KR20030088904A - Ｍｉｍ ｆｅｄ 제조를 위한 ａｌｄ 공정의 열처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대해 개시된다. 개시된 본 발명에 따른 본 발명에 따른 MIM FED 제조를 위한 ALD 공정의 열처리 방법은, ALD 공정 과정에서 Al₂O₃유전막 증착 이후, 리모트 플라즈마를 이용한 산화성 분위기에서 터널링 Al₂O₃유전막을 열처리하는 단계와; 상기 Al₂O₃유전막 열처리 후, 상부 전극을 증착하고 다시 리모트 플라즈마를 이용한 산화성 분위기로 열처리하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 리모트 플라즈마를 이용하여 열처리하는 단계에서 산화제로 H₂O, O₂, 또는 O₃플라즈마 분위기에서 열처리를 하는 점에 그 특징이 있다.

본 발명에 따른 MIM FED 제조를 위한 ALD 공정의 열처리 방법은, 특히 Al₂O₃유전막을 형성하여 MIM FED소자를 제조하는 ALD 공정에 있어, 저온 리모트 플라즈마를 이용한 Al₂O₃유전막의 후속 열처리를 하므로써 전기적 취약을 극복할 수 있다.

Description

ＭＩＭ ＦＥＤ 제조를 위한 ＡＬＤ공정의 열처리 방법{METHOD OF HEAT TREATMENT IN ALD FOR MIM FED}

본 발명은 MIM FED 제조를 위한 ALD 공정의 열처리 방법에 관한 것으로서, 특히 Al₂O₃유전막을 형성하여 MIM FED소자를 제조하는 ALD 공정에 있어, 저온 리모트 플라즈마를 이용한 Al₂O₃유전막의 후속 열처리를 하므로써 전기적 취약을 극복할 수 있는 MIM FED 제조를 위한 ALD 공정의 열처리 방법에 관한 것이다.

최근들어 종래의 CRT를 대신하여 여러 형태의 평판형 디스플레이에 대해 개발되고 상용화되고 있는 추세이다. 그 중에서도 LCD를 이용한 디스플레이가 대중화되고 있으며, 대면적화를 위한 개발이 계속되고 있다. 그러나, 상기 LCD는 수동형 발광소자로서 대면적화의 화면을 구현하더라도 밝기의 제한, 동화상 재현의 느린 응답속도, 제한적인 시야각 등의 문제로 인하여 새로운 형태의 능동형 디스플레이 소자에 대한 요구가 끊임없이 개발되고 있다.

따라서, 상기 능동형 디스플레이 소자로 FED(Field Emission Display)를 이용하는 방식이 대두되고 있으며, 이는 작은 CRT를 매트릭스로 무수히 배열한 것과 같은 원리를 가지기 때문에 전계 방출 팁(tip)을 배열하는 방식에 대해 연구되고 있다.

상기 FED소자의 팁(tip)방식은 MEMS공정을 이용하여 Mo와 같이 일함수가 작은 물질로 이루어진 작은 전계 방사 팁을 어레이(array)로 배열하고, 이 팁의 끝부분과 에노드(anode)사이에 고전계를 인가하여 팁에서 전계 방출되는 전자를 형광체가 발라져 있는 개개의 스크린에 조사하는 방식이다.

상기와 같은 방식은 작은 스크린을 만드는 데에는 문제가 없으나 작은 팁을 에노드 홀의 가운데에 정확히 위치시키는 점에 어려움이 있어 대면적화에는 상당한 제약이 있는 것으로 알려져 있다. 이외에도 고전계를 사용하는 데에 따른 팁의 손상, 높은 전력 소모 등이 문제로 제시되고 있다.

이와 같은 문제를 해결하고자 최근에는 반도체 공정과 유사한 공정으로 제조되는 MIM(Metal Insulator Metal) 캐패시터 캐소드(capacitor cathod)를 이용한 FED(Field Emission Display)소자가 사용되고 있다.

도 1은 종래에 따른 MIM 캐소드를 이용한 FED소자의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 유리 기판상에 Al 하부 전극 층, Al₂O₃필드 산화막 및 Al₂O₃터널링 산화막층, W/Al 이중 전극과 그 위에 절연체로서 SiN 박막층을 순서대로 증착하고, 상기 SiN층, W/Al 전극층을 에칭하여 상기 Al₂O₃층의 일부가 드러나도록 구성한다.

상기와 같이 구성된 MIM FED의 상기 하부 전극과 상부 전극 사이의 Al₂O₃터널링 산화막층을 MIM 캐패시터라고 하며, 상기 양전극 사이에 고전계가 인가되면 큰 자기장이 생성되고, 전자가 캐패시터의 양극으로부터 얇은 Al₂O₃유전 박막을 통과하여 음극에 도달하게 된다.

이 때, 상기 양극사이에 인가된 전압의 크기가 전극과 유전박막사이의 전위 장벽보다 크게 되면, 전자의 터널링 기구는 F-N(Fowler-Nordheim)기구가 된다. 상기 F-N기구에 의하여 음극에 도달한 전자의 운동에너지가 음극을 구성하는 금속 원소의 일함수보다 충분히 크면, 전자는 전계에 의한 진공 또는 공기 중으로의 방출된 전자가 형광체가 발라져 있는 프론트 스크린에 도달하게 되어 빛을 내게 된다.

상기 전계 방출이 효과적으로 이루어지기 위해서는 음극의 두께가 음극 구성 금속내에서의 산란길이에 비하여 너무 길지 않아야 하기 때문에 전체적인 음전극의 두께는 대략 10㎚ 이하가 사용된다.

상기 Al금속의 경우 산화 공정이 잘 조절되면 Si표면의 열산화 SiO₂와 같이Al표면에 절연 특성이 매우 우수한 Al₂O₃박막을 형성시킬 수 있다. 여기서, 상기 MIM 캐패시터 구조의 디스플레이 공정은 350℃ 이하의 온도에서도 절연특성을 갖는 Al₂O₃를 형성시킨다. 따라서, 상온에서 이루어질 수 있는 음극 산화 공정에 의한 절연막 성장이 이루어진다.

또한, 상기 Al₂O₃유전 박막층을F-N 터널링에 의해 통과하는 전자의 전계방출이 원활히 일어나기 위해서는 상기 유전 박막 내부 및 전극 계면에서의 전자의 산란이 최소화되어야 한다. 그러나, 이상적인 유전체에서는 음극 계면을 터널링에 의하여 통과한 전자는 격자진동에 의한 산란 이외에는 산란을 겪지 않고 양극 계면에 도달하지만, 실제 유전체에서는 많은 산란을 겪으면서 전자의 이동이 이루어진다.

즉, 음극 계면에서 주입된 전자가 유전 박막 내부 또는 전극 계면에서 산란을 일으키면 전자의 운동에너지가 감소하므로 양극을 탈출하여 전계 방사가 일어날 확률이 매우 감소하게 되고, 유전체 내부 또는 전극 계면에 많은 트랩들이 존재하여 전자 트랩핑/리-에미션이 발생하게 된다. 그래서, 상기 전자들은 그 운동 에너지를 잃어 음극 표면에서 진공 방출이 어렵게 되어 소자의 동작 효율 저하를 야기 시킨다.

한편, 상기 Al₂O₃의 산화 공정에 의한 문제를 해결하기 위해 반도체 디렘 공정에서와 같이 Al₂O₃를 형성하는 ALD 공정을 고려하게 되지만, 실제 상기 ALD 공정에 의한 Al₂O₃박막은 전기적으로 매우 취약하여 신뢰도가 저하되는 문제점이 발생된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 특히 Al₂O₃유전막을 형성하여 MIM FED소자를 제조하는 ALD 공정에 있어, 저온 리모트 플라즈마를 이용한 Al₂O₃유전막의 후속 열처리를 하므로써 전기적 취약을 극복할 수 있는 MIM FED 제조를 위한 ALD 공정의 열처리 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래에 따른 MIM 캐소드를 이용한 FED소자의 구조를 개략적으로 도시한 도면.

도 2는 Al 전극 상에 300℃의 온도에서 TMA와 O₂플라즈마를 이용하여 증착한 박막을 도시한 도면.

도 3은 본 발명에 따른 MIM FED 제조를 위한 ALD 공정의 열처리 방법에서 리모트 플라즈마 분위기에서 열처리한 후의 전류 특성의 변화를 도시한 그래프.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 MIM FED 제조를 위한 ALD 공정의 열처리 방법은,

ALD 공정 과정에서 Al₂O₃유전막 증착 이후, 리모트 플라즈마를 이용한 산화성 분위기에서 터널링 Al₂O₃유전막을 열처리하는 단계와;

상기 Al₂O₃유전막 열처리 후, 상부 전극을 증착하고 다시 리모트 플라즈마를 이용한 산화성 분위기로 열처리하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 리모트 플라즈마를 이용하여 열처리하는 단계에서 산화제로 H₂O, O₂, 또는 O₃플라즈마 분위기에서 열처리를 하는 점에 그 특징이 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 특히 Al₂O₃유전막을 형성하여 MIM FED소자를제조하는 ALD 공정에 있어, 저온 리모트 플라즈마를 이용한 Al₂O₃유전막의 후속 열처리를 하므로써 전기적 취약을 극복할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.

상기 도 1과 같은 구조를 제조하기 위한 본 발명에 따른 MIM FED 제조를 위한 ALD 공정 열처리 방법은, 유리 기판상에 Al 하부 전극층, Al₂O₃필드 산화막 및 Al₂O₃터널링 산화막층을 증착하는 단계와; 상기 Al₂O₃유전막 증착 이후, 리모트 플라즈마를 이용한 산화성 분위기에서 터널링 Al₂O₃유전막을 열처리하는 단계와; 상기 Al₂O₃유전막 열처리 후, Al 상부 전극을 증착하고 다시 열처리하는 단계와; 상기 Al 상부 전극의 열처리 후, 상기 SiN층을 증착하고 상기 Al₂O₃층의 일부가 드러나도록 SiN층, Al 전극층을 에칭하는 단계를 포함한다.

상기 Al₂O₃유전막 증착 이후, 리모트 플라즈마를 이용한 산화성 분위기에서 터널링 Al₂O₃유전막을 열처리하는 단계는 상기 저온에서 증착된 산화물 박막에는 상당량의 산소 공공이 존재하여 이들의 농도를 감소시키기 위해서 열처리를 하게된다. 여기서, 상기 리모트 플라즈마 분위기란, 고압의 외부적인 장치에 의해 산화제를 플라즈마 상태로 뿌려주는 방법이다.

상기 유리 기판에 전극을 증착시킨 경우에는 400℃ 이상으로 증가시킬 수 없어 상온에서 400℃까지 저온으로 열처리를 하게되고, 열처리시간은 0.1-3시간까지 변화를 주면서 수행할 수 있다.

또한, 상기 리모트 플라즈마를 이용하여 박막의 산소 공급을 위하서 활성화된 산소원자, 이온 등을 동일 온도 또는 그 보다 낮은 온도에서 공급하게 된다.

한편, 도 2는 Al 전극 상에 300℃의 온도에서 TMA와 O₂플라즈마를 이용하여 증착한 박막을 도시한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 상기 TMA(Tri-Methyl Aluminum)는 일반적인 반도체 공정에서 많이 사용되는 증착법으로 H₂O, O₃또는H₂O, O₂등의 플라즈마를 산화제로 이용하여 증착한다.

따라서, 본 발명에서도 상기 리모트 H₂O 플라즈마 분위기나 리모트 O₂, O₃플라즈마 분위기에서 열처리를 하게된다.

도 3은 본 발명에 따른 MIM FED 제조를 위한 ALD 공정의 열처리 방법에서 리모트 플라즈마 분위기에서 열처리한 후의 전류 특성의 변화를 도시한 그래프이다. 이에 도시된 바와 같이, 전계와 전류밀도사이의 값이 호전되어, 누설 전류 특성이 현저하게 개선된다.

즉, 리모트 플라즈마 처리에 의한 전류 밀도 개선은 플라즈마 분위기에서 생성된 활성화된 산소 원자, 이온 들이 Al₂O₃박막의 산소 공공을 채워주기 때문이다.

한편, 상기 Al₂O₃유전막 열처리 후, Al 상부 전극을 증착하고 다시 리모트 플라즈마 분위기에서 열처리하는 단계가 수행되는데, 이는 상기 Al₂O₃박막 자체는 리모트 플라즈마 처리되어 그 결함 밀도가 크게 감소 되었지만, 상기 상부 전극을 증착하여 공정하는 과정에서 상부 전극 계면에 발생하는 스퍼터 손상(sputterdamage)에 의한 결함을 해소하고자 다시 열처리를 수행한다. 여기서, 열처리의 온도는 상온에서 400℃까지 변화 시킬 수 있고, 열처리 시간은 0.1에서 3시간까지 변화시켜 수행할 수 있다.

상기 박막의 내부 또는 전극 계면에는 터널링된 전자의 원화한 흐름을 방해하는 결함 또는 트랩핑 센터가 잔존하여 F-N 터널링 현상에서 벗어난 전류 현상이 나타나게 되면 터널링된 전자가 터널링 과정에서 그 운동에너지를 상당 부분 잃고 상부 전극에 도달하게 되어 전자의 효율적인 전개 방출을 기대할 수 없게 된다.

따라서, 상기 스퍼터 손상은 대개 저온 후속 열처리에 의하여 제거되기 때문에 300℃의 온도에서 열난로(furnace)를 이용하여 전체 캐패시터를 30분간 열처리한다.

상기 도 3에 도시된 바와 같이, 후열처리(post-annealing)를 수행한 후에는 이상적인 F-N 터널링값과 거의 일치되었다. 따라서, 상기 후열처리로 인해 상기 상부 전극계면에 발생한 손상을 효과적으로 제거하게 된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 MIM FED 제조를 위한 ALD 공정의 열처리 방법은, 특히 Al₂O₃유전막을 형성하여 MIM FED소자를 제조하는 ALD 공정에 있어, 저온 리모트 플라즈마를 이용한 Al₂O₃유전막의 후속 열처리를 하므로써 전기적 취약을 극복할 수 있다.

Claims (4)

1. ALD 공정 과정에서 Al₂O₃유전막 증착 이후, 리모트 플라즈마를 이용한 산화성 분위기에서 터널링 Al₂O₃유전막을 열처리하는 단계와;

   상기 Al₂O₃유전막 열처리 후, 상부 전극을 증착하고 다시 리모트 플라즈마 분위기에서 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 MIM FED 제조를 위한 ALD 공정의 열처리 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   특히 상기 리모트 플라즈마를 이용하여 열처리하는 단계에서 산화제로 H₂O, O₂, 또는 O₃플라즈마 분위기에서 열처리를 하는 것을 특징으로 하는 MIM FED 제조를 위한 ALD 공정의 열처리 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 열처리 온도는 상온에서 400℃까지 변화시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 MIM FED 제조를 위한 ALD 공정의 열처리 방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 열처리 시간은 0.1에서 3시간까지 변화시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 MIM FED 제조를 위한 ALD 공정의 열처리 방법.