KR101627815B1 - 비결정질 이그조(igzo) tft 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법 - Google Patents

비결정질 이그조(igzo) tft 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법을 공개한다. 이 방법은 (a) 실리콘 기판 상에 열산화막을 적층하고, 상기 열산화막 상에 니켈 박막을 증착하는 단계; (b) 상기 니켈 박막 상에 플라즈마 보조 화학적 증착시키는 단계; (c) 상기 증착된 플라즈마 보조 화학적 증착 층 상에 게이트 영역을 설정하여 패터닝하고 금속층을 증착하는 단계; (d) 상기 금속층을 리프트 오프시켜 게이트 금속 박막층을 형성하고, 상기 게이트 금속 박막층 상에 게이트 절연막을 증착시키는 단계; 및 (e) 상기 게이트 절연막 상에 스퍼터링하여 비결정질 이그조(IGZO) 층을 증착하는 단계; (f) 상기 비결정질 이그조(IGZO) 층 중 액티브 영역 및 상기 게이트 절연막을 에칭하는 단계; (g) 상기 비결정질 이그조(IGZO) 층 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성한 후 열 박리 테이프를 부착하는 단계; (h) 탈이온수를 이용하여 상기 니켈 박막을 박리하는 단계; (i) 상기 니켈 박막을 에칭하고 세척한 후 폴리비닐 알코올 박막 위에 전사하는 단계; 및 (j) 열판 상에 위치시켜 상기 열 박리 테이프를 박리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법{An manufacturing method of a amorphous IGZO TFT-based transient semiconductor}
본 발명은 반도체의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 고온에 안정적인 실리콘 및 니켈을 기반으로 하는 캐리어 기판 위에 현재 양산 중인 비결정질 이그조(IGZO) TFT 플랫폼을 활용하여 소정의 분자량을 가지는 폴리비닐 알코올 박막에 전사시켜 생체 적합하면서 생체 용해할 수 있는 트랜전트 비결정질 이그조(IGZO)를 제조하는 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법에 관한 것이다.
오늘날 디스플레이 산업은 급격한 기술의 발전을 통해 성장해왔으며 우리의 생활을 더욱 더 편리하고 윤택하게 이끄는데 큰 기여를 해왔다.
디스플레이 시장은 과거의 CRT(Cathode Ray Tube) 기술로부터, 현재의 LCD(Liquid Crystal Display) 기술, 그리고 차세대 기술로 꼽히는 OLED(Organic Lighting Emission Diode) 디스플레이까지 비약적인 변화를 보이고 있다.
기존의 a-Si:H 기반의 소자 특성으로는 UHD(Ultra High Definition) 등의 높은 해상도 디스플레이 뿐만 아니라, 플렉시블(Flexible)하고 투명한 디스플레이의 구현에 한계가 있기 때문에, 이를 대신할 수 있는 기술로서 이동도가 높고 대면적에 이점이 있는 비결정질 이그조(a-IGZO) TFT 기술이 대두되었다.
일반적으로 이그조(IGZO)는 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 아연(Zn)의 화합물로 구성된 비결정질(Amorphous) 산화물 반도체의 하나로서, 디스플레이 제품에 사용되는 경우 기존의 TFT 액정에 사용된 비결정질 실리콘보다 고해상도로 만드는 것이 가능하다.
즉, 이전까지의 액정은 사진을 표시할 때에도 정기적인 리프레쉬가 필요함으로 인해 여분의 전력이 소비되었으나, 이그조(IGZO)는 전기의 누전이 적기 때문에 리프레쉬 횟수가 이전에 비해 줄어들게 된다.
따라서, 사진 등의 정지화면을 표시할 때의 전력 소비를 줄일 수 있으며, 지금까지의 액정방식보다 소비전력을 큰 폭으로 절감시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 이그조(IGZO)의 전자 이동도는 비결정질 실리콘보다 20~50배에 이르기 때문에 TFT 회로를 소형화하는 것이 가능하므로 보다 높은 개구율 및 고성능의 회로를 패널에 실장 할 수 있는 있는 가능성으로 인해서 패널의 단순화 및 고부가치화가 가능할 수 있다.
또한, 이그조(IGZO) 기반의 TFT는 3 eV 수준의 광학적인 밴드갭과 섭씨 400 도 수준의 온도까지 비정질의 형상을 유지할 수 있다는 장점으로 인해서 자외선 센서 및 신뢰성 있는 가스(예를 들어, NO2) 센서의 응용에서도 큰 가능성을 시사하고 있다는 장점을 가지고 있다.
뿐만 아니라, 이그조(IGZO)에 대한 또 다른 관심은 특히, 생체 적합성(bio compatible)이 있고 생체 용해성(bio dissolution)이 가능하다고 하는데 있다.
이를 뒷받침 할 수 있는 근거로서, 치아의 보철물로 사용되었고, 미국 FDA의 승인이 난 갈로이 재료는 이그조(IGZO)의 핵심 재료인 산화 인듐(Induim oxide), 산화 갈륨(Gallium oxide) 기반으로 하고 있다는 점을 들 수 있다.
그리고, 산화 아연(ZnO) 또한 여러 연구를 통하여 생체 적합하면서 생체 용해할 수 있을 거라는 것이 알려지게 되었다.
이와 같은 사실을 기반으로, 갈륨 산화막, 인듐 산화막, 그리고 아연 산화막을 기반으로 구성된 이그조(a-IGZO)기반의 TFT는 일시적으로 동작을 하고, 원하는 기능을 다한 이후에 소멸된다는 개념의 트랜젼트 전자공학(transient electronics)의 적용 가능성을 제시해준다.
따라서, 본 발명의 트랜젼트 전자공학을 위한 재료 선정에서 이그조(IGZO)에 관심을 가지게 된 이유는 전기적인 특성이 우수할 뿐만 아니라, 생체 적합성 관점에서도 FDA의 승인이 난 재료를 기반으로 하고 있고, 역으로 갈로이 재료가 보철물로 크게 성공하지 못한 몸에서 서서히 녹아서 사라지는 신뢰성의 치명적 문제점에 대해서 착안을 할 수 있다.
이와 같은, 갈로이의 신뢰성의 문제점은 역으로 일시적으로 동적을 하고 녹아 없어져야 하는 트랜지언트 전자공학에서는 역으로 또 다른 기회를 제공함을 알 수 있다.
하지만, 트랜지언트 전자소자 응용에서 앞에서 언급한 가능성을 가지고 있는 종래의 비정질 이그조의 제조공정은 트랜지언트의 전자소자를 구현하고 있는 소재의 공정 정합성의 문제가 있었다.
예를 들어, 비결정질 이그조(a-IGZO) TFT 공정에서는 플라즈마 보조 화학적 증착, 사진공정 등이 요구되는데, 생체 분해성(bio degradable) 기판은 통상적인 반도체 공정에서 요구되는 섭씨 300 도 이상의 공정 온도와 습식 공정을 견디기 어려운 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명자는 이와 같은 종래의 비결정질 이그조(a-IGZO) TFT 공정의 문제점을 해결하기 위하여 고온에 안정적인 실리콘(Si) 및 니켈(Ni)을 기반으로 하는 캐리어 기판(carrier substrate) 위에 현재 양산 중인 비결정질 이그조(IGZO) TFT 플랫폼을 활용하여 이그조(IGZO) TFT 및 회로를 구현할 수 있는 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법을 착안하기에 이르렀다.
(특허문헌 1) KR 10-2010-0120295 A1
(특허문헌 2) KR 10-2010-0137376 A1
본 발명의 목적은 실리콘 및 니켈 기반의 완성된 비결정질 이그조(IGZO) 박막 트랜지스터를 열 박리 테이프 및 소정의 분자량을 가지는 폴리비닐 알코올 박막을 사용하여 전사되는 생체 적합하면서 생체 용해할 수 있는 트랜전트 비결정질 이그조(IGZO)를 제조하는 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법은 (a) 실리콘 기판 상에 열산화막을 적층하고, 상기 열산화막 상에 니켈 박막을 증착하는 단계; (b) 상기 니켈 박막 상에 플라즈마 보조 화학적 증착시키는 단계; (c) 상기 증착된 플라즈마 보조 화학적 증착 층 상에 게이트 영역을 설정하여 패터닝하고 금속층을 증착하는 단계; (d) 상기 금속층을 리프트 오프시켜 게이트 금속 박막층을 형성하고, 상기 게이트 금속 박막층 상에 게이트 절연막을 증착시키는 단계; 및 (e) 상기 게이트 절연막 상에 스퍼터링하여 비결정질 이그조(IGZO) 층을 증착하는 단계; (f) 상기 비결정질 이그조(IGZO) 층 중 액티브 영역 및 상기 게이트 절연막을 에칭하는 단계; (g) 상기 비결정질 이그조(IGZO) 층 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성한 후 열 박리 테이프를 부착하는 단계; (h) 탈이온수를 이용하여 상기 니켈 박막을 박리하는 단계; (i) 상기 니켈 박막을 에칭하고 세척한 후 폴리비닐 알코올 박막 위에 전사하는 단계; 및 (j) 열판 상에 위치시켜 상기 열 박리 테이프를 박리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법은 상기 (a) 단계는 상기 니켈 박막을 전자-총 증착(e-gun evaporation) 또는 스퍼터링(sputtering) 방법을 이용하여 증착하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법의 상기 니켈 박막의 두께는 250 내지 350 nm인 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법의 상기 (g) 단계는 반응 이온 에칭에 의해 상기 게이트 절연막을 관통하는 비아를 형성하는 단계; 전자 빔 증착, 포토리소그라피 및 리프트 오프 공정을 통하여 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극을 형성하는 단계; 및 소정의 온도로 어닐링하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법의 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극은 몰리브덴 층 또는 텅스텐 층인 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법의 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극의 두께는 60 내지 80 nm인 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법의 상기 (d) 단계는 상기 리프트 오프 대신 금속층 역 에칭을 통하여 상기 게이트 금속 박막층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법의 상기 (e) 단계는 상기 스퍼터링 타겟의 몰 비율을 Ga2O3 : In2O3 : ZnO 을 1:1: 1 mole %로 하고, 실온에서 아르곤(Ar) 내 3 내지 7 mtorr의 압력으로 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법의 상기 폴리비닐 알코올의 분자량은 10,000 내지 31,000 인 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법의 상기 폴리비닐 알코올 박막은 상기 분자량을 가진 폴리비닐 알코올을 순수한 탈이온수에 용해시키는 단계; 상기 용해된 폴리비닐 알코올 용액을 상온까지 냉각시켜 추출하는 단계; 상기 추출된 용액을 플라스틱 용기에 담아 소정의 초기 높이가 되도록 하는 단계; 상기 플라스틱 용기를 진공 컨테이너에 넣고 펌핑하여 상기 용해된 폴리비닐 알코올 용액 내에 존재하는 기포를 제거하는 단계; 및 상기 기포가 제거된 폴리비닐 알코올 용액을 대류 오븐 또는 열판에서 수분을 제거하는 단계;를 통하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법의 상기 대류 오븐 또는 상기 열판의 온도는 섭씨 50 내지 80도인 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법의 상기 트랜젼트 반도체의 용해 역학은 탈 이온수 또는 소 혈청을 이용하여 측정되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법의 상기 (i) 단계는 상기 폴리비닐 알코올 대신 폴리 락티코-글리콜릭 산, 폴리 락틱 산 공중합체, 폴리 글리콜릭 산 및 폴리 카프로락톤 중 어느 하나일수 있는 것을 특징으로 한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
본 발명에 의할 경우, 고온에 안정적인 실리콘(Si) 및 니켈(Ni)을 기반으로 하는 캐리어 기판 위에 현재 양산 중인 비결정질 이그조(IGZO) TFT 플랫폼을 활용하여 이그조(IGZO) TFT 및 회로를 구현함으로써, 통상적인 반도체 공정에서 요구되는 고온의 공정 온도와 습식 공정을 견디기 어려운 생체 분해성 기판의 한계를 극복할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 도 1에 도시된 제조 방법에 따라 완성된 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 제조 방법에 따라 순차적으로 형성된 비결정질 이그조(IGZO) 층의 액티브 영역이 에칭된 상태의 평면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 제조 방법에 따라 순차적으로 형성된 게이트 절연막이 에칭된 상태의 평면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법 중 소스 전극 및 드레인 전극의 형성 단계를 나타내는 순서도이다.
도 6은 도 1에 도시된 제조 방법에 따라 순차적으로 소스 전극 및 드레인 전극이 형성된 상태의 평면도이다.
도 7은 도 1에 도시된 제조 방법에 따라 순차적으로 실리콘 기판 상에 형성된 회로의 평면도이다.
도 8은 도 1에 도시된 제조 방법에 따라 순차적으로 열 박리 테이프가 부착된 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 사시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법 중 폴리비닐 알코올 박막의 제조 단계를 나타내는 순서도이다.
도 10은 도 9에 도시된 제조 방법에 따라 제조된 폴리비닐 알코올 박막의 실제 사진이다.
도 11은 도 1에 도시된 제조 방법에 따라 최종적으로 완성된 트랜전트 비결정질 이그조(IGZO)의 실제 사진이다.
도 12는 도 1에 도시된 제조 방법에 따라 완성된 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 전달 특성을 나타내는 전달 특성 그래프 및 링 오실레이터의 회로도이다.
도 13은 도 1에 도시된 제조 방법에 따라 완성된 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체로 제조된 인버터 및 오실레이터의 전기적 특성을 나타내는 특성 그래프이다.
도 14는 도 1에 도시된 제조 방법에 따라 완성된 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체 내 비결정질 이그조(IGZO) 층의 성분 별 용해도를 나타내는 특성 그래프이다.
도 15는 도 1에 도시된 제조 방법에 따라 완성된 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체 내 비결정질 이그조(IGZO) 층의 성분 별 용해도를 탈 이온수 및 소 혈청을 이용하여 측정한 결과 그래프이다.
도 16은 도 1에 도시된 제조 방법에 따라 완성된 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 시간 경과에 따른 실제 용해 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "구비" 또는 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "부", "기", "모듈", "장치", "단계" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 도 1에 도시된 제조 방법에 따라 완성된 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법의 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실리콘 기판 위에, 열산화막을 적층하여 형성하는데, 열산화막의 두께는 250 내지 350 nm 로 설정할 수 있고, 300 nm 가 바람직하다.
열산화막 상에 전자-총 증착(e-gun evaporation) 또는 스퍼터링(sputtering) 방법을 이용하여 니켈 박막을 증착한다(S110). 니켈 박막의 두께는 250 내지 350 nm 로 설정할 수 있고, 300 nm 가 바람직하다.
니켈 박막 상에 플라즈마 보조 화학적 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD) 공정 기법으로 섭씨 300 도 상에서 플라즈마 보조 화학적 증착 층인 산화 실리콘(SiOx) 또는 질화 실리콘(Silicon nitride)을 100 내지 300 nm의 두께로 증착한다(S120).
여기에서, 플라즈마 보조 화학적 증착 공정 기법이란 반응 챔버 내에 플라즈마를 형성시켜 반응을 원활히 하고, 증착을 돕는 박막 합성 방법을 의미한다.
플라즈마 보조 화학적 증착 층 상에 포토레지스터 기법으로 원하는 게이트 영역을 설정하고, 습식 에칭으로 패터닝한다.
이때, 습식 에칭은 탈이온수:염산의 비율을 30:1로 하여 5초간 수행한다.
몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 등의 금속층을 증착한 후에(S130) 리프트 오프(lift off) 공정 또는 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 등의 금속층 역 에칭(back etching) 공정을 거쳐 게이트 금속 박막층을 형성한다(S140).
게이트 금속 박막층 상에 플라즈마 보조 화학적 증착 게이트 절연막(예를 들어, SiOx 또는 SixNy)을 증착한다(S150).
게이트 절연막의 두께는 40 내지 60 nm 로 설정할 수 있고, 50 nm 가 바람직하다.
게이트 절연막 상에 RF 스퍼터링 공정 또는 솔루션 공정 기법으로 산화물 반도체인 비결정질 이그조(amorphous IGZO, a-IGZO) 층을 증착한다(S160).
여기에서, 스퍼터링 타겟의 몰 비율은 Ga2O3 : In2O3 : ZnO 을 1:1: 1 mole %로 하고, 실온에서 아르곤(Ar) 내 3 내지 7 mtorr 바람직하게는 5 mtorr의 압력, 50 W의 전력으로 30 분 동안 수행한다.
도 3은 도 1에 도시된 제조 방법에 따라 순차적으로 형성된 비결정질 이그조(IGZO) 층의 액티브 영역이 에칭된 상태의 평면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 제조 방법에 따라 순차적으로 형성된 게이트 절연막이 에칭된 상태의 평면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법 중 소스 전극 및 드레인 전극의 형성 단계를 나타내는 순서도이다.
도 6은 도 1에 도시된 제조 방법에 따라 순차적으로 소스 전극 및 드레인 전극이 형성된 상태의 평면도이다.
도 7은 도 1에 도시된 제조 방법에 따라 순차적으로 실리콘 기판 상에 형성된 회로의 평면도이다.
도 8은 도 1에 도시된 제조 방법에 따라 순차적으로 열 박리 테이프가 부착된 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 사시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법 중 폴리비닐 알코올 박막의 제조 단계를 나타내는 순서도이다.
도 10은 도 9에 도시된 제조 방법에 따라 제조된 폴리비닐 알코올 박막의 실제 사진이다.
도 11은 도 1에 도시된 제조 방법에 따라 최종적으로 완성된 트랜전트 비결정질 이그조(IGZO)의 실제 사진이다.
도 1 및 도 3에서 보는 바와 같이, 원하는 액티브 영역의 비결정질 이그조(IGZO) 층을 습식 에칭 또는 건식 에칭을 활용해서 선택적으로 형성한다(S170).
이때, 습식 에칭은 탈이온수:염산의 비율을 30:1로 하여 수행한다.
도 4에서 보는 바와 같이, 게이트 절연막을 습식 에칭 또는 건식 에칭을 활용해서 선택적으로 제거한다.
도 5 및 도 6에서 보는 바와 같이, 전자 빔 증착, 포토리소그라피 및 아세톤 상 리프트 오프 공정(S240 내지 S250)을 이용하여 소스 전극 및 드레인 전극인 몰리브덴 층 또는 텅스텐 층을 60 내지 80 nm, 바람직하게는 70 nm의 두께로 형성하고(S180) 패터닝한 후에(S270) 섭씨 150 도에서 10 분간 어닐링(annealing)하여(S280) 도 7에 도시된 바와 같은 최종적으로 제작된 소자 및 회로를 형성한다.
여기에서, 소스 전극 및 드레인 전극의 패터닝은 O2/CF4 로 반응 이온 에칭(reactive ion etching, RIE)에 의해 게이트 절연막을 관통하는 비아(via)를 형성(S230)한 후에 수행한다.
도 1 및 도 8에서 보는 바와 같이, 최종적으로 제작된 소자 위에 열 박리 테이프(thermal release tape)를 부착하고(S190), 탈이온수 속에서 실리콘 기판 위에 형성된 니켈 박막 층을 박리한다.
니켈 박막에 에칭 작업을 진행하고, 탈이온수에서 세척한 이후(S200), 도 9에 도시된 폴리비닐 알코올(Polyvinyl Alcohol, PVA) 박막 위에 전사한다(S210).
본 실시예에서는 폴리비닐 알코올을 예시로 하였으나, 폴리 락티코-글리콜릭 산(poly lacticco-glycolic acid, PLGA), 폴리 락틱 산 공중합체(copolymer of poly lactic acid, PLA), 폴리 글리콜릭 산(poly glycolic acid, PGA) 및 폴리 카프로락톤(polycaprolactone, PCL)도 가능하다.
여기에서, 폴리비닐 알코올은 분자량이 10,000 내지 31,000 으로서, 두께가 15 내지 25 m, 바람직하게는 20 m인 것을 사용한다.
만일, 분자량이 31,000 이상이 되는 경우, 독성이 있어 인체에 유해하므로 바이오 호환성이 없게 된다.
상기 분자량을 가진 폴리비닐 알코올을 가지고 폴리비닐 알코올 박막을 제작하는 방법은 다음과 같다.
도 9에서 보는 바와 같이, 상기 폴리비닐 알코올을 순수한 탈이온수에 용해시켜 10 wt % 용액의 농도로 생성한다(S310).
즉, 봉자석(Magnetic Bar)을 이용하여 저어주면서 비이커 등의 유리 용기 내에서 용액의 온도를 섭씨 60 내지 70도를 유지한 채, 최소 12시간 이상 충분히 녹인다.
이때, 탈이온수의 증발을 막기 위해서, 알루미늄 호일이나 유리 덮개로 덮은 상태에서, 최소한의 환기구를 유치한 채 녹인다.
용해된 폴리비닐 알코올 용액을 공기 중에서 상온까지 냉각시킨 후에(S320), 완전히 녹은 투명한 용액 만을 스포이드로 추출한다(S330).
추출된 용액을 밑판이 평평한 플라스틱 용기 또는 SUS 기반의 용기에 담아 초기 높이가 1 내지 5 mm 가 되도록 한다(S340).
용액의 상기 초기 높이에 따라 최종적으로 형성된 폴리비닐 알코올 박막의 두께가 수um 내지 수100 um 수준으로 조절된다.
폴리비닐 알코올 용액이 담긴 플라스틱 용기를 진공 컨테이너에 넣고 수십 mtorr 범위의 저 진공 하해서 10 내지 20분 펌핑하여 폴리비닐 알코올 용액 내에 존재하는 기포를 제거한다(S350).
이와 같은 과정을 거치지 않으면, 폴리비닐 알코올 박막에 핀 홀(pinhole)이 발생하고 균일한 폴리비닐 알코올 박막을 형성할 수가 없게 된다.
다음으로, 평탄하게 유지된 폴리비닐 알코올 용액이 담긴 플라스틱 용기를 대류 오븐(convection oven) 또는 열판에서 섭씨 50 내지 80도를 유지한 채 수분을 제거한다(S360).
만일, 온도가 섭씨 50도 이하가 되는 경우, 폴리비닐 알코올 박막의 형성까지 소요되는 시간이 오래 걸릴 뿐만 아니라, 최종적으로 형성된 폴리비닐 알코올 박막에 주름(wrinkle)이 생겨, 원하는 형태의 완벽한 평탄도를 유지할 수 없고, 온도가 섭씨 80도 이상이 되는 경우, 생성된 폴리비닐 알코올 박막의 두께가 일정치 않게 되거나 심한 주름이 발생하게 된다.
그 후, 90도 이상의 열판(hot plate) 위에 올려서 열적으로 열 박리 테이프를 박리시킨다(S220).
도 10에 도시된 폴리비닐 알코올 박막 위에 도 6의 실리콘 및 니켈 기반의 완성된 비결정질 이그조(IGZO) 박막 트랜지스터(TFT)가 전사되면 최종적으로 도 11에서 보는 바와 같은 트랜전트 비결정질 이그조(IGZO)가 완성된다.
다음으로, 본 발명의 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법에 따라 제조된 트랜젼트 반도체의 전달 특성을 설명하도록 한다.
도 12는 도 1에 도시된 제조 방법에 따라 완성된 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 전달 특성을 나타내는 전달 특성 그래프 및 링 오실레이터의 회로도이다.
도 13은 도 1에 도시된 제조 방법에 따라 완성된 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체로 제조된 인버터 및 오실레이터의 전기적 특성을 나타내는 특성 그래프이다.
도 12에서 보는 바와 같이, 선형 영역에서 I-V 곡선은 통상의 이그조(IGZO)에 버금 가는 수준으로 정량적으로 온/오프 비율(on/off ratio)이 2x106 정도이고, 이동도(mobility)가 8 내지 10 cm2/Vs이다.
이를 바탕으로 회로 구현의 가능성을 알아보기 위하여 가장 간단한 형태인 5 스테이지 링 오실레이터(Ring oscillators, ROs)로 구성된다.
도 13에서 보는 바와 같이, 인버터 특성을 설계 관점에서 보았을 때, 드라이버 사이즈가 커짐에 따라 전압 이득(gain)이 커짐을 알 수 있다.
또한, 진동 주파수는 이론적으로 예측하였던 수준으로서, 5.67 kHz이며, 기존의 특성과 비교하였을 때 대체로 변하지 않음을 확인할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법에 따라 제조된 트랜젼트 반도체의 용해 역학(Dissolution kinetics)을 상세하게 설명하도록 한다.
도 14는 도 1에 도시된 제조 방법에 따라 완성된 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체 내 비결정질 이그조(IGZO) 층의 성분 별 용해도를 나타내는 특성 그래프이다.
도 15는 도 1에 도시된 제조 방법에 따라 완성된 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체 내 비결정질 이그조(IGZO) 층의 성분 별 용해도를 탈 이온수 및 소 혈청을 이용하여 측정한 결과 그래프이다.
도 16은 도 1에 도시된 제조 방법에 따라 완성된 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 시간 경과에 따른 실제 용해 사진이다.
도 14에서 보는 바와 같이, 아연(Zn), 갈륨(Ga)은 시간에 따라 빠르게 용해됨을 알 수 있고, 반면에 인듐(In)은 느리게 용해됨을 알 수 있다.
실험을 통해서 확인된 아연(Zn), 갈륨(Ga), 인듐(In)의 가수 분해(hydrolysis)의 메커니즘을 통해 용해되는 속도는 각각 다르지만 모두 용해될 것이라는 것을 알 수 있다.
도 15에서 보는 바와 같이, 탈 이온수 이외의 체액에 유사한 용액에서의 용해 양상이 생체 적합(bio compatible)한지를 간접적으로 알아보기 위하여 소 혈청(bovine serum)을 이용하여 실험한 결과이다.
실험 결과, 아연(Zn), 갈륨(Ga)은 탈이온수와 비교할 때 용해 속도가 빨랐으며 인듐(In)은 2일 이내에 대부분 분해됨을 확인 할 수 있다.
소 혈청은 수많은 이온을 포함하고 있는데 그 중에서도 염소(Cl) 이온은 비결정질 이그조(IGZO)의 에칭액으로서 다뤄지는 염산(HCl) 이온으로서 용해 속도를 가속시키는 것으로 보인다.
도 16에서 보는 바와 같이, 폴리비닐 알코올 박막 기판 위에 제작된 비결정질 이그조(IGZO) TFT의 용해 양상은 실험 결과, 15초 이내에 용해되기 시작하여 120 초 이내에 급격히 용해되고 600 초 이내에 모두 분해됨을 확인하였다.
이와 같이, 본 발명의 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법은 실리콘 및 니켈 기반의 완성된 비결정질 이그조(IGZO) 박막 트랜지스터를 열 박리 테이프 및 소정의 분자량을 가지는 폴리비닐 알코올 박막을 사용하여 전사되는 생체 적합하면서 생체 용해할 수 있는 트랜전트 비결정질 이그조(IGZO)를 제조하는 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법을 제공한다.
이를 통하여, 고온에 안정적인 실리콘(Si) 및 니켈(Ni)을 기반으로 하는 캐리어 기판 위에 현재 양산 중인 비결정질 이그조(IGZO) TFT 플랫폼을 활용하여 이그조(IGZO) TFT 및 회로를 구현함으로써, 통상적인 반도체 공정에서 요구되는 고온의 공정 온도와 습식 공정을 견디기 어려운 생체 분해성 기판의 한계를 극복할 수 있게 된다.
이상, 일부 실시예를 들어서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였지만, 이와 같은 설명은 예시적인 것에 불과한 것으로서, 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수 없다 할 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형 또는 수정하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.

Claims (13)

  1. (a) 실리콘 기판 상에 열산화막을 적층하고, 상기 열산화막 상에 니켈 박막을 증착하는 단계;
    (b) 상기 니켈 박막 상에 플라즈마 보조 화학적 증착 층을 증착시키는 단계;
    (c) 상기 증착된 플라즈마 보조 화학적 증착 층 상에 게이트 영역을 설정하여 패터닝하고 금속층을 증착하는 단계;
    (d) 상기 금속층을 리프트 오프시켜 게이트 금속 박막층을 형성하고, 상기 게이트 금속 박막층 상에 게이트 절연막을 증착시키는 단계; 및
    (e) 상기 게이트 절연막 상에 스퍼터링하여 비결정질 이그조(IGZO) 층을 증착하는 단계;
    (f) 상기 비결정질 이그조(IGZO) 층 중 액티브 영역 및 상기 게이트 절연막을 에칭하는 단계;
    (g) 상기 비결정질 이그조(IGZO) 층 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성한 후 열 박리 테이프를 부착하는 단계;
    (h) 탈이온수를 이용하여 상기 니켈 박막을 박리하는 단계;
    (i) 상기 니켈 박막을 에칭하고 세척한 후 폴리비닐 알코올 박막 위에 전사하는 단계; 및
    (j) 열판 상에 위치시켜 상기 열 박리 테이프를 박리하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (a) 단계는
    상기 니켈 박막을 전자-총 증착(e-gun evaporation) 또는 스퍼터링(sputtering) 방법을 이용하여 증착하는 것을 특징으로 하는 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 니켈 박막의 두께는
    250 내지 350 nm인 것을 특징으로 하는 비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 (g) 단계는
    반응 이온 에칭에 의해 상기 게이트 절연막을 관통하는 비아를 형성하는 단계;
    전자 빔 증착, 포토리소그라피 및 리프트 오프 공정을 통하여 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극을 형성하는 단계; 및
    소정의 온도로 어닐링하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극은
    몰리브덴 층 또는 텅스텐 층인 것을 특징으로 하는,
    비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극의 두께는
    60 내지 80 nm인 것을 특징으로 하는,
    비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 (d) 단계는
    상기 리프트 오프 대신 금속층 역 에칭을 통하여 상기 게이트 금속 박막층을 형성하는 것을 특징으로 하는,
    비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 (e) 단계는
    상기 스퍼터링 타겟의 몰 비율을 Ga2O3 : In2O3 : ZnO 을 1:1: 1 mole %로 하고, 실온에서 아르곤(Ar) 내 3 내지 7 mtorr의 압력으로 수행하는 것을 특징으로 하는,
    비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리비닐 알코올의 분자량은
    10,000 내지 31,000 인 것을 특징으로 하는,
    비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 폴리비닐 알코올 박막은
    상기 분자량을 가진 폴리비닐 알코올을 순수한 탈이온수에 용해시키는 단계;
    상기 용해된 폴리비닐 알코올 용액을 상온까지 냉각시켜 추출하는 단계;
    상기 추출된 용액을 플라스틱 용기에 담아 소정의 초기 높이가 되도록 하는 단계;
    상기 플라스틱 용기를 진공 컨테이너에 넣고 펌핑하여 상기 용해된 폴리비닐 알코올 용액 내에 존재하는 기포를 제거하는 단계; 및
    상기 기포가 제거된 폴리비닐 알코올 용액을 대류 오븐 또는 열판에서 수분을 제거하는 단계;
    를 통하여 제조되는 것을 특징으로 하는,
    비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 대류 오븐 또는 상기 열판의 온도는
    섭씨 50 내지 80도인 것을 특징으로 하는,
    비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 트랜젼트 반도체의 용해 역학은
    탈 이온수 또는 소 혈청을 이용하여 측정되는 것을 특징으로 하는,
    비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 (i) 단계는
    상기 폴리비닐 알코올 대신 폴리 락티코-글리콜릭 산, 폴리 락틱 산 공중합체, 폴리 글리콜릭 산 및 폴리 카프로락톤 중 어느 하나일수 있는 것을 특징으로 하는,
    비결정질 이그조(IGZO) TFT 기반 트랜젼트 반도체의 제조 방법.
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