KR101410839B1 - 저온 공정을 이용한 실리콘 옥사이드 게이트 절연막 제조방법 - Google Patents
저온 공정을 이용한 실리콘 옥사이드 게이트 절연막 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 저온 공정을 이용한 실리콘 옥사이드 게이트 절연막 제조방법에 관한 것으로, 실리카 입자를 용매인 물에 분산시켜 실리카 용액을 형성시키고, 실리카 입자를 유기실란을 이용하여 표면을 개질시키는 제1단계와; 상기 제1단계의 실리카 용액의 용매인 물을 유기용매로 대체시키는 제2단계와; 에폭시 수지가 용해된 용액을 상기 제2단계의 유기용매로 대체된 실리카 용액과 혼합시키고 반응시켜 혼합 용액을 형성시키는 제3단계와; 상기 제3단계에서 형성된 혼합용액을 기판에 코팅시키는 제4단계와; 상기 제4단계를 거친 후 120℃ 내지 300℃의 온도에서 열처리시키는 제5단계;를 포함하여 구성되는 저온 공정을 이용한 실리콘 옥사이드 게이트 절연막 제조방법을 기술적 요지로 한다. 이에 따라, 용액 상태의 실리콘 옥사이드를 형성하여 300℃ 이하의 낮은 온도에서 열처리를 하여 게이트 절연막용 실리콘 옥사이드를 제작하여, 유연한 성질을 가진 고분자 소재의 기판에도 적용이 가능하다는 이점이 있다.
Description
본 발명은 저온 공정을 이용한 실리콘 옥사이드 게이트 절연막 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 용액 상태의 실리콘 옥사이드를 형성하여 300℃ 이하의 낮은 온도에서 열처리를 하여 게이트 절연막용 실리콘 옥사이드를 제작하여 유연한 성질을 가진 고분자 소재의 기판에도 적용이 가능한 저온 공정을 이용한 게이트 절연막용 실리콘 옥사이드 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 트랜지스터의 게이트 절연막은 주로 실리콘 옥사이드가 사용된다. 실리콘 옥사이드는 실리콘 기반 소자에서 절연 특성이 우수하고 계면 트랩이 작아 가장 우수한 절연막이다. 게이트 절연막용 실리콘 옥사이드는 주로 두 가지 방법으로 제작된다.
첫 번째는 실리콘 기판을 900℃ 이상 1300℃ 이하 사이의 고온에서 산소나, 수증기 분위기에서 산화를 하여 실리콘 옥사이드를 형성한다.
다른 방법은 화학증착법(chemical vapor deposition, CVD) 이나 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD)을 이용하는 실리콘 옥사이드를 형성한다. 실리콘 옥사이드를 형성할 수 있는 전구체 (precursor)를 실리콘 옥사이드가 증착될 기판이 들어있는 진공 반응기 내로 흘려주게 되면, 전구체와 기판의 표면 반응에 의해 실리콘 옥사이드가 형성되게 된다. 전구체는 실란계 물질과 반응 가스로 이루어지며, 기판의 온도는 250℃에서 500℃의 높은 온도를 유지시켜 준다.
그리고 소자의 대면적화와 집적화로 인해 실리콘 옥사이드보다 유전상수가 높은 알루미늄 옥사이드(Al2O3) 또는 하프늄 옥사이드(HfO2) 등의 물질이 대체되어 사용되기도 한다. 그러나 상기 물질들 또한 화학증착법 또는 원자층 증착법으로 형성할 경우 기판의 온도를 고온으로 유지해야 한다.
상기와 같이 종래기술에 따른 실리콘 옥사이드 형성은 고온에서 이루어지기 때문에 고온 공정에서의 온도 제어에 어려움으로 인해 제작된 실리콘 옥사이드의 균일성의 문제와 고온으로 인해 기판 사용에 제한이 따른다.
즉, 고온에서 온도가 균일하게 유지되지 못하면, 열산화 공정이나 화학 증착법의 표면 반응이 불균일하게 일어나므로 형성되는 실리콘 옥사이드 또한 불균일하게 형성되게 된다는 문제점이 있다. 또 높은 온도로 인해 사용할 수 있는 기판에 제한되어 있어, 최근에 대두되고 있는 유연 기판 소자에는 적용하기 어려운 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술들의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 용액 상태의 실리콘 옥사이드를 형성하여 300℃ 이하의 낮은 온도에서 열처리를 하여 게이트 절연막용 실리콘 옥사이드를 제작하여, 유연한 성질을 가진 고분자 소재의 기판에도 적용이 가능한 저온 공정을 이용한 실리콘 옥사이드 게이트 절연막 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 실리카 입자를 용매인 물에 분산시켜 실리카 용액을 형성시키고, 실리카 입자를 유기실란을 이용하여 표면을 개질시키는 제1단계와; 상기 제1단계의 실리카 용액의 용매인 물을 유기용매로 대체시키는 제2단계와; 에폭시 수지가 용해된 용액을 상기 제2단계의 유기용매로 대체된 실리카 용액과 혼합시키고 반응시켜 혼합 용액을 형성시키는 제3단계와; 상기 제3단계에서 형성된 혼합용액을 기판에 코팅시키는 제4단계와; 상기 제4단계를 거친 후 120℃ 내지 300℃의 온도에서 열처리시키는 제5단계;를 포함하여 구성되는 저온 공정을 이용한 실리콘 옥사이드 게이트 절연막 제조방법을 기술적 요지로 한다.
상기 제1단계의 표면 개질은 2단계로 진행되는 것이 바람직하다.
상기 제2단계의 유기용매는 디메틸아세트아마이드 (dimethylacetamide, DMAc)인 것이 바람직하다.
상기 제4단계의 코팅은, 스핀코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 스프레이 코팅(spray coating), 스크린 프린팅(screen printing), 슬롯 코팅(slot coating), 노즐 프린팅(nozzle printing), 슬롯-다이 코팅(slot-die coating), 그라비어 코팅(gravure coating) 중 하나인 것이 바람직하다.
상기 제5단계의 열처리 온도는 120℃ 내지 250℃인 것이 바람직하다.
이에 따라, 용액 상태의 실리콘 옥사이드를 형성하여 300℃ 이하의 낮은 온도에서 열처리를 하여 게이트 절연막용 실리콘 옥사이드를 제작하여, 유연한 성질을 가진 고분자 소재의 기판에도 적용이 가능하다는 이점이 있다.
상기의 구성에 의한 본 발명은, 용액 상태의 실리콘 옥사이드를 형성하여 300℃ 이하의 낮은 온도에서 열처리를 하여 게이트 절연막용 실리콘 옥사이드를 제작하여, 유연한 성질을 가진 고분자 소재의 기판에도 적용이 가능하다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 저온 공정을 이용한 실리콘 옥사이드 게이트 절연막 제조방법을 나타낸 공정도이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 저온 공정을 이용한 실리콘 옥사이드 게이트 절연막의 누설전류 특성을 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 저온 공정을 이용한 실리콘 옥사이드 게이트 절연막의 누설전류 특성을 나타낸 도이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 저온 공정을 이용한 실리콘 옥사이드 게이트 절연막 제조방법을 나타낸 공정도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 저온 공정을 이용한 실리콘 옥사이드 게이트 절연막의 누설전류 특성을 나타낸 도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명은 게이트 절연막용 실리콘 옥사이드를 용액 공정법을 이용하여 저온 공정으로 형성하는 제작 방법에 관한 것이다.
용매에 분산되어 있는 나노 사이즈 입자의 실리카(이하 실리카 입자)를 이용하여 실리콘 옥사이드 막을 형성한다. 실리카 입자를 절연막 형태의 막(film)으로 형성하기 위해서는 고온의 열처리 공정이 필요하나 본 발명에서는 막 형성에 유리한 고분자 물질과 용액 중에서 반응을 통하여 게이트 절연막을 형성한다.
용액 공정법으로 실리콘 옥사이드를 제작하기 위하여 용매에 분산되어 있는 나노 사이즈 크기를 가진 실리카 입자를 사용하였다. 실리카 입자는 표면의 하이드록시기(-OH)와 용액 중의 안정화 이온으로 물이나 유기용매에 균일하게 분산되어 있다.
실리카 입자를 이용해 게이트용 절연막을 형성하기 위해서는 실리카 입자만으로는 막이 형성되지 않기 때문에 실리카 입자가 막을 형성할 수 있도록 공정을 거쳐야 한다. 실리카 입자가 막 형태로 연속적인 구조로 연결되기 위해서는 메트릭스(metrix) 역할을 해주는 물질과 반응을 일으켜야 한다. 이를 위해서는 표면의 하이드록시기를 다른 반응기로 치환시켜 주어야 한다.
표면개질에는 실리콘 원자(Si) 에 알콕시기(-OR, R: alkyl group)를 포함하고 있는 유기실란이 이용된다. 실리카 입자의 하이드록시기와 유기실란의 알콕시가 반응을 일으켜 물 또는 알콜이 빠져나오고, 실리카 입자의 표면은 알콕시기로 대체되게 된다. 유기실란의 경우 실리콘 원자를 포함하고 있고 반응이 쉽게 일어나는 장점으로 인해 많이 사용된다. 유기실란은 실리카 함량 대비 0.5에서 10배가량 첨가하게 된다.
유기 실란은 실리카 입자와 연속적인 반응뿐 아니라 유기실란 간의 반응도 활발히 일으키므로, 반응의 진행 정도를 조절하기 힘들고 반응 중 높은 점도로 인해 용액이 굳어버려 막을 형성하기 어려운 단점이 있다.
본 발명에서는 이런 문제를 해결하기 위하여, 실리카 입자와 반응하는 유기실란의 양을 최소화하여 유기실란이 실리카 입자의 표면을 개질 할 수 있는 양만큼만 첨가하였다. 표면 개질을 통해 실리카 입자 표면의 하이드록시가 알콕시기로 대체되게 된다. 실리카의 표면 개질 반응은 2단계로 나누어 진행하였으며, 이것은 유기실란과의 초기의 급격한 반응으로 인해 생길 수 있는 표면의 불균일한 개질을 방지하기 위함이다. 유기 실란을 실리카에 첨가하여 상온에서 반응을 일으킨다. 단계별로 시간은 3시간 이상 3일 정도 교반 시켜주면서 진행한다.
실리카가 막을 형성할 수 있는 메트릭스 역할을 할 수 있는 물질로는 에폭시 수지를 사용하였다. 에폭시 수지는 절연 특성이 우수한 물질로 에폭시 간의 반응으로 인해 막을 형성하기에 유리한 물질이다. 에폭시 수지를 유기용매에 용해하여 표면 개질된 실리카와 혼합할 수 있는 용액 상태로 용해시킨다.
표면개질된 실리카와 에폭시 수지를 용해시킨 유기용매가 서로 혼합되는 용매이면 중량비에 따라 혼합하여 상온에서 30분에서 1시간 가량 교반하면서 반응을 일으킨다. 표면개질된 실리카의 용매와 에폭시 수지의 용매가 서로 혼합되지 않는다면 추가의 공정이 필요하다. 이것은 실리카의 용매를 다른 용매로 대체해주는 공정이다. 이 공정은 진공 감압기를 이용하여 두 용매 간의 끊는 점이 낮은 용매를 먼저 추출함으로써 용매를 대체하는 방법이다. 이 방법은 표면개질된 실리카가 포함된 용액의 용매와 동일량 또는 과량의 교체하고자 하는 용매를 넣어준다. 그리고 진공감압기를 이용하여 원래 용매를 추출하는 과정이다.
그리고 용매 대체된 표면개질된 실리카와 에폭시 수지를 중량비에 따라 혼합하여 상온에서 30분에서 1시간 가량 교반하면서 반응을 일으킨다. 혼합하는 중량비는 실리카가 10~80wt%가 되도록 한다. 혼합하는 질량비는 게이트 절연막의 형성과 전기적 특성에 큰 영향을 미치는 요소이다. 표면 개질된 실리카 입자는 단독으로는 코팅막을 형성할 수 없다. 에폭시 수지만을 이용하여 게이트 절연막으로 사용하기에는 에폭시 수지의 코팅막은 우수한 절연 특성을 나타내지 못한다.
표면 개질된 실리카와 에폭시 수지가 반응을 하여 만들어진 용액으로 기판에 게이트 절연막을 형성한다. 게이트 절연막의 형성은 스핀코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 스프레이 코팅(spray coating), 스크린 프린팅(screen printing), 슬롯 코팅(slot coating), 노즐 프린팅(nozzle printing), 슬롯-다이 코팅(slot-die coating), 그라비어코팅(gravure coating) 등의 용액으로 가능한 코팅 공정을 이용한다.
코팅된 절연막은 열처리를 걸쳐 게이트 절연막용 실리콘 옥사이드가 형성된다. 코팅된 막을 120℃ 이상 300℃ 이하에서 열처리를 하게 된다. 용액 중의 표면개질된 실리카 입자의 알콕시기와 에폭시 수지의 반응은 열을 가하게 되면 개시되게 된다. 유연한 소재의 기판을 사용할 경우 기판이 변형되지 않고 열처리를 할 수 있는 온도가 250℃ 이므로, 120℃와 250℃ 사이의 온도에서 30분 이상의 열처리를 거쳐주게 되면 유연기판에도 게이트 절연막용 실리콘 옥사이드를 형성할 수 있다.
기판이 실리콘이나 그 외 기판일 경우 300℃ 이하의 온도에서 열처리가 가능하다. 에폭시 수지의 열분해로 인해 300℃ 이상에서 일어나기 시작하므로 그 이하의 온도에서 열처리를 해준다.
이하 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다.
물에 30wt%의 비율로 분산되어 있는 지름 12㎚의 실리카 입자를 유기실란인 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane, MTMS)과 페닐트리메톡시실란(phenyltrimethoxysilane, PTMS)을 이용하여 표면을 개질시킨다. 실리카 표면의 하이드록시와 유기실란의 알콕시기가 반응하여 실리카 표면에 반응할 수 있는 반응기는 알콕시기가 된다.
유기실란은 이용한 개질은 2단계로 나누어 진행된다. 1단계에는 MTMS를 실리카 1몰에 대하여 0.03몰을 넣어 상온에서 6시간 교반하며 반응을 진행시킨다. 2단계는 PTMS를 0.01몰 넣어 상온에서 18시간 교반하며 반응을 진행시킨다.
에폭시 수지가 용해된 용액과 혼합하기 위하여 2단계 종료 후 진공감압기를 이용하여 용매를 물에서 유기용매인 디메틸아세트아마이드(dimethylacetamide, DMAc)로 치환시킨다.
그리고 에폭시 수지는 trikis(glycidyloxyphenyl) methane(TGPM) 과 (3,4-epoxycyclohexane) methyl 3′-4′-epoxycyclohexyl-carboxylate(ECMECC)를 4:1의 비율로 혼합하고 경화제로써 Methylbicyclo[2.2.1]heptane-2,3-dicarboxylic anhydride(MBHDA)를 혼합하여 디메틸아세트아마이드(dimethylacetamide, DMAc)에 30wt%가 되도록 60℃에서 가열하며 용해시킨다. 반응개시제로서는 2-methylimidazole(2-MI)를 에폭시 수지와 경화제의 1 wt% 가 되도록 첨가시킨다.
두 물질을 용질 질량 비율 1:1로 혼합하여 상온에서 1시간 동안 교반 시킨다. 표면개질된 실리카와 에폭시 수지의 혼합 용액을 스핀 코팅법을 이용하여 고농도 도핑된 실리콘 웨이퍼에 300㎚ 두께로 코팅시킨다.
코팅막은 150℃에서 1시간 동안 용액 건조를 위해 열처리시키고, 연속적으로 180℃에서 2시간 동안 열처리하여 실리콘 옥사이드 막을 제작한다.
제작된 코팅막의 상단과 실리콘 웨이퍼 아래쪽에 각각 알루미늄 전극을 증착하여 형성된 실리콘 옥사이드 막에 0V에서 50V의 전류를 가해주며 누설 전류를 측정하였다.
누설전류는 도 2에 나타내었다. 절연막의 항복전압은 0.5 MV/cm로 나타났으며, 항복전압 이후에도 10-6/cm2 의 낮은 누설전류를 나타내고 있음을 확인하였다.
Claims (5)
- 실리카 입자를 용매인 물에 분산시켜 실리카 용액을 형성시키고, 실리카 입자를 유기실란을 이용하여 표면을 개질시키는 제1단계와; 상기 제1단계의 실리카 용액의 용매인 물을 유기용매로 대체시키는 제2단계와; 에폭시 수지가 용해된 용액을 상기 제2단계의 유기용매로 대체된 실리카 용액과 혼합시키고 반응시켜 혼합 용액을 형성시키는 제3단계와; 상기 제3단계에서 형성된 혼합용액을 기판에 코팅시키는 제4단계와; 상기 제4단계를 거친 후 120℃ 내지 300℃의 온도에서 열처리시키는 제5단계;를 포함하여 구성되되,
상기 제1단계의 표면개질은, 유기실란과의 초기의 급격한 반응으로 인해 생길 수 있는 표면의 불균일한 개질을 방지하기 위해 2단계의 공정으로 진행되고,
상기 제2단계의 유기용매는 디메틸아세트아마이드(dimethylacetamide, DMAc)임을 특징으로 하는 저온 공정을 이용한 실리콘 옥사이드 게이트 절연막 제조방법. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 제4단계의 코팅은, 스핀코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 스프레이 코팅(spray coating), 스크린 프린팅(screen printing), 슬롯 코팅(slot coating), 노즐 프린팅(nozzle printing), 슬롯-다이 코팅(slot-die coating), 그라비어 코팅(gravure coating) 중 하나임을 특징으로 하는 저온 공정을 이용한 실리콘 옥사이드 게이트 절연막 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제5단계의 열처리 온도는 120℃ 내지 250℃임을 특징으로 하는 저온 공정을 이용한 실리콘 옥사이드 게이트 절연막 제조방법.
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