electrode)을 형성시키는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 나노입자를 이용한 전면 게이트 박막 트랜지스터 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 기판은 실리콘 기판, 유리 기판 및 플라스틱 기판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 나노입자를 이용한 전면 게이트 박막 트랜지스터 제조 방법.
- 청구항 2에 있어서,상기 플라스틱 기판은 PET(Polyethylene Terephthalate), PEN(polyethylenapthanate) 및 PC(polycarbonate) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 나노입자를 이용한 전면 게이트 박막 트랜지스터 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 나노입자 필름을 형성시키는 단계는,나노입자를 용매에 분산시켜 나노입자 용액을 마련하는 과정, 상기 나노입자 용액에 침전제를 혼합시키는 과정, 상기 침전제가 포함된 나노입자 용액을 상기 기판 상에 증착하는 과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 나노입자를 이용한 전면 게이트 박막 트랜지스터 제조 방법.
- 청구항 4에 있어서,상기 나노입자는 HgTe, HgSe, HgS, CdTe, CdSe, CdS, ZnTe, ZnSe, ZnS, PbTe, PbSe, PbS 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 나노입자를 이용한 전면 게이트 박막 트랜지스터 제조 방법.
- 청구항 4에 있어서,상기 침전제가 포함된 나노입자 용액을 상기 기판 상에 증착하는 방법은 스핀 코팅, 딥 코팅, 스탬핑, 스프레잉 및 프린팅 방법 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 나노입자를 이용한 전면 게이트 박막 트랜지스터 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 열처리는 100℃ ~ 400℃ 사이에서 10분 내지 200분 동안 이루어진 것을 특징으로 하는 나노입자를 이용한 전면 게이트 박막 트랜지스터 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 게이트 절연막은 고 유전 상수의 절연체를 상기 나노입자 필름 위에 증착하여 형성하는데, 이러한 절연체로서는 무기물인 Al2O3, HfO2, Ta2O5, La2O3, SiO2,유기물인 AIDCN, Polyaniline, CdAA, PVP, PEDOT 중 어느 하나가 상기 나노입자 필름 상부에 증착되어 형성되는 것을 특징으로 하는 나노입자를 이용한 전면 게이트 박막 트랜지스터 제조 방법.
- 청구항 8에 있어서,상기 고 유전상수의 절연체를 상기 나노입자 필름 상부에 증착할 때의 기판온도는 100℃ ~ 400℃ 사이의 범위로 하고, 상기 게이트 절연막의 두께는 10nm ~ 500nm 사이의 범위인 것을 특징으로 하는 나노입자를 이용한 전면 게이트 박막 트랜지스터 제조 방법.
- 청구항 1 또는 청구항 9 중 어느 한 항에 기재된 나노입자를 이용한 전면 게이트 박막 트랜지스터 제조 방법에 의하여 제조되는 나노입자를 이용한 전면 게이트 박막 트랜지스터.
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