KR20160145233A - 금속 산화물 패턴의 제조방법 및 이를 통해 제조된 금속 산화물 패턴을 포함하는 박막 트랜지스터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고분자 패턴 구조체가 형성된 기판을 준비하는 단계(단계 1); 상기 단계 1의 패턴 구조체 상부를 덮는 마스크를 형성하는 단계(단계 2); 상기 단계 2에서 마스크로 덮인 패턴 구조체 하부 측벽을 식각하여 공동(cavity)을 형성하는 단계(단계 3); 상기 단계 3까지 수행된 기판 상부에 금속 산화물을 도포하는 단계(단계 4); 및 상기 고분자 패턴 구조체를 제거하는 단계(단계 5);를 포함하는 금속 산화물 패턴의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 금속 산화물 패턴의 제조방법은 탑-다운 공정 방식으로 생산하기 어려운 금속 산화물 패턴을 균일하게 형성할 수 있는 효과가 있다. 또한, 대면적 기판에 건식 및 습식 식각 공정없이 저비용으로 금속 산화물 패턴의 제조가 가능하다. 나아가, 식각 공정으로는 생산할 수 없는 특정 금속 산화물의 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 금속 산화물 패턴을 포함하는 박막 트랜지스터의 제조방법은 비정질의 금속 산화물 패턴을 스퍼터 증착 방법으로 형성할 수 있어 용액 공정으로 제조되는 금속 산화물 패턴을 사용하는 박막 트랜지스터보다 우수한 전하이동도를 가진다.
Description
본 발명은 금속 산화물 패턴의 제조방법 및 이를 통해 제조된 금속 산화물 패턴을 포함하는 박막 트랜지스터에 관한 것이다.
금속 산화물 패턴을 제조하는 방법으로 탑-다운(top-down) 공정 방식 및 바텀-업(bottom-up) 공정 방식을 고려할 수 있는 데, 이중 대부분의 소자에서 금속 산화물 패턴을 제조하는 방법으로 바텀-업 공정 방식이 선호되고 있다.
그 이유로는, 첫 번째로 탑-다운 방식의 공정 중 특히 전자빔 리소그래피(e-beam lithography)에 의한 금속 산화물 패턴의 제조는 공정 단가가 매우 높아 경제적이지 못하기 때문이다.
두 번째로, 금속 산화물 반도체의 건식 식각은 그 메카니즘 정립이 아직 되어있지 않고 실리콘 공정 기술에 비하여 최적화가 되어 있지 않아, 건식 식각에 대한 어려움이 있다.
마지막으로, 습식 식각의 경우에는 패턴의 크기, 특히 나노 와이어 형태의 폭을 조절하기 어렵다.
그러나, 탑-다운(top-down) 공정 방식은 잘 정렬된 나노 구조의 패턴을 재현성있게 제작할 수 있다는 장점이 있기 때문에 산업적으로 많이 사용되고 있으며, 대량 생산에 적합한 방식으로 꾸준히 연구되고 있는 분야이다.
이러한 탑-다운 공정 방식의 일례로써 대한민국 등록특허 제10-0925210호에는 건식 식각 공정을 이용한 산화물 박막 트랜지스터의 제조방법이 개시된 바 있다. IGZO 산화물 반도체 박막을 패터닝 하기 위해 특정 식각 가스를 사용하는 방법에 관한 것이다. 그러나, 식각 공정은 균일한 패턴을 형성하기 어려울 뿐만 아니라 고가의 공정이 필요한 문제가 있다.
종래에는, 음의 경사 측벽을 가지는 패턴 구조체를 기판 상부에 형성시킨 후 금속을 증착시키고, 리프트 오프(lift-off) 공정을 통해 상기 패턴 구조체를 제거하여 금속 패턴을 제조하기도 하였으나, 이는 패턴 구조체 상부에서 일 방향으로 금속이 증착되는 경우에만 가능한 방법이며 스퍼터 증착 방식 등의 다 방향으로 금속이 증착되는 경우에는 리프트 오프 공정이 수월하지 않아 금속 패턴을 제대로 형성하기 어려운 문제가 있었다.
이에, 본 발명자들은 금속 산화물 패턴을 제조하는 방법에 대하여 연구하던 중, 나노 임프린트 기술과 경사 증착을 이용하여 공동 구조를 형성하고 금속 산화물을 도포한 후, 하부의 고분자 패턴 구조체를 리프트-오프 공정으로 제거함으로써 금속 산화물 패턴을 제조하는 방법을 개발하였으며, 탑-다운 공정 방식으로 저가의 대면적 금속 산화물 패턴을 제조할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 탑-다운 공정 방식으로 추가적인 건식 및 습식 식각 없이 리프트-오프 공정을 통해 금속 산화물 패턴을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
고분자 패턴 구조체가 형성된 기판을 준비하는 단계(단계 1);
상기 단계 1의 패턴 구조체 상부를 덮는 마스크를 형성하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 마스크로 덮인 패턴 구조체 하부 측벽을 식각하여 공동(cavity)을 형성하는 단계(단계 3);
상기 단계 3까지 수행된 기판 상부에 금속 산화물을 도포하는 단계(단계 4); 및
상기 고분자 패턴 구조체를 제거하는 단계(단계 5);를 포함하는 금속 산화물 패턴의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은
기판;
상기 기판 상부에 형성된 절연층;
상기 절연층 상부에 형성된 상기의 제조방법으로 제조되는 금속 산화물 패턴을 포함하는 반도체 산화물 층; 및
상기 반도체 산화물 층 상부에 형성된 소스 전극 및 드레인 전극;을 포함하는 박막 트랜지스터를 제공한다.
나아가, 본 발명은
기판 상부에 절연층을 형성하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 형성된 절연층 상부에 제1항의 제조방법으로 금속 산화물 패턴을 제조하여 반도체 산화물 층을 형성하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 형성된 반도체 산화물 층 상부에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계(단계 3);을 포함하는 박막 트랜지스터의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 금속 산화물 패턴의 제조방법은 탑-다운 공정 방식으로 생산하기 어려운 금속 산화물 패턴을 균일하게 형성할 수 있는 효과가 있다. 또한, 대면적 기판에 건식 및 습식 식각 공정없이 저비용으로 금속 산화물 패턴의 제조가 가능하다. 나아가, 식각 공정으로는 생산할 수 없는 특정 금속 산화물의 패턴을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 금속 산화물 패턴을 포함하는 박막 트랜지스터의 제조방법은 비정질의 금속 산화물 패턴을 스퍼터 증착 방법으로 형성할 수 있어 용액 공정으로 제조되는 금속 산화물 패턴을 사용하는 박막 트랜지스터보다 우수한 전하이동도를 가진다.
도 1은 본 발명에 따른 금속 산화물 패턴의 제조방법의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 2는 본 발명에 따른 금속 산화물 패턴의 제조방법 중 경사 증착을 수행하는 경우를 나타낸 모식도이고;
도 3은 본 발명에 따른 박막 트랜지스터의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 4 내지 8은 본 발명에 따른 실시예 1의 각 단계에서의 형상 및 비교예 1의 단계 4 이후의 형상을 주사 전자 현미경(SEM)으로 관찰한 사진이고;
도 9는 본 발명에 따른 실시예 6 및 비교예 2에서 제조된 IGZO 박막 트렌지스터의 전류 전달 특성 그래프이고;
도 10은 본 발명에 따른 실시예 10에서 제조된 SnO2 박막 트랜지스터의 전류 전달 특성을 나타낸 그래프이고;
도 11은 본 발명에 따른 실시예 6 내지 9 및 비교예 2에서 제조된 IGZO 박막 트랜지스터의 전자 이동도(mobility)와 문턱전압 이하에서의 기울기(subthreshold swing, SS)를 나타내는 그래프이고;
도 12는 본 발명에 따른 실시예 6 및 비교예 2에서 제조된 IGZO 박막 트랜지스터의 전류 밀도 분포도(T-CAD)를 분석한 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 금속 산화물 패턴의 제조방법 중 경사 증착을 수행하는 경우를 나타낸 모식도이고;
도 3은 본 발명에 따른 박막 트랜지스터의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 4 내지 8은 본 발명에 따른 실시예 1의 각 단계에서의 형상 및 비교예 1의 단계 4 이후의 형상을 주사 전자 현미경(SEM)으로 관찰한 사진이고;
도 9는 본 발명에 따른 실시예 6 및 비교예 2에서 제조된 IGZO 박막 트렌지스터의 전류 전달 특성 그래프이고;
도 10은 본 발명에 따른 실시예 10에서 제조된 SnO2 박막 트랜지스터의 전류 전달 특성을 나타낸 그래프이고;
도 11은 본 발명에 따른 실시예 6 내지 9 및 비교예 2에서 제조된 IGZO 박막 트랜지스터의 전자 이동도(mobility)와 문턱전압 이하에서의 기울기(subthreshold swing, SS)를 나타내는 그래프이고;
도 12는 본 발명에 따른 실시예 6 및 비교예 2에서 제조된 IGZO 박막 트랜지스터의 전류 밀도 분포도(T-CAD)를 분석한 그래프이다.
본 발명은
고분자 패턴 구조체가 형성된 기판을 준비하는 단계(단계 1);
상기 단계 1의 패턴 구조체 상부를 덮는 마스크를 형성하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 마스크로 덮인 패턴 구조체 하부 측벽을 식각하여 공동(cavity)을 형성하는 단계(단계 3);
상기 단계 3까지 수행된 기판 상부에 금속 산화물을 도포하는 단계(단계 4); 및
상기 고분자 패턴 구조체를 제거하는 단계(단계 5);를 포함하는 금속 산화물 패턴의 제조방법을 제공한다.
이때, 도 1에 본 발명에 따른 금속 산화물 패턴의 제조방법의 일례를 모식도로 나타내었으며,
이하, 본 발명에 따른 금속 산화물 패턴의 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 금속 산화물 패턴의 제조방법에 있어서, 단계 1은 고분자 패턴 구조체가 형성된 기판을 준비하는 단계이다.
상기 단계 1은 고분자 패턴 구조체가 형성된 기판을 준비하는 단계로서, 기판 상의 영역에서 금속 산화물로 이루어진 패턴을 형성하고자 하는 영역 외에 부분에 고분자로 이루어진 패턴 구조체를 형성한다.
구체적으로, 상기 단계 1의 기판은 금속 산화물 패턴을 형성될 수 있는 기판이면 제한되지 않고 사용할 수 있으며, 구체적인 일례로써 유리, 석영, 실리콘, 실리콘 산화물, 금속, 금속 산화물, 플라스틱, 종이 및 이들의 혼합물로 이루어진 기판을 사용할 수 있다. 예를 들어, 플라스틱으로는 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌텔레프탈레이트(PET), 폴리에텔렌나프탈레이트(PEN), 폴리에테르술폰(PES), 나일론(Nylon), 폴리테트라플로우로에틸렌(PTFE), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리카보네이트 (PC) 및 폴리아릴레이트(PAR) 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 단계 1의 고분자 패턴 구조체는 아크릴계 고분자, 메타크릴계 고분자, 이미드계 고분자, 아마이드계 고분자, 페놀계 고분자, 아릴에테르계 고분자, 스티렌계 고분자, 불소계 고분자 및 비닐알콜계 고분자 등의 고분자 수지를 포함할 수 있으며, 구체적인 일례로써, 메타크릴산 메틸(CH2C(CH3)COOCH3)을 중합하여 얻어지는 열가소성 수지를 포함할 수 있다. 상기 단계 1의 고분자 패턴 구조체는 기판 상의 영역에서 금속 산화물로 이루어진 패턴을 형성하고자 하는 영역 외에 부분에 형성되며, 기판 상부로 돌출된 형태일 수 있다. 상기 고분자 패턴 구조체의 형태는 제한되지 않으나, 막대 형태일 수 있다.
나아가, 상기 단계 1에서 고분자 패턴 구조체의 형성은 나노임프린트법, 미세 인쇄 접촉 기술, 포토리소그래피법, 잉크젯 프린팅 및 디스펜싱 등의 방법으로 수행될 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 금속 산화물 패턴의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1의 패턴 구조체 상부를 덮는 마스크를 형성하는 단계이다.
상기 단계 2에서는 단계 3에서 고분자 패턴 구조체 하부 측면을 식각하여 공동을 형성할 수 있도록 하기 위하여 상기 단계 1에서 형성된 고분자 패턴 구조체의 상부를 덮는 마스크를 형성한다.
구체적으로, 상기 단계 2의 마스크 형성은 도 2에 모식도로 나타낸 바와 같은 경사 코팅법으로 수행되는 것이 바람직하다. 상기 고분자 패턴 구조체의 상부면만을 덮는 마스크를 형성하기 위하여 경사 코팅법을 수행한다.
또한, 상기 경사 코팅법은 전자빔증착법 (E-beam evaporation) 또는 열증착법 (Thermal evaporation)에 의해 수행될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
나아가, 상기 단계 2의 마스크는 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 실리콘(Si), 이들의 산화물 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다음으로, 본 발명에 따른 금속 산화물 패턴의 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 마스크로 덮인 패턴 구조체 하부 측벽을 식각하여 공동(cavity)을 형성하는 단계이다.
상기 단계 3은 상기 단계 2의 공정을 수행함으로써 상부면이 마스크로 덮인 고분자 패턴 구조체의 하부 측벽을 식각하여 공동을 형성한다.
상기와 같이 고분자 패턴 구조체 하부 측벽에 공동을 형성함으로써 추후 금속 산화물을 증착하고난 이후에도 고분자 패턴 구조체에 용매가 침투할 수 있는 공간을 허용하여 리프트-오프 공정을 가능케한다.
구체적으로, 상기 단계 3의 식각은 이온 빔 밀링(Ion Beam Milling), RIE(Reactive Ion Etching), MERIE(Magnetically Enhanced Reactive Ion Etching), CDE(Chemical Downstream Etching), ECR(Electron Cyclotron Resonance) 및TCP(Transformer Coupled Plasma), 산소 플라즈마 식각법 등의 방법으로 수행될 수 있으나, 상기 식각 방법은 마스크가 형성된 고분자 패턴 구조체의 최소한 하부 측면을 식각하여 공동을 형성할 수 있는 방법이면 제한되지 않고 수행될 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 금속 산화물 패턴의 제조방법에 있어서, 단계 4는 상기 단계 3까지 수행된 기판 상부에 금속 산화물을 도포하는 단계이다.
상기 단계 4에서는 상기 단계 3까지 수행하여 마스크가 덮이고, 하부 측벽이 식각되어 공동이 형성된 고분자 패턴 구조체를 포함하는 기판 상부에 원하는 금속 산화물을 도포한다.
이때, 고분자 패턴 구조체 상부면을 덮는 마스크와, 하부 측벽에 형성된 공동으로 인해 도포되는 금속 산화물이 패턴을 형성하고자 하는 부분과 패턴 구조체 부분으로 나뉘어 형성될 수 있고, 추후 단계에서 리프트-오프 공정으로 쉽게 제거 가능하다.
구체적으로, 상기 단계 4의 금속 산화물은 인듐(In), 갈륨(Ga), 아연(Zn), 주석(Sn), 알루미늄(Al) 및 하프늄(Hf) 등의 금속을 포함할 수 있으며, 구체적인 일례로써 IZGO, IZO, IGO, 주석 산화물(SnO2), 아연 산화물(ZnO) 등일 수 있으며, 비정질의 IZGO일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 특히, 본 발명에 따른 제조방법으로 금속 산화물 패턴을 제조하는 경우 종래에 식각 방법으로 패턴을 형성할 수 없었던 주석 산화물과 같은 금속 산화물의 패턴 형성도 가능하다.
상기 단계 4에서 금속 산화물을 도포하는 방법은 금속 산화물을 도포할 수 있는 방법이면 제한되지 않고 사용할 수 있으며, 구체적인 일례로써 스퍼터링 방법, 진공 증착 방법 등을 사용할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 금속 산화물 패턴의 제조방법에 있어서, 단계 5는 상기 고분자 패턴 구조체를 제거하는 단계이다.
상기 단계 5는 상기 단계 4까지 수행되어 금속 산화물이 도포된 기판에 형성하고자 하는 패턴 외에 부분을 제거하는 단계로써, 고분자 패턴 구조체를 제거한다.
구체적으로, 상기 단계 5에서 고분자 패턴 구조체를 제거하는 방법은 용매를 사용할 수 있으며, 상기 용매는 아세톤 등의 유기 용매를 사용할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
또한, 본 발명은
기판;
상기 기판 상부에 형성된 절연층;
상기 절연층 상부에 형성된 상기의 제조방법으로 제조되는 금속 산화물 패턴을 포함하는 반도체 산화물 층; 및
상기 반도체 산화물 층 상부에 형성된 소스 전극 및 드레인 전극;을 포함하는 박막 트랜지스터를 제공한다.
이때, 도 3에 본 발명에 따른 박막 트랜지스터의 일례를 모식도로 나타내었으며,
이하, 본 발명에 따른 박막 트랜지스터에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 박막 트랜지스터는 전술한 바와 같은 금속 산화물 패턴의 제조방법으로 제조된 금속 산화물 패턴을 포함하는 반도체 산화물 층이 형성된 것을 특징으로 한다.
종래에는 탑-다운 공정 방식으로 금속 산화물만으로 패턴을 형성하기 어려워 바텀-업 공정 방식으로 제조하였다. 그러나, 본 발명에서는 바텀-업 방식으로 금속 산화물만으로 이루어진 패턴을 형성할 수 있으며, 이를 포함하는 박막 트랜지스터는 우수한 성능을 나타낼 수 있다.
본 발명에 따른 박막 트랜지스터(100)에 있어서, 상기 기판(10)은 실리콘(Si) 웨이퍼, 유리기판, 플라스틱 기판 등이 이용될 수 있으며, 박막 트랜지스터를 적용할 제품에 맞추어 기판을 선택한다. 예를 들어, 상기 기판이 실리콘(Si) 웨이퍼 기판인 경우 박막 트랜지스터를 메모리 소자에 적용할 수 있고, 유리기판인 경우 디스플레이 소자에 적용할 수 있으며, 플라스틱 기판인 경우 플렉서블(flexible)한 특성이 요구되는 전자소자에 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 박막 트랜지스터(100)에 있어서, 상기 절연층(20)은 기판(10) 상부에 형성된다.
상기 절연층(20)은 실리콘 산화물(SiO2), 지르코늄 산화물(ZrO2), 하프늄 산화물(HfO2), 알루미늄 산화물(Al2O3) 및 탄탈륨 산화물(Ta2O5) 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 박막 트랜지스터(100)에 있어서, 상기 반도체 산화물 층(30)은 상기 절연층(20) 상부에 형성되고, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 제조방법으로 제조되는 금속 산화물 패턴을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 반도체 산화물 층(30)은 와이어 형태인 것이 바람직하다. 와이어 형태의 구조체는 박막 트랜지스터에 우수한 성능을 부여할 수 있는 형태로, 상기 금속 산화물 패턴을 포함함으로써 박막 트랜지스터의 전하 이동도를 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 박막 트랜지스터(100)에 있어서, 상기 소스 전극(40) 및 드레인 전극(50)은 반도체 산화물 층(30) 상부에 형성된다.
상기 소스 전극(40) 및 드레인 전극(50)은 일정 간격으로 이격되어 형성되어 있으며, 상기 소스 전극 및 드레인 전극은 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 실리콘(Si), 인듐주석 산화물(ITO), 산화아연(ZnO) 및 이들의 혼합 금속, 혼합 금속 산화물 등일 수 있다.
나아가, 본 발명은
기판 상부에 절연층을 형성하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 형성된 절연층 상부에 상기의 제조방법으로 금속 산화물 패턴을 제조하여 반도체 산화물 층을 형성하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 형성된 반도체 산화물 층 상부에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계(단계 3);을 포함하는 박막 트랜지스터의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 박막 트랜지스터의 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 박막 트랜지스터의 제조방법에 있어서, 단계 1은 기판 상부에 절연층을 형성하는 단계이다.
구체적으로, 상기 단계 1의 기판은 실리콘(Si) 웨이퍼, 유리기판, 플라스틱 기판 등이 이용될 수 있으며, 박막 트랜지스터를 적용할 제품에 맞추어 기판을 선택한다. 예를 들어, 상기 기판이 실리콘(Si) 웨이퍼 기판인 경우 박막 트랜지스터를 메모리 소자에 적용할 수 있고, 유리기판인 경우 디스플레이 소자에 적용할 수 있으며, 플라스틱 기판인 경우 플렉서블(flexible)한 특성이 요구되는 전자소자에 적용할 수 있다.
또한, 상기 단계 1의 절연층은 실리콘 산화물(SiO2), 지르코늄 산화물(ZrO2), 하프늄 산화물(HfO2), 알루미늄 산화물(Al2O3) 및 탄탈륨 산화물(Ta2O5) 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
나아가, 상기 단계 1의 절연층은 인쇄 또는 코팅은 잉크젯 프린팅, 롤 프린팅, 그라비아 프린팅, 에어로졸 프린팅, 스크린 프린팅, 롤(roll) 코팅, 스핀 코팅, 바(bar) 코팅, 스프레이 코팅 및 딥(dip) 코팅 등의 코팅 방법으로 형성될 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 박막 트랜지스터의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 형성된 절연층 상부에 상기의 제조방법으로 금속 산화물 패턴을 제조하여 반도체 산화물 층을 형성하는 단계이다.
본 발명에 따른 박막 트랜지스터의 제조방법은 전술한 바와 같은 금속 산화물 패턴의 제조방법으로 금속 산화물 패턴을 제조하여 반도체 산화물 층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
종래에는 탑-다운 공정 방식으로 금속 산화물만으로 패턴을 형성하기 어려워 바텀-업 공정 방식으로 제조하였다. 그러나, 본 발명에서는 바텀-업 방식으로 금속 산화물만으로 이루어진 패턴을 형성할 수 있으며, 이를 포함하는 박막 트랜지스터는 우수한 성능을 나타낼 수 있다.
상기 단계 2에서 금속 산화물 패턴을 제조하는 방법은 전술한 바와 같다.
다음으로, 본 발명에 따른 박막 트랜지스터의 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 형성된 반도체 산화물 층 상부에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계이다.
상기 단계 3의 소스 전극 및 드레인 전극은 일정 간격으로 이격되어 형성할 수 있으며, 상기 소스 전극 및 드레인 전극은 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 실리콘(Si) 및 이들의 혼합 금속일 수 있다.
이하, 하기 실시예 및 실험예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 발명의 범위가 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 금속 산화물 패턴의 제조 1
단계 1: 실리콘(Silicon) 기판 상부에 약 310 nm의 폭(width) 및 400 nm 주기(pitch)를 가지는 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methylmethacrylate)) 수지로 이루어진 고분자 패턴 구조체를 하기와 같은 열나노임프린트 방법으로 형성하였다.
구체적으로, 실리콘 기판 상부에 나노 임프린트 레지스트인 열가소성 수지(mr-PMMA35k300:Polymethyl Methacrylate)를 스핀코팅(spin coating) 방식으로 형성한 후, 약 70 nm의 폭(width) 및 400 nm의 주기(pitch)의 라인 패턴으로 이루어진 고분자(PFPE: Perfluoropolyether) 스탬프를 나노 임프린트 레지스트층이 코팅된 기판에 접촉시키고, 압력(4.5 bar)을 가하는 동시에 열(130 ℃)을 가하여(고분자의 열전이온도(Tg)보다 높게) 레지스트층을 이루는 고분자에 유동성을 주고, 상기 레지스트층을 이루는 고분자가 스탬프 패턴 사이를 채움으로써 고분자 패턴을 형성하였다. 이후 90 ℃ 이하로 냉각 후 스탬프를 기판에서 떼어냄으로써 고분자 패턴 구조체를 형성하였다.
단계 2: 상기 단계 1에서 형성된 고분자 패턴 구조체를 도 2에 나타낸 모식도와 같은 경사 증착을 통해 티타늄(Ti) 하드 마스크를 형성하였다.
단계 3: 상기 단계 2에서 마스크로 덮인 고분자 패턴 구조체를 산소 플라즈마 식각법을 사용하여 하부 측벽을 식각하여 공동 구조를 형성하였다.
단계 4: 상기 단계 3까지 수행된 기판 상부에 스퍼터 증착법으로 비정질의 IGZO(α-IGZO)를 증착시켰다.
단계 5: 상기 단계 4까지 수행된 기판에 아세톤을 가함으로써 고분자 패턴 구조체를 제거하여 와이어 형태의 금속 산화물 패턴을 제조하였다.
이때, 상기 금속 산화물 패턴의 폭(width)은 약 50 nm이고, 패턴 간의 주기(pitch)는 400 nm이다.
<실시예 2> 금속 산화물 패턴의 제조 2
상기 실시예 1의 단계 1에서 고분자 패턴 구조체의 폭을 조절하여 제조되는 금속 산화물 패턴의 폭이 70 nm인 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 금속 산화물 패턴을 제조하였다.
<실시예 3> 금속 산화물 패턴의 제조 3
상기 실시예 1의 단계 1에서 고분자 패턴 구조체의 폭을 조절하여 제조되는 금속 산화물 패턴의 폭이 85 nm인 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 금속 산화물 패턴을 제조하였다.
<실시예 4> 금속 산화물 패턴의 제조 4
상기 실시예 1의 단계 1에서 고분자 패턴 구조체의 폭을 조절하여 제조되는 금속 산화물 패턴의 폭이 150 nm인 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 금속 산화물 패턴을 제조하였다.
<실시예 5> 금속 산화물 패턴의 제조 5
상기 실시예 3의 단계 4에서 스퍼터 증착법으로 주석 산화물(SnO2)를 증착시킨 것을 제외하고 상기 실시예 3과 동일하게 수행하여 금속 산화물 패턴을 제조하였다.
<실시예 6> 박막 트랜지스터의 제조 1
단계 1: 실리콘 기판 상부표면을 열산화시켜 두께 100 nm의 이산화 실리콘(SiO2) 절연층을 성장시켰다.
단계 2: 상기 단계 1에서 형성된 절연층 상부에 열가소성 수지(mr-PMMA35k300:Polymethyl Methacrylate)로 이루어진 약 310 nm의 폭(width) 및 400 nm의 주기(pitch)를 가지는 고분자 패턴 구조체를 임프린트 방법으로 형성하였다.
상기에서 형성된 고분자 패턴 구조체를 도 2에 나타낸 모식도와 같은 경사 증착을 통해 티타늄(Ti) 하드 마스크를 형성하고, 상기에서 마스크로 덮인 고분자 패턴 구조체를 산소 플라즈마 식각법을 사용하여 하부 측벽을 식각하여 공동 구조를 형성하였다. 상기까지 수행된 기판 상부에 스퍼터 증착법으로 비정질의 IGZO(α-IGZO)를 증착시킨 후, 아세톤을 가함으로써 고분자 패턴 구조체를 제거하여 와이어 형태의 금속 산화물 패턴을 제조하여 반도체 산화물 층을 형성하였다.
이때, 상기 금속 산화물 패턴의 폭(width)은 약 50 nm이고, 패턴 간의 주기(pitch)는 400 nm이다.
단계 3: 상기 단계 2에서 형성된 반도체 산화물 층을 포토리소그래피를 이용하여 채널영역을 정의하고 buffered oxide etch (BOE)용액 에칭 공정을 이용하여 채널영역 형성시켰다.
형성된 채널영역에 포토리소그래피로 소스와 드레인 전극영역을 정의하고 전자빔 증착기(evaporator)를 이용하여 소스 전극과 드레인 전극을 100 nm 두께로 증착하여 박막 트랜지스터를 제조하였다.
<실시예 7> 박막 트랜지스터의 제조 2
상기 실시예 6의 단계 2에서 제조되는 금속 산화물 패턴의 폭이 70 nm인 것을 제외하고 상기 실시예 6과 동일하게 수행하여 박막 트랜지스터를 제조하였다.
<실시예 8> 박막 트랜지스터의 제조 3
상기 실시예 6의 단계 2에서 제조되는 금속 산화물 패턴의 폭이 85 nm인 것을 제외하고 상기 실시예 6과 동일하게 수행하여 박막 트랜지스터를 제조하였다.
<실시예 9> 박막 트랜지스터의 제조 4
상기 실시예 6의 단계 2에서 제조되는 금속 산화물 패턴의 폭이 150 nm인 것을 제외하고 상기 실시예 6과 동일하게 수행하여 박막 트랜지스터를 제조하였다.
<실시예 10> 박막 트랜지스터의 제조 5
상기 실시예 6의 단계 2에서 스퍼터 증착법으로 주석 산화물(SnO2)를 증착시킨 것을 제외하고 상기 실시예 6과 동일하게 수행하여 박막 트랜지스터를 제조하였다.
<비교예 1>
단계 1: 상기 실시예 1의 단계 1을 통해 고분자 패턴 구조체를 형성하고, 상기 실시예 1의 단계 2를 동일하게 수행하여 티타늄(Ti) 하드 마스크 형성하였다.
단계 2: 상기 단계 1에서 Ti 마스크로 덮인 고분자 패턴 구조체에 산소 플라즈마 식각 공정을 수행하지 않음으로써, 도 5와 같은 공동구조를 형성하는 단계를 생략하였다.
단계 3: 상기 단계 2까지 수행된 기판 상부에 스퍼터 증착법으로 비정질의 IGZO(α-IGZO)를 증착시켰다.
단계 4: 상기 단계 3까지 수행된 기판에 형성된 고분자 패턴 구조체를 제거하기 위해 아세톤을 가하였다.
이때, 상기 고분자 패턴 구조체는 제거(lift-off)되지 않았으며, 이에 따라 금속 산화물 패턴이 형성되지 않는 문제가 발생하였다.
<비교예 2>
단계 1: 실리콘 기판 상부로 이산화 실리콘(SiO2)을 100 nm 성장시켜 절연층을 형성하였다.
단계 2: 상기 단계 1에서 형성된 절연층 상부에 스퍼터 증착법으로 비정질의 IGZO(α-IGZO)를 증착시켜 반도체 산화물 층을 형성하였다.
단계 3: 상기 단계 2에서 형성된 반도체 산화물 층 상부로 증발 증착기(evaporator)를 이용하여 소스 전극과 드레인 전극을 100 nm 두께로 증착하여 박막 트랜지스터를 제조하였다.
<실험예 1> 주사 전자 현미경 관찰
본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 금속 산화물 패턴의 형상을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1의 각 단계에서의 형상을 주사 전자 현미경으로 관찰하였으며 그 결과를 도 4 내지 7에 나타내었고, 상기 비교예 1의 결과를 도 8에 나타내었다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1의 단계 1에서 제조된 고분자 패턴 구조체는 311 nm의 폭을 가지며, 78 nm의 간격으로 형성된 것을 확인할 수 있었다.
또한, 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1의 단계 2에서 Ti 마스크가 형성되고, 이어서 상기 실시예 1의 단계 3에서 산소플라즈마 식각 공정을 통해 공동구조가 형성된 것을 확인할 수 있었으며, 마스크로 인해 고분자 패턴 구조체의 폭은 326 nm를 나타내었으며, 59 nm의 간격으로 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
나아가, 도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1의 단계 4를 수행하여 금속 산화물(IGZO)을 스퍼터로 도포하여 α-IGZO가 증착되었음에도 불구하고 공동 구조가 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
더욱 나아가, 도 7에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1의 단계 5를 수행하여 고분자 패턴 구조체를 제거함으로써 균일한 와이어 형태의 패턴이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
한편, 도 8에 나타낸 바와 같이, 고분자 패턴 구조체에 공동 구조가 형성되지 않은 비교예 1의 경우 고분자 패턴이 제거되지 않은 형상을 확인할 수 있다.
<실험예 2> 박막 트랜지스터의 성능 분석
본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 금속 산화물 패턴을 포함하는 반도체 산화물 층이 형성된 박막 트랜지스터의 성능을 확인하기 위하여, 상기 실시예 6 내지 10 및 비교예 2에서 제조된 박막 트랜지스터의 전류 전달 특성, 이동도(mobility), 문턱전압 이하에서의 기울기(subthreshold swing, SS), 전류 밀도 분포도(T-CAD)를 분석하였으며, 그 결과를 도 9 내지 12에 나타내었다.
도 9에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 박막 트랜지스터는 우수한 전기적 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
구체적으로, 나노와이어 형태의 트랜지스터 (실시예 6)의 경우, 일반적인 평면(planar) 형태인 경우 (비교예 2)에 비해, 더 높은 전류 전달치 및 문턱전압 이하에서의 더 급격한 전류 증가율 (기울기)을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 도 11에 나타낸 바와 같이, 나노와이어 형태의 패턴인 금속 산화물 패턴의 폭이 좁아질수록 이동도는 증가하며, 문턱전압 이하에서의 기울기는 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
나아가, 도 12에 나타낸 바와 같이, 나노와이어 형태의 반도체 산화물 층을 포함하는 경우 전기적 특성이 향상되는데, 평면형태 구조체보다 강한 전계가 인가되어 소자의 특성이 개선되기 때문이며, 특히 모서리(edge) 부분에서 전계(electric field)가 강해지는 것을 확인할 수 있었다.
더욱 나아가, 도 10에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 금속 산화물 패턴의 제조방법은 일반적으로 제조되기 어려운 주석 산화물(SnO2)의 패턴을 제조하는 것이 가능하며, 이를 포함하는 박막 트랜지스터의 우수한 성능을 확인할 수 있었다.
100 : 박막 트랜지스터
10 : 기판
20 : 절연층
30 : 패턴된 산화물 반도체 층
40 : 소스 전극
50 : 드레인 전극
10 : 기판
20 : 절연층
30 : 패턴된 산화물 반도체 층
40 : 소스 전극
50 : 드레인 전극
Claims (9)
- 고분자 패턴 구조체가 형성된 기판을 준비하는 단계(단계 1);
상기 단계 1의 패턴 구조체 상부를 덮는 마스크를 형성하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 마스크로 덮인 패턴 구조체 하부 측벽을 식각하여 공동(cavity)을 형성하는 단계(단계 3);
상기 단계 3까지 수행된 기판 상부에 금속 산화물을 도포하는 단계(단계 4); 및
상기 고분자 패턴 구조체를 제거하는 단계(단계 5);를 포함하는 금속 산화물 패턴의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 단계 1의 고분자 패턴 구조체는 아크릴계 고분자, 메타크릴계 고분자, 이미드계 고분자, 아마이드계 고분자, 페놀계 고분자, 아릴에테르계 고분자, 스티렌계 고분자, 불소계 고분자 및 비닐알콜계 고분자로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 고분자 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 산화물 패턴의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 단계 1에서 고분자 패턴 구조체의 형성은 나노임프린트법, 미세 인쇄 접촉 기술, 포토리소그래피법, 잉크젯 프린팅 및 디스펜싱로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 금속 산화물 패턴의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 단계 2의 마스크 형성은 경사 코팅법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 금속 산화물 패턴의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 단계 3의 식각은 이온 빔 밀링(Ion Beam Milling), RIE(Reactive Ion Etching), MERIE(Magnetically Enhanced Reactive Ion Etching), CDE(Chemical Downstream Etching), ECR(Electron Cyclotron Resonance), TCP(Transformer Coupled Plasma) 및 산소 플라즈마 식각법으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 금속 산화물 패턴의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 단계 4의 금속 산화물은 인듐(In), 갈륨(Ga), 아연(Zn), 주석(Sn) 및 하프늄(Hf)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 산화물 패턴의 제조방법.
- 기판;
상기 기판 상부에 형성된 절연층;
상기 절연층 상부에 형성된 제1항의 제조방법으로 제조되는 금속 산화물 패턴을 포함하는 반도체 산화물 층; 및
상기 반도체 산화물 층 상부에 형성된 소스 전극 및 드레인 전극;을 포함하는 박막 트랜지스터.
- 제7항에 있어서,
상기 반도체 산화물 층은 와이어 형태의 금속 산화물 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터.
- 기판 상부에 절연층을 형성하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 형성된 절연층 상부에 제1항의 제조방법으로 금속 산화물 패턴을 제조하여 반도체 산화물 층을 형성하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 형성된 반도체 산화물 층 상부에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계(단계 3);을 포함하는 박막 트랜지스터의 제조방법.
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| KR20200070625A (ko) * | 2018-12-10 | 2020-06-18 | 연세대학교 산학협력단 | 나노 구조체 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 나노 구조체 |
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| JP2014029981A (ja) * | 2012-02-03 | 2014-02-13 | Dainippon Printing Co Ltd | ナノインプリント用テンプレートの製造方法 |
| KR101437924B1 (ko) * | 2010-01-22 | 2014-09-11 | 한국생명공학연구원 | 경사 증착을 이용한 리소그래피 방법 |
| KR20150005493A (ko) * | 2014-12-08 | 2015-01-14 | 포항공과대학교 산학협력단 | 정렬된 산화물 반도체 나노와이어를 포함하는 전계효과 트랜지스터 어레이 및 그의 제조방법 |
-
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