KR20190061896A - 고성능 ｉｇｚｏ ｔｆｔ를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 ａｌ２ｏ３ ｂｎ 절연막 제조 방법 및 그 ｉｇｚｏ ｔｆｔ - Google Patents

고성능 ｉｇｚｏ ｔｆｔ를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 ａｌ２ｏ３ ｂｎ 절연막 제조 방법 및 그 ｉｇｚｏ ｔｆｔ Download PDF

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Abstract

고성능 IGZO TFTs를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연막 제조 방법이 개시된다. 상기 방법은, 기존의 CVD 및 ALD 등의 고가의 진공(vacuum) 장비가 사용되고 1000oC 이상의 고온을 필요로 하는 TFT 소자 구현 방법과 달리, 공기중에서 저온 공정(low temperature in an ambient atmosphere)에서 용액 공정에 의해 박막 소자 제작이 가능하며, 기존 고 유전 재료인 Al2O3에 높은 기계적 안정성과 산화 저항력 등을 보유한 저 유전 재료 boron nitride(BN)와의 하이브리드 복합 구조 기반의 박막 형성을 통해 기존의 Al2O3 내부의 높은 산소 결함 밀도에 의해 고품질 전자 소자 구현 및 신뢰성 측면에서 한계를 극복하면서 개선된 성능을 제공하며, i) 고 유전체 재료인 Al2O3에 저 유전체 재료 인 BN의 합성에도 매우 균일하고 깨끗한 박막 표면 상태를 유지하며, ii) 산소 결함 밀도가 현저히 감소되고, 하이브리드 Al2O3/BN 박막(절연 박막) 내 줄어든 산소 결함 밀도에 의해 iii) 하이브리드 Al2O3/BN 박막의 누설 전류 및 유전 상수 값이 개선되며, 최적화된 저온 용액 공정 방법을 사용하여 절연 박막 내 줄어든 산소 결함 밀도에 의해 향상된 Induim gallium zinc oxide(IGZO) thin film transistor(TFT)의 특성을 향상시켰다.

Description

고성능 ＩＧＺＯ ＴＦＴ를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 ＡＬ２Ｏ３ ＢＮ 절연막 제조 방법 및 그 ＩＧＺＯ ＴＦＴ{Fabrication method of solution-processed high quality Al2O3/BN dielectric films for high performance IGZO TFTs, and IGZO TFTs thereof}
본 발명은 기존 용액공정으로 제작된 high-k dielectric의 성능 개선을 위해 복합 물질(Al2O3/BN) 기반의 절연막 제작 및 고품질 박막 분석에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존의 CVD(Chemical Vapor Deposition) 및 ALD(Atomic Layer Deposition) 등의 고가의 진공(vacuum) 장비가 사용되고 1000oC 이상의 고온을 필요로 하는 TFT 소자 구현 방법과 달리, 공기중에서 저온 공정(low temperature in an ambient atmosphere)에서 용액 공정에 의해 박막 소자 제작이 가능하며, 기존 고 유전체 재료인 Al2O3에 높은 기계적 안정성과 산화 저항력 등을 보유한 저 유전체 재료 인 boron nitride(BN, 질화 붕소)와의 하이브리드 복합 구조 기반의 박막 형성을 통해 기존의 한계(Al2O3 내부의 높은 산소 결함 밀도에 의해 고품질 전자 소자 구현 및 신뢰성 측면에서 한계)를 극복하면서 개선된 성능을 제공하며, i) high-k Al2O3에 low-k BN의 합성에도 매우 균일하고 깨끗한 박막 표면 상태를 유지하며, ii) 산소 결함 밀도가 현저히 감소되고, 하이브리드 Al2O3/BN 박막(절연 박막) 내 줄어든 산소 결함 밀도에 의해 iii) 하이브리드 Al2O3/BN 박막(절연 박막)의 누설 전류 및 유전 상수 값이 개선되며, 향상된 성능의 고품질 최적화된 저온 용액 공정 방법을 사용하여 유사한 성능을 지닌 Induim gallium zinc oxide(IGZO) thin film transistor(TFT)의 특성을 향상시키는, 고성능 IGZO TFTs를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연막 제조 방법 및 그 IGZO TFTs에 관한 것이다.
시장 조사 업체 디스플레이서치에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이 여러 디스플레이 업계에서 산화물 반도체 기반의 TFT가 디스플레이 패널의 핵심 부품으로서 부상할 것으로 전망된다. 현재의 소자 성능으로 충분히 고 해상도 LCD나 OLED display를 생산 가능하기 때문에 산화물 반도체 기반의 TFT 공정에 대한 관심이 꾸준히 증가할 것으로 예상하였다.
도 2를 참조하면, IDTechEx에 따르면 2024년에 OLED 산업에서 7km sqr의 산화물 반도체 기반 backplane이 사용될 것으로 보고하였고, LCD 디스플레이 시장은 매 년 최소 1km sqr씩 여분의 수요를 추가할 것이라고 하였다. 또한, 복합적 기술 안정성 측면에서 볼 때 산화물 반도체 기반의 TFT가 가장 우수함을 드러났다.
1) 북경 칭화대학교 - 용액 공정 방법을 이용한 high-k 물질 Al2O3 기반의 고성능 metal oxide TFT 구현됨을 보였다(도 3).
2) 오사카 대학교 - Al2O3의 grain 내부에 분산된 BN에 의한 Al2O3/BN nanocomposite 구현을 통해 기존의 Al2O3 세라믹 구조의 성능을 유지할 뿐 아니라 파괴 강도 및 stress에 의한 변형률을 개선하였다(도 4).
3) 고려대 - HfOx와 1,6-bis(trimethoxysilyl)hexane의 비율을 달리하여 혼합 구조의 절연막을 형성함으로 HfOx에 비해 절연 성능 향상을 확인하였다(도 5).
4) 한국전자부품연구원 - 실온에서 deep-ultraviolet photochemical activation을 이용하여 동작 안정성이 높고 고 성능의 metal-oxide TFT 구현 그림이다(도 6).
PECVD(Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition) 기술과 두 개의 회전 드럼 전극 사이에 배치된 DBD(Dielectric Barrier Discharge)의 플라즈마 기술을 활용한 기술을 사용하여 수분 차단 필름을 개발하였다.
5) 타이완 Chiao Tung 대학교 - Microwave annealing을 이용하여 성능 및 신뢰성이 우수한 IGZO-TFT 개발하였다(도 7).
현재 박막 형성을 위한 공정은 대부분 CVD(Chemical Vapor Deposition)나 ALD(Atomic Layer DEposition)와 같이 고온 및 고 비용 진공 장비를 이용하여 이루어졌다. 그러나, 본 발명에서는 비용이 많이 들지 않고 단순한 공정과정을 지닐 뿐 아니라 높은 균일도를 비롯하여 대면적 생산을 확보할 수 있는 용액 공정 기술을 이용하여 박막을 제작하였다.
도 8은 용액 공정 spin coating 방법을 이용한 박막 형성(자료 출처, http://slideplayer.com/slide/10599438/) 과정을 보인 도면이다.
기존에 높은 기계적 안정성 및 고 밴드갭을 보유한 high-k 물질 Al2O3 절연막을 기반으로 하여 많은 TFT 제작이 이루어졌다. 그러나, 절연 박막 내 높은 산소 결함 비율로 인해 소자의 신뢰성 측면과 성능에 있어 한계를 보임을 알 수 있다. 본 특허에서 사용된 용액 공정기반 하이브리드 Al2O3/BN 절연막은 기존의 Al2O3 박막의 산소 결함 밀도를 현저하게 줄임으로 누설 전류 및 유전 상수 특성이 개선되는 경향을 볼 수 있었다. 이를 토대로, 보다 높은 신뢰성 및 우수한 성질의 절연 박막을 이용하였을 때 더 좋은 성능의 IGZO-TFT가 구현되었음을 알 수 있다.
도 9는 하이브리드 Al2O3/BN 박막의 (a) 누설 전류 특성, (b) 유전 상수, 하이브리드 Al2O3/BN 절연막 기반의 IGZO-TFT의 (c) transfer characteristics, (d) output characteristics을 보인 도면이다.
또한, 용액 공정 기반의 TFT는 주로 장 시간동안의 열전도에 의해 활성화된 열에너지를 통하여 제작되기 때문에 높은 공정 온도와 긴 시간을 필요로 한다. 본 발명에서는 고 에너지를 갖는 전자파 조사를 이용한 microwave annealing 방법을 통하여 고 품질 소자의 성능을 유지하면서 공정 온도를 낮추고 시간을 단축시키며 기존의 한계점을 극복하였다. 상업화의 측면에 있어서, 매우 실용적이고 높은 잠재력을 가지고 있음을 드러낸다.
도 10은 thermal annealing 및 microwave annealing 공정의 열 전도에 대한 모식도[출처: B. Jung, K. Kim, and W. Kim, "Microwave-assisted solvent vapor annealing to rapidly achieve enhanced perfromance of organic photovoltaics", J. Mater. Chem. A, 2(36), pp. 15175-15180 (2014)]이다.
이와 관련된 선행기술1로써, 특허 등록번호 10-03195710000에서는 도프된 금속 산화물 유전 물질과 이러한 물질로 만들어진 전자 소자들이 공개되어 있다. 금속 산화물은 그룹 III 또는 그룹 V 금속 산화물(예: Al2O3, Y2O3, Ta2O5, 또는 V2O5)이며, 그리고, 금속 도펀트는 그룹 IV물질(Zr, Si, Ti, Hf)이다. 금속 산화물은 약 0.1 중량 퍼센트에서 30 중량 퍼센트의 도펀트를 포함하고 있다. 본 발명의 도프된 금속 산화물 유전체는 수 많은 다른 전자 소자들과 장치들내에서 사용된다. 예를 들면, 도프된 금속 산화물 유전체는 MOS 장치에 대한 게이트 유전체로 사용된다. 도프된 금속 산화물 유전체는 또한 플래시 메모리 장치들에 대한 인터 폴리 유전 물질로서 사용된다.
이와 관련된 선행기술2로써, 특허 등록번호 10-14562370000에서는 "저온 공정을 이용한 산화물 박막 제조방법, 산화물 박막 및 그 전자소자"가 개시되어 있다. 산화물 박막 제조방법은 산화물 용액을 기판 상에 코팅하는 단계와 불활성 가스 분위기 하에서 상기 코팅된 산화물 용액에 자외선 조사하는 단계를 포함한다.
이와 관련된 선행기술3로써, 특허 공개번호 10-2017-0084753에서는 "산화물 박막 제조방법"에 관한 것으로, 저온 공정을 이용한 산화물 박막 제조방법, 산화물 박막, 및 그 전자소자가 공개 되어 있다. 저온 용액 공정으로 고성능의 기능성 산화물 박막을 용이하고 빠른 속도로 형성 할 수 있어 제조비용 및 제조시간을 대폭 단축하여 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.
이와 관련된 선행기술4로써, 특허 공개번호 10-2012-0103479에서는 "유무기 하이브리드 조성물, 유무기 하이브리드 절연막 및 이의 제조 방법이 공개되어 있다. 이 유무기 하이브리드 조성물은 절연특성이 우수하며 상분리가 일어나지 않으며 균일하게 분산된 상태를 가진다. 또한 이 유무기 하이브리드 절연막은 상기 유무기 하이브리드 조성물을 이용하여 형성되므로, 유기 성분과 무기 성분이 고르게 분산되므로, 우수한 절연특성을 가진다. 또한 이 유무기 하이브리드 절연막의 제조 방법은 고분자를 이용하여 대면적 및 저가형 습식 공정이 가능하다.
최근, 적은 비용으로도 전자 소자의 높은 균일도와 대면적 생산을 가능하게 하는 용액 공정 기술이 많은 비용과 매우 높은 공정 온도를 요구하는 진공 공정을 대체하는 기술로서 크게 주목 받고 있다. 현재, 이 기술을 활용하여 고 유전 재료인 Aluminum oxide (Al2O3)를 기반으로 하는 dielectric film과 더불어 높은 투명도 및 우수한 전하 전이 특성을 보유하는 산화물 반도체 물질인 IGZO(Induim gallium zinc oxide)를 활성층으로 이용한 IGZO-TFT가 다양한 전자 산업 및 디스플레이 업계에 널리 활용되고 있다. 그러나, 실제 용액 공정(solution process) 기반의 Al2O3 dielectric은 고 밴드갭(6.4~6.9 eV)과 높은 기계적 강도를 보이고 표면이 매우 균일한 박막 특성을 가지고 있으나 내부에 산소 공공(oxygen vacancy)에 의한 결함 상태(defected state)에 의해 고품질 소재 구현 및 소자 신뢰성 측면에서 한계점이 있으며 기존의 전기적, 물질적 특성을 향상시키고자 하는 연구가 많이 이루어지고 있다. 이를 위해 다른 물질과 합성하여 형성되는 하이브리드 복합 물질 기반의 dielectric 개발을 위한 관심이 높아지고 있다.
이에 우리는 기존의 Al2O3에 훌륭한 기계적 안정성을 비롯하여 높은 산화 저항력 및 우수한 열적 안정성을 지닌 저 유전 재료 boron nitride(BN, 질화 붕소)와의 하이브리드 복합 구조 기반의 박막을 형성하여 본래 가지고 있던 한계를 극복하고 절연 성능 개선을 위한 연구를 진행하였다. 특히, BN의 합성에 의해 Al2O3의 박막 표면상 거칠기 및 상태에 거의 영향을 주지 않고도 고성능 절연 박막의 구현에 대해서는 현재까지 보고된 바가 거의 없는 실정이다. 그렇기에 관련 기술 확대 및 국제적인 기술의 확보에 있어서도 사업화에 대한 기대 효과가 클 것으로 전망된다. 그러나 실제로 기존 용액 공정 기반의 고품질 하이브리드 복합 구조의 dielectric 및 그것을 기반으로 하는 TFT 제작 과정에 있어서 고온 및 장시간이 요구되었다. 더 나아가 본 발명은 성능을 유지하면서 단 시간 내에 실온에서 제조 가능한 공정 방법을 고안함으로써 공정 최적화 과정을 통해 제작된 고품질 하이브리드 Al2O3/BN 절연 박막 및 이를 기반으로 한 IGZO-TFT의 개발을 목표로 한다.
기존 TFT 제작 과정은 기존 CVD 및 ALD 등의 고가의 진공(Vacuum) 장비가 사용되고 1000oC 이상의 고온이 요구되는 소자 공정시에 고 유전 aluminum oxide(Al2O3) 절연 박막을 기반으로 하여 널리 진행되어왔다.
그러나, Al2O3 내부의 높은 산소 결함 밀도에 의해 고품질 전자 소자 구현 및 신뢰성 측면에서 한계를 보이고 있다. 현재 용액 공정 기반의 TFT 제작 과정은 높은 어닐링 온도 및 긴 시간을 요구한다.
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종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 기존의 CVD(Chemical Vapor Deposition) 및 ALD(Atomic Layer Deposition) 등의 고가의 진공 장비가 사용되고 1000oC 이상의 고온을 필요로 하는 TFT 소자 구현 방법과 달리, 공기중에서 저온 공정(low temperature in an ambient atmosphere)에서 용액 공정에 의해 박막 소자 제작이 가능하며, 기존 고 유전체 재료인 Al2O3에 높은 기계적 안정성과 산화 저항력 등을 보유한 저 유전체 재료 boron nitride(BN)와의 하이브리드 복합 구조 기반의 박막 형성을 통해 기존의 한계(Al2O3 내부의 높은 산소 결함 밀도에 의해 고품질 전자 소자 구현 및 신뢰성 측면에서 한계)를 극복하면서 개선된 성능을 제공하며, i) Al2O3에 BN의 합성에도 매우 균일하고 깨끗한 박막 표면 상태를 보유하며, ii) 산소 결함 밀도가 현저히 감소되고, 하이브리드 Al2O3/BN 박막(절연 박막) 내 줄어든 산소 결함 밀도에 의해 iii) 하이브리드 Al2O3/BN 박막(절연 박막)의 누설 전류 및 유전 상수 값이 개선되며, 향상된 성능의 고품질의 최적화된 저온 용액 공정 방법을 사용하여 유사한 성능을 지닌 Induim gallium zinc oxide(IGZO) thin film transistor(TFT)의 특성을 향상시키는, 고성능 IGZO TFTs를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연막 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, Al2O3/BN 절연막을 갖는 IGZO TFT는 게이트 전극이 형성된 기판; 상기 기판에 공기중에서 용액 공정(solution process)을 사용하여 박막 스핀 코팅을 사용하여 증착되고, 어닐링(annealing) 과정을 통해 박막이 형성된 상기 Al2O3에 BN(boron nitride)을 합성한 하이브리드 Al2O3/BN 절연층; 상기 용액 공정을 사용하여 박막 스핀 코팅을 사용하여 상기 하이브리드 Al2O3/BN 절연층 위에 증착되고, 어닐링(annealing) 과정을 통해 박막이 형성된 IGZO(Induim gallium zinc oxide) 활성층; 및 상기 하이브리드 Al2O3/BN 박막 위 E-beam evaporation을 이용하여 50nm의 알루미늄(Al)의 금속이 증착된 소스, 드레인 전극을 포함한다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위해, 고성능 IGZO TFTs를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연막 제조 방법은 (a) 기판을 클리닝하고, 상기 기판의 유기물 및 불순물 제거 및 절연 박막 코팅을 위한 기판을 친수성화하는 단계; (b) 공기중에서 용액 공정(solution process)을 사용하여 박막 스핀 코팅을 사용하여 상기 Al2O3에 BN(boron nitride)을 합성한 하이브리드 Al2O3/BN 절연층을 상기 기판에 증착하고, 어닐링(annealing) 과정을 통해 박막을 형성하는 단계; (c) 상기 용액 공정을 사용하여 박막 스핀 코팅을 사용하여 IGZO(Induim gallium zinc oxide) 활성층을 형성된 하이브리드 Al2O3/BN 절연층 위에 증착하고, 어닐링(annealing) 과정을 통해 박막을 형성하는 단계; 및 (d) MIM(Metal-Insulator-Metal) 구조로 제작되며, 상기 하이브리드 Al2O3/BN 박막 위 E-beam evaporation을 이용하여 알루미늄(Al)의 금속을 증착하고 소스, 드레인 전극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 기판은 하이 도핑된 실리콘(Highly doped Si) 기판을 사용하며, 게이트 전극이 형성된다.
본 발명에 따른 고성능 IGZO TFTs를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연막 제조 방법은 기존의 CVD 및 ALD 등의 고가의 진공(Vacuum) 장비가 사용되고 1000oC 이상의 고온을 필요로 하는 TFT 소자 구현 방법과 달리, 대기중에서 저온 공정(low temperature in an ambient atmosphere)에서 용액 공정(solution process)에 의해 박막 소자 제작이 가능하며, 기존 고 유전체 재료인 Al2O3에 높은 기계적 안정성과 산화 저항력 등을 보유한 저 유전체 재료 boron nitride(BN, 질화 붕소)와의 하이브리드 복합 구조 기반의 박막 형성을 통해 기존의 한계(Al2O3 내부의 높은 산소 결함 밀도에 의해 고품질 전자 소자 구현 및 신뢰성 측면에서 한계)를 극복하면서 개선된 성능을 제공하며, i) high-k Al2O3에 low-k BN의 합성에도 매우 균일하고 깨끗한 박막 표면 상태를 유지하며, ii) 절연막의 누설 전류 및 유전 상수 값의 개선을 보이며, iii) 산소 결함 밀도가 현저히 감소되며, 절연 박막 내 줄어든 산소 결함 밀도에 의해 향상된 고품질 소재의 높은 잠재력을 다루며, 최적화된 저온 용액 공정 방법을 사용하여 유사한 성능을 지닌 Induim gallium zinc oxide(IGZO) thin film transistor(TFT)의 특성을 향상시키는, 고성능 IGZO TFTs를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연막 제조 방법을 제공하였다.
또한, 기존 CVD 및 ALD 등의 고가의 진공(Vacuum) 장비가 사용되고 1000oC 이상의 고온이 요구되는 소자 공정과 달리, 공기 중에서 저온 공정(low temperature in an ambient atmosphere)에서의 용액 공정 기술을 이용하여 박막 소자를 제작하며, 단순한 공정 과정을 통한 공정 프로세스 시간이 절약되며, 저비용의 장비를 이용한 공정을 제시하고, 높은 균일도 및 대면적, 대량 생산에 적합하여 상업화에 매우 유리하다.
기존 용액 공정 방법으로 제작된 소자의 성능을 유지하면서 단 시간 동안 실온에서 제조 가능한 공정 방법을 제공한다. 다시 말해, 마이크로파 조사(microwave irradiation)로부터 상대적으로 더 높은 에너지는 용액-공정처리 된 재료적인 특성 저하에 상관없이 공정 온도(process temperature)를 낮추고 구조적 통합을 위한 요구된 공정 시간을 단축시킬 수 있다.
도 1은 산화물 반도체 기반의 TFT가 디스플레이 패널의 핵심 부품으로 사용되는 LTPS 및 Oxide TFT의 년도별 시장 조사 동향을 나타낸 그래프이다.
도 2는 LCD 디스플레이 산업에서 LTPS, Oxide TFT, a-Si, Organics의 Radar Chart이다.
도 3은 북경 칭화대학교-용액 공정 방법을 이용한 high-k 물질 Al2O3 기반의 고성능 metal oxide TFT 구현 그림이다.
도 4는 오사카 대학교 Al2O3의 grain 내부에 분산된 BN에 의한 Al2O3/BN nanocomposite 구현을 통해 기존의 Al2O3 세라믹 구조의 성능을 유지할 뿐 아니라 파괴 강도 및 stress에 의한 변형률을 개선하였다.
도 5는 고려대 - HfOx와 1,6-bis(trimethoxysilyl)hexane의 비율을 달리하여 혼합 구조의 절연막을 형성함으로 HfOx에 비해 절연 성능 향상 확인 그림이다.
도 6은 한국전자부품연구원 - 실온에서 deep-ultraviolet photochemical activation을 이용하여 동작 안정성이 높고 고 성능의 metal-oxide TFT 구현 그림이다.
도 7은 타이완 Chiao Tung 대학교 - Microwave annealing을 이용하여 성능 및 신뢰성이 우수한 IGZO-TFT 개발 그림이다.
도 8은 용액 공정 spin coating 방법을 이용한 박막 형성(자료 출처, http://slideplayer.com/slide/10599438/) 과정을 보인 도면이다.
도 9는 하이브리드 Al2O3/BN 박막의 (a) 누설 전류 특성, (b) 유전 상수, 하이브리드 Al2O3/BN 절연막 기반의 IGZO-TFT의 (c) transfer characteristics, (d) output characteristics을 보인 도면이다.
도 10은 thermal annealing 및 microwave annealing 공정의 열 전도에 대한 모식도[출처: B. Jung, K. Kim, and W. Kim, "Microwave-assisted solvent vapor annealing to rapidly achieve enhanced perfromance of organic photovoltaics", J. Mater. Chem. A, 2(36), pp. 15175-15180 (2014)]이다.
도 11은 (a) BN의 농도에 따라 달라지는 하이브리드 Al2O3/BN 용액 (b) 용액 공정 기반 하이브리드 Al2O3/BN dielectric의 소자 모식도이다.
도 12는 박막의 표면 거칠기를 나타내는 AFM image ((a) : Al2O3, (b) Al2O3/BN (100:1), (c) Al2O3/BN (100:4), (d) Al2O3/BN (100:10)), 박막의 표면 상태 및 두께를 나타내는 SEM image (e) Al2O3, (f) Al2O3/BN (100:1), (g) Al2O3/BN (100:4), (h) Al2O3/BN (100:10))이다.
도 13은 하이브리드 Al2O3/BN 절연 박막의 (a) gate voltage에 따른 누설 전류, (b) BN의 구성비에 따른 유전 상수, (c) C-V 특성 곡선, (d) 주파수에 따른 캐패시턴스 값이다.
도 14는 BN의 비율 ((a) Al2O3, (b) Al2O3 : BN (100:1), (c) Al2O3 : BN (100:4), (d) Al2O3 : BN (100:10))에 따라 제조된 하이브리드 Al2O3/BN 절연 박막의 XPS spectra이다.
도 15는 (a) 용액 공정 기반의 thermal annealing과 microwave annealing에 의해 제조된 Al2O3 및 하이브리드 Al2O3/BN (100:10) 절연 박막의 소자 모식도와 광학 이미지, (b) 제작된 소자의 투과율 정보이다.
도 16은 용액 공정 기반 thermal annealing에 의해 제조된 (a) Al2O3, (b) 하이브리드 Al2O3/BN 박막의 XPS spectra, microwave annealing에 의해 제조된 (c) Al2O3, (d) 하이브리드 Al2O3/BN 박막의 XPS spectra이다.
도 17은 thermal annealing으로 제작된 Al2O3 및 하이브리드 Al2O3/BN 박막의 (a) transfer, (b) output 특성 곡선, microwave annealing으로 제작된 Al2O3 및 하이브리드 Al2O3/BN 박막의 (c) transfer, (d) output 특성 곡선이다.
도 18은 용액공정 기반 Al2O3, 하이브리드 Al2O3/BN 절연 박막 및 IGZO 증착 과정을 보인 도면이다.
도 19는 (a) Al2O3/BN 복합 유전체를 갖는 용액 처리 IG-ZO-TFT의 도식 단면, 및 (b) 용액-공정처리 된 Al2O3/BN 복합체 막의 AFM 이미지이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 고성능 IGZO TFTs를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연막 제조 방법은 기존의 CVD 및 ALD 등의 고가의 진공(vacuum) 장비가 사용되고 1000oC 이상의 고온을 필요로 하는 TFT 소자 구현 방법과 달리, 공기중에서 저온 공정(low temperature in an ambient atmosphere)에서 용액 공정(solution process)에 의해 박막 소자 제작이 가능하며, 기존 고 유전체 재료인 high-k Al2O3에 높은 기계적 안정성과 산화 저항력 등을 보유한 저 유전체 재료 인 low-k boron nitride(BN, 질화 붕소)와의 하이브리드 복합 구조 기반의 박막 형성을 통해 기존의 한계(Al2O3 내부의 높은 산소 결함 밀도에 의해 고품질 전자 소자 구현 및 신뢰성 측면에서 한계)를 극복하면서 개선된 성능을 제공하며, i) high-k Al2O3에 low-k BN의 합성에도 매우 균일하고 깨끗한 박막 표면 상태를 유지하며, ii) 산소 결함 밀도가 현저히 감소되고, 하이브리드 Al2O3/BN 박막(절연 박막) 내 줄어든 산소 결함 밀도에 의해 iii) 하이브리드 Al2O3/BN 박막(절연 박막)의 누설 전류 및 유전 상수 값이 개선되며, 향상된 성능의 고품질의 최적화된 저온 용액 공정 방법을 사용하여 유사한 성능을 지닌 Induim gallium zinc oxide(IGZO) thin film transistor(TFT의 특성을 향상시키는, 고성능 IGZO TFTs를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연막 제조 방법을 제공한다.
1) 공기중에서 저온 공정(low temperature in an ambient atmosphere)에서 용액 공정(solution process)을 기반 microwave annealing을 사용한다.
2. high-k dielectric인 aluminum oxide (Al2O3) 절연막에 boron nitride (BN)를 합성한 복합 재료를 혼입하여 하이브리드 Al2O3/BN 박막(절연 박막)을 사용하였다. (기존에 Al2O3/BN은 보고되었지만 저온 용액 공정 기반의 복합 재료 절연막은 처음 제시된 것이다)
3) 최적화된 용액 공정 방법을 적용하여 효과적이면서도 실용적인 고품질의 박막 제작(concentration, spin-speed 등을 통해 두께 및 절연 특성을 control 할 수 있다)
4) 용액 공정 기반의 산화물 반도체 박막 트랜지스터 (IGZO TFT)에 적용(산화물 반도체 뿐만 아니라 저온 용액 공정 기반의 다양한 반도체 소자에 적용이 가능하다)
5) XPS 분석을 통해 산소 결함 상태(defect states)가 상대적으로 줄어들었음을 확인하였다(M-O 결합을 통해 고품질 박막의 origin을 확인함)
도 11은 (a) BN의 농도에 따라 달라지는 하이브리드 Al2O3/BN 용액 (b) 용액 공정 기반 하이브리드 Al2O3/BN dielectric의 소자 모식도이다. 이는 고품질 하이브리드 Al2O3/BN 절연 박막 제작을 위하여 제조된 용액 및 소자 구조를 나타낸 것이다. Al2O3과 BN 두 종류의 절연 물질 powder의 혼합 비율은 100:0, 100:1, 100:4, 100:10으로 각각 다르게 구성하였다. 그림에 도시된 바와 같이, 합성된 용액이 BN의 농도 증가에 따라 불투명해지는 것을 관찰할 수 있다.
도 12는 박막의 표면 거칠기를 나타내는 AFM image ((a) : Al2O3, (b) Al2O3/BN (100:1), (c) Al2O3/BN (100:4), (d) Al2O3/BN (100:10)), 박막의 표면 상태 및 두께를 나타내는 SEM image (e) Al2O3, (f) Al2O3/BN (100:1), (g) Al2O3/BN (100:4), (h) Al2O3/BN (100:10))이다. 도 12는 서로 다른 혼합 비율에 따라 제작된 하이브리드 Al2O3/BN dielectric의 표면 및 두께 분석을 위하여 측정된 원자 현미경(AFM, atomic force microscopy) 및 주사 전자 현미경(SEM, scanning electron microscopy) 이미지이다. 분석 결과, 모든 박막에서 불순물 입자 없이 표면의 거칠기가 대략 0.1nm 근처라는 것을 알 수 있으며 이를 통하여 균일한 박막 형성을 유도하는 용액공정 기술을 사용하였을 때, BN의 합성이 Al2O3 dielectric의 표면 상태에 전혀 영향을 주지 않음을 확인할 수 있다. 또한, Al2O3에 BN 합성 비율이 높아지더라도, 모든 박막의 두께가 ~30 nm 임을 보았을 때, 거의 차이를 보이지 않는 것을 통해 하이브리드 박막이 형성될 때 BN이 성공적으로 합성되었음을 알 수 있다.
도 13은 하이브리드 Al2O3/BN 절연 박막의 (a) gate voltage에 따른 누설 전류, (b) BN의 구성비에 따른 유전 상수, (c) C-V 특성 곡선, (d) 주파수에 따른 캐패시턴스 값이다. 이는 고 유전 하이브리드 Al2O3/BN 절연 박막의 누설전류 및 캐패시턴스를 나타낸다. 분석 결과, 하이브리드 Al2O3/BN 절연 박막의 누설 전류 수치가 기존의 Al2O3 박막과 비교하였을 때 3 V에서 최대 100배 정도 줄어들었음을 알 수 있다. 이를 통해 100:10의 혼합 비율을 갖는 용액 공정 기반의 Al2O3/BN 절연 박막은 많은 장비와 비용이 요구되는 진공 공정(vacuum process)을 사용하여 제작된 고품질 Al2O3 박막과 비교할 때 충분히 경쟁력이 있음을 나타낸다. 또한, Al2O3에 저 유전 상수를 갖는 질화붕소(BN, boron nitride)의 합성에 의해 유전 상수 변화를 관찰하기 위해 캐패시턴스를 측정하였다. 아래의 수식을 사용하여 유전 상수 값을 계산한 결과, 6.04의 유전상수를 갖는 기존의 Al2O3 박막과 비교하여 증가되는 경향을 보이게 됨을 알 수 있다. (Al2O3 : BN (100:1) - 7.08, Al2O3 : BN (100:4) - 7.02, Al2O3 : BN (100:10) - 7.49)
Figure pat00001
여기서, C는 정전 용량, ε0는 진공 상태의 유전 상수, εr는 유전 상수, d는 금속 사이의 거리, A는 전극 면적이다.
이 결과를 바탕으로 고 유전체 하이브리드 Al2O3/BN 소재가 용액공정을 기반으로 한 고성능의 트랜지스터 및 전하 용량 캐패시터를 구현하는 데 있어서 핵심 기술이 개발될 것으로 보인다. 실제 캐패시턴스 값을 비교해보았을 때 BN의 농도에 관계없이 캐패시턴스 값의 차이가 거의 나지 않음을 알 수 있으며, 주파수의 변화에 반응하는 전하의 수가 줄어들게 되어 주파수의 증가에 따라 감소되는 경향을 보이게 된다.
용액 공정 기반의 하이브리드 Al2O3/BN 박막의 향상된 절연 특성은 Al2O3에 BN의 합성에 의해 Al2O3 절연막의 결함 상태를 나타내는 산소 공공 비율이 감소된다. X-ray photoelectron spectroscopy(XPS) 분석을 통해 기존 Al2O3 박막의 금속-산화물 결합 형태의 비율이 44.22%인 반면에, Al2O3에 BN의 합성에 따라 크게 증가되었음을 보여준다. (Al2O3 : BN (100:1) - 69.11%, Al2O3 : BN (100:4) - 72.86%, Al2O3 : BN (100:10) - 71.99%) 이를 통해, BN의 합성에 의한 산소 공공 밀도의 감소가 유전 상수 및 누설 전류의 개선에 영향을 준다.
도 14는 BN의 비율((a) Al2O3, (b) Al2O3 : BN (100:1), (c) Al2O3 : BN (100:4), (d) Al2O3 : BN (100:10))에 따라 제조된 하이브리드 Al2O3/BN 절연 박막의 XPS spectra이다.
위의 결과를 바탕으로, 하이브리드 고 유전 Al2O3/BN 박막의 높은 잠재성이 충분히 입증되었다. 본 발명은 배경 내용에서 언급되었던 것처럼 실온 공기중에서 단 시간을 필요로 하는 마이크로 어닐링(microwave annealing) 공정 방법을 이용하여 하이브리드 Al2O3/BN 박막의 제조에 대한 연구가 이루어졌다.
도 15는 (a) 용액 공정 기반의 thermal annealing과 microwave annealing에 의해 제조된 Al2O3 및 하이브리드 Al2O3/BN (100:10) 절연 박막의 소자 모식도와 광학 이미지, (b) 제작된 소자의 투과율 정보이다. 이는 고온을 요구하는 thermal annealing 공정과 실온에서 이루어지는 microwave annealing 공정으로 제작된 하이브리드 Al2O3/BN 박막의 transmittance(투과율) 측정 결과를 나타낸다. BN의 합성 유무와 공정 방법에 관계없이 모든 박막이 bare glass 기판의 투과율(~91%)과 유사한 높은 수치를 보임을 알 수 있었다. 이 결과를 통해, Al2O3 박막의 광학적인 특성이 BN의 합성에 투과율(transmittance)이 영향을 받지 않았으며, 단순하고 고 신뢰성의 microwave annealing 공정이 균일한 BN의 합성을 유도함을 알 수 있다.
도 16은 thermal annealing 및 microwave annealing으로 제작된 하이브리드 Al2O3/BN 박막의 XPS 측정 분석 결과를 나타낸다. 본 분석을 위하여 제조된 박막은 모두 bilayer로 형성되었다. 앞선 발명에서의 XPS 분석과 마찬가지로 하이브리드 Al2O3/BN 박막의 금속-산화물 결합의 비율이 기존의 Al2O3 박막과 비교하여 높게 나타났으며, 이는 마이크로웨이브 어닐링(microwave annealing) 공정으로 제작된 소자에도 유효하였다. 이는 곧 구조적 불완전함을 유도하는 박막 내 결함 밀도가 줄어들게 되었음을 의미한다. 그리고 주목할 점은 실온에서 제작된 Al2O3 및 Al2O3/BN 박막의 금속-산화물 결합 비율이 1000℃ 이상의 고온이 요구되는 공정으로 제작된 박막과 비교하였을 때 거의 유사하다는 것을 알 수 있다.
(Thermal annealing - Al2O3 : 75.55 %, Al2O3/BN : 81.88%)
(Microwave annealing - Al2O3 : 75.11%, Al2O3/BN : 76.91%)
다시 말해, 마이크로웨이브 어닐링(microwave annealing)의 경우 마이크로웨이브 조사(microwave irradiation)로부터 형성되는 높은 에너지가 박막의 품질 저하 없이 공정 온도를 낮추고 시간을 줄이면서 매우 효율적인 공정 방법이라는 것을 알 수 있다.
도 17은 thermal annealing으로 제작된 Al2O3 및 하이브리드 Al2O3/BN 박막의 (a) transfer, (b) output 특성 곡선, microwave annealing으로 제작된 Al2O3 및 하이브리드 Al2O3/BN 박막의 (c) transfer 특성 곡선, (d) output 특성 곡선이다. 위에 언급된 두 가지 annealing 방법에 의해 제조된 두 종류의 절연 박막을 기반으로 한 IGZO-TFT의 transfer curve와 output curve를 나타낸다. 측정 결과, 기존 Al2O3 박막 기반의 IGZO-TFT와 비교하여 하이브리드 Al2O3/BN 박막 기반의 IGZO-TFT의 경우, 점멸비(on/off current ratio) 뿐 아니라 threshold voltage 및 S.S.(subthreshold swing)이 우수함을 드러내었다. 이는 절연막의 향상된 절연 성능 및 줄어든 결함 밀도에 기인한다. 이러한 개선은 실온에서 진행된 microwave annealing의 경우 비슷하게 이루어졌으며 thermal annealing으로 제작된 소자와 비교하였을 때 충분히 경쟁력 있는 성능을 보이게 됨을 알 수 있다. 이를 통해 고품질 전자 소자 구현을 하는데 있어서, 실온에서 이루어지는 microwave annealing 공정이 매우 실용적이고 높은 잠재력을 가지고 있음을 시사한다.
도 18은 용액공정 기반 Al2O3, 하이브리드 Al2O3/BN 절연 박막 및 IGZO 증착 과정을 보인 도면이다.
[공정 방법]
[1] 기판의 유기물 및 불순물 제거 & 절연 박막 코팅을 위한 기판 친수성화
1) 아세톤, 메탄올, IPA를 이용하여 각 10분 동안 초음파 세척을 통한 기판 클리닝
2) 클리닝 후, UV 오존 처리(UV ozone treatment)를 사용하여 기판의 표면 친수성화
[2] 용액 공정 - 절연층 증착
1) 스핀 코팅(spin coating)을 사용하여 Al2O3 및 하이브리드 Al2O3/BN 절연층을 기판에 증착
2) furnace 및 microwave 장비를 이용하여 annealing 과정을 통한 박막 형성
[3] 용액 공정 - 활성층 증착
1) 스핀 코팅(spin coating)을 사용하여 IGZO 활성층을 형성된 절연층 위에 증착
2) furnace 및 microwave 장비를 이용하여 annealing 과정을 통한 박막 형성
* 박막 spin coating 조건
1) Al2O3 및 하이브리드 Al2O3/BN : 45초 동안 6000rpm
2) IGZO 활성층 : 45초동안 4000rpm
* 박막 annealing 조건
1) thermal annealing : 1시간 동안 400 ℃로 가열
2) microwave annealing : 15분 동안 150 ℃로 가열
[4] 금속 증착
1) MIM(Metal-Insulator-Metal) 구조 제작 : Al2O3 및 하이브리드 Al2O3/BN 박막 위 E-beam evaporation을 이용하여 50nm의 aluminum (Al) 증착
2) TFT 구조 제작 : IGZO 박막 위 E-beam evaporation을 이용하여 50nm의 Al 증착을 통해 source, drain 전극 형성
본 발명의 고성능 IGZO TFTs를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연막 제조 방법은 (a) 기판을 클리닝하고, 상기 기판의 유기물 및 불순물 제거 및 절연 박막 코팅을 위한 기판을 친수성화하는 단계; (b) 용액 공정(solution process)을 사용하여 박막 스핀 코팅을 사용하여 상기 Al2O3에 BN(boron nitride)을 합성한 하이브리드 Al2O3/BN 절연층을 상기 기판에 증착하고, 어닐링(annealing) 과정을 통해 박막을 형성하는 단계; (c) 상기 용액 공정을 사용하여 박막 스핀 코팅을 사용하여 IGZO 활성층을 형성된 하이브리드 Al2O3/BN 절연층 위에 증착하고, 어닐링(annealing) 과정을 통해 박막을 형성하는 단계; 및 (d) MIM(Metal-Insulator-Metal) 구조를 제작되며, 상기 하이브리드 Al2O3/BN 박막 위 E-beam evaporation을 이용하여 50nm의 알루미늄(Al)의 금속을 증착하고 소스, 드레인 전극을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 기판은 하이 도핑된 실리콘(Highly doped Si) 기판을 사용하며, 게이트 전극이 형성된다.
(a) 상기 기판을 클리닝하고, 기판의 유기물 및 불순물 제거 및 절연 박막 코팅을 위한 기판을 친수성화하는 단계는, 아세톤, 메탄올, 이소프로필 알코올(IPA, isopropyl alcohol)을 이용하여 초음파 욕조에서 소정시간 동안 초음파 세척을 통해 기판을 클리닝하는 단계; 및 상기 기판을 클리닝 후, UV 오존 처리(UV ozone treatment)를 사용하여 기판의 표면을 친수성화하는 단계를 포함한다.
친수성화는 상기 기판을 클리닝 후, UV 오존 처리(UV ozone treatment)를 사용하여 마이크로웨이브 어닐링을 하여 기판의 표면을 친수성화한다.
(b) 상기 용액 공정(solution process)을 사용하여 박막 스핀 코팅을 사용하여 Al2O3 및 하이브리드 Al2O3/BN 절연층을 상기 기판에 증착하고, 어닐링(annealing) 과정을 통해 박막을 형성하는 단계는
상기 스핀 코팅(spin coating)을 사용하여 Al2O3 및 하이브리드 Al2O3/BN 절연층을 상기 기판에 증착하는 단계; 및 furnace 및 microwave 장비를 이용하여 어닐링(annealing) 과정을 통해 박막을 형성하는 단계를 포함한다.
(c) 상기 용액 공정을 사용하여 박막 스핀 코팅을 사용하여 IGZO 활성층을 형성된 하이브리드 Al2O3/BN 절연층 위에 증착하고, 어닐링(annealing) 과정을 통해 박막을 형성하는 단계는
상기 스핀 코팅(spin coating)을 사용하여 상기 IGZO 활성층을 형성된 상기 절연층 위에 증착하는 단계; 및 furnace 및 microwave 장비를 이용하여 어닐링(annealing) 과정을 통해 박막을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 박막 스핀 코팅은
상기 Al2O3 및 하이브리드 Al2O3/BN 박막을 45초 동안 6000rpm 회전수로 스핀 코팅하며,
상기 IGZO 활성층은 45초동안 4000rpm 회전수로 스핀 코팅한다.
실시예에서는, 상기 어닐링은 실온에서 마이크로웨이브 어닐링을 사용한다.
상기 어닐링 시에, 박막 어닐링(annealing) 조건은
열 어닐링(thermal annealing)은 1시간 동안 400℃로 가열하며,
마이크로웨이브 어닐링(microwave annealing)은 15분 동안 150 ℃로 가열한다.
(d) 상기 MIM(Metal-Insulator-Metal) 구조로 제작되며, 상기 Al2O3 및 하이브리드 Al2O3/BN 박막 위 E-beam evaporation을 이용하여 50nm의 알루미늄(Al)의 금속을 증착하고 소스, 드레인 전극을 형성하는 단계는,
MIM(Metal-Insulator-Metal) 구조로 제작되며, 상기 Al2O3 및 하이브리드 Al2O3/BN 박막 위에 E-beam evaporation을 이용하여 50nm의 알루미늄(Al)을 증착하는 단계; 및 상기 IGZO 박막 위 E-beam evaporation을 이용하여 50nm의 Al 증착을 통해 소스(source), 드레인(drain) 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 Al2O3 과 BN 두 종류의 절연 물질 powder의 혼합 비율은 100:0, 100:1, 100:4, 100:10으로 구성되어 혼입된다.
상기 하이브리드 Al2O3/BN 절연층은 상기 Al2O3 과 BN(low-k boron nitride) 두 종류의 절연 물질 powder의 혼합 비율은 100:0, 100:1, 100:4, 100:10을 각각 다르게 구성되어 혼입되며, BN 농도에 관계없이 용액-공정처리 된 하이브리드 Al2O3/BN 유전체 박막은 커패시턴스의 심각한 손실없이 양호한 주파수 응답을 갖는다.
상기 하이브리드 Al2O3/BN 절연층은 용액-공정처리 된 Al2O3 유전체 박막은 진공 처리(vacuum process) 된 Al2O3 유전체 박막과 비교하여 높은 누설 전류 레벨을 가지며, 용액-공정처리 된 Al2O3 유전체 박막의 누설 전류는 BN의 혼입에 의해 누설전류가 상당히 억제되며, 전류 레벨은 깨끗한 Al2O3 유전체 박막의 전류 레벨에 비해 3V에서 100배 감소하고, Al2O3 박막의 광학적인 특성이 BN의 합성에 투과율(transmittance)이 영향을 받지 않으며, i) Al2O3에 BN의 합성에도 매우 균일하고 깨끗한 박막 표면 상태를 유지하며, ii) 하이브리드 Al2O3/BN 박막의 산소 결함 밀도가 현저히 감소되고 iii) 하이브리드 Al2O3/BN 박막의 누설 전류 및 유전 상수 값이 개선된다.
Al2O3/BN 복합 유전체를 갖는 상기 IGZO-TFT는 구동 전류 및 점멸비(온 오프 전류 비율)가 증가하고 0V를 향한 임계 전압의 이동, 서브-임계값 스윙(sub-threshold swing, S.S.)의 감소하였으며, 전계 효과 이동도(field-effect mobility)가 어닐링 프로세스에 상관없이 3 배 증가되었고, 소자들의 모든 주요 지표들의 향상은 개선된 BN이 혼입된 용액-공정처리 된 Al2O3의 유전 특성(dielectric characteristics)에 기인하며, XPS 측정에 의해 발견된 Al2O3/BN 복합 막(Al2O3/BN composite films)에서 산소 결함 상태(reduced defect states)가 감소하여 전기적 특성이 향상되었다.
상기 Al2O3/BN 복합 유전체 막을 갖는 IGZO-TFT는 투과율(transmittance) 및 CV 측정 결과, BN을 Al2O3 막에 혼입시키는 것은 광학 특성을 저하시키지 않고 XPS 스펙트럼에서 Al-O 결합 상태(Al-O bonding states)의 분포로부터 상대적으로 더 적은 산소 결함 상태(fewer defect states)를 갖는 Al2O3/BN 복합체 막의 유전 특성(dielectric characteristics)을 향상시켰다.
(실시예1)
용액-공정처리 된 하이브리드 산화 알루미늄/붕소-니트라이드 박막의 향상된 유전 특성(Improved dielectric characteristics of solution-processed hybrid aluminum oxide/boron-nitride thin films)
1) 개요
하이브리드 재료 조성물은 전계 효과 트랜지스터(field-effect transistors) 및 저장 커패시터(storage capacitors)와 같은 다양한 전자 장치에 이용되는 유전체 막(dielectric films)의 전기적 특성을 개선하기위한 노력으로 광범위하게 연구되어왔다. 크게, 용액 기반 조성물(solution-based compositions)은 대 면적에서 진공 기반 공정(vacuum-based process)을 대체 할 수있는 매우 효과적이고 실용적인 기술로써 상당한 주목을 받고 있다. 여기에서는 현저한 유전 특성을 나타내는 ~ 30 nm 두께의 high-k 산화 알루미늄(high-k aluminum oxide, Al2O3)과 저 유전율 붕소 질화물(low-k boron nitride, BN)으로 구성된 용액-공정처리 된 하이브리드 복합 박막(solution-processed hybrid composite thin films)을 시연한다. 유전 상수(dielectric constant)의 손실이나 형태학적 거칠기(morphological roughness)의 저하없이 깨끗한 Al2O3 유전체 박막(Al2O3 dielectric film)에 비해 용액-공정처리 된 Al2O3/BN 박막의 누설 전류는 3V에서 100 배까지 감소하였다. X-선 광전자 분광학 측정(X-ray photoelectron spectroscopy measurements)에 의한 특징은 BN을 Al2O3 유전체 막에 혼입시키는 것이 결함 상태로 작용하는 산소 공공(oxygen vacancies)의 밀도를 감소시킴으로써 유전 특성(dielectric characteristics)을 향상시키는 것을 보여 주었다.
전자 제품의 유전체 재료로서 산화 알루미늄(aluminum oxide, Al2O3) 박막의 전기적 및 물질적 특성을 보강하려는 노력이 보고된 바 있다. Al2O3 박막은 넓은 밴드 갭(6.4 ~ 6.9eV), 우수한 기계적 경도, 상대적으로 높은 열전도도 및 매끄러운 표면 특성에 의해 우수한 유전 특성을 나타내는 high-k 유전체(high-k dielectrics)에 대해 널리 연구되어 왔다. 특히, 용액-공정처리 된 Al2O3 박막(solution-processed Al2O3 thin films)에 대한 큰 기대는 대 면적에 적합한 저비용 제조 공정에 의존한다. 그러나, Al2O3 박막의 산소 결손(oxygen vacancies)과 같은 결함 상태는 디바이스 성능 및 산업응용 분야에서 이러한 전자 장치의 신뢰성에 영향을 미치는 고품질 high-k 유전체 막에 대한 용액 공정 기술(solution-process technology)의 개발을 방해한다. 이러한 이유로 Al2O3 박막의 유전체 특성을 향상시키기 위해서는 다른 물질과의 복합체(composites)를 구성하는 방법이 있다. 이러한 노력 가운데, 하이브리드 재료 조성물(hybrid material compositions)은 개별 박막(thin films)의 고유 재료 특성의 한계를 극복하기 위해 집중적으로 연구되어 왔다. 그러나, 이러한 개선에 대한 많은 보고는 높은 제조 비용과 복잡한 공정으로 알려져있는 진공 기술(vacuum technology)에 기반을 두고 있다.
본 연구에서는 high-k Al2O3(high-k Al2O3)와 low-k boron nitride(BN)로 구성된 용액-공정처리 된 하이브리드 유전체 복합 박막(solution-processed hybrid dielectric composite thin films)의 잠재성을 입증했다. BN은 1 : 1의 비율로 붕소(boron)와 질소 원자(nitrogen atoms)로 구성되어 있으며, 다른 유전체 재료와 비교하여 높은 기계적 강도, 안정성, 높은 열 전도성, 높은 내 산화성 등 뛰어난 재료 특성에 의해 많은 첨단 분야에서 열심히 연구되어 왔다. 또한, BN은 약 6의 넓은 밴드 갭(wide band-gap), 3-4의 낮은 유전 상수 및 댕글링 본드(dangling bonds) 또는 트랩 상태(trap states)가 거의 없는 원자적으로 매끄러운 표면(atomically smooth surfaces)이 만들어지며, 특히 좋은 유전체 막(dielectric film)으로써 고성능 전자 다비이스에 사용된다. 농도 최적화로 간단한 용해 방법(dissolution method)을 사용하여 유전체 특성(dielectric characteristics)이 개선된 ~ 30nm 두께의 용액 처리 하이브리드 Al2O3/BN 박막(solution-processed hybrid Al2O3/BN thin films)을 얻을 수 있었다. 또한, 원자 현미경(AFM, atomic force microscopy), 주사 전자 현미경(SEM, scanning electron microscopy) 및 X- 선 광전자 분광법(XPS, X-ray photoelectron spectroscopy) 측정을 포함하는 특성화를 통해 이 조성물의 개선된 전기적 성능의 기원을 조사하였다. 이 연구는 저전압에서 동작하는 전계 효과 트랜지스터(FET) 및 저장 커패시터(storage capacitor)와 같은 다양한 디바이스를 위한 박막의 유전 특성을 향상시키게 된다.
2) 실험
도 11(a)는 질산 알루미늄 비수화물(aluminum nitrate nonahydrate)
(99.997 %, Sigma Aldrich)과 BN 분말(AC6013, MOMENTIVE)을 2-메톡시 에탄올(2-methoxyethanol)에 용해시켜 합성한 BN 농도가 다른 Al2O3/ 0.15 M). 두 가지 유형의 분말을 일정한 비율(질산 알루미늄 비수화물 분말(aluminum nitrate nonahydrate powder) 대 BN 분말(BN powder) 비율, 100:0, 100:1, 100:4 및 100:10)로 혼합하였다. 용액(solutions)의 균일성을 보장하기 위해, 깨끗한 Al2O3 용액(0.8M) 및 Al2O3/BN 용액을 실온에서 12시간 동안 자기적으로 교반하였다. 그림에서 알 수 있듯이, 합성된 용액(synthesized solutions)은 BN의 농도가 증가함에 따라 불투명하게 되어 BN 분말이 Al2O3 용액에 화학적으로 영향을 받지 않음을 나타낸다. 도 11(b)는 BN (Al2O3, Al2O3 : BN (100:1), Al2O3 : BN (100 : 4), Al2O3 : BN(100 : 10))의 농도가 다른 용액 처리 하이브리드 Al2O3/BN 유전체 박막의 개략도이다. 제작은 각각 10분 동안 초음파 욕조에서 아세톤, 메탄올 및 이소프로필 알코올(IPA, isopropyl alcohol)의 일반적인 유기 용매(organic solvents)로 세척한 후 저항이 0.01 Ω ·cm 인 고농도 실리콘 기판에서부터 시작된다.
습식 세정 공정(wet cleaning process) 후 자외선-오존(ultraviolet-ozone)에 20분 동안 노광(exposure)시켜 기판을 표면 처리하여 표면 에너지를 유리하게 변화시키고 용액 공정(solution process)에서 보다 친수성(hydrophilic)을 부여하였다. 그 후, 혼합 Al2O3/BN 유전체 박막을 6000 rpm의 회전 속도에서 45초 동안 스핀-코팅 법으로 증착한 후, 50℃에서 2분 동안 예비-소성시켰다. 예비 베이킹 공정(pre-baking process) 후에, 필름을 공기 중에서 2시간 동안 400℃에서 열적으로 어닐링시켰다(thermally annealed). 그 후, 패터닝 후 용액 공정처리 된 하이브리드 Al2O3/BN 유전체 막의 전기적 특성을 특성화하기 위해 약 10-6 torr의 진공 하에서 전자 빔 증착에 의해 50 nm 알루미늄 층을 증착시켰다. 이 연구에서 제작된 유전체 막(dielectric films)의 누설 전류(leakage current) 및 커패시턴스(capacitance)는 4155B 반도체 파라미터 분석기 및 대기 중 4284A LCR meter를 사용하여 측정되었다.
3) 결과
도 12 (a), (b), (c), (d)는 기존 깨끗한 Al2O3 유전체 박막(pristine Al2O3 dielectric thin film)의 AFM 측정 결과와 비교하여 용액-공정처리 된 Al2O3/BN 유전체 박막의 형태학적 특성을 보여준다. BN(Al2O3, Al2O3 : BN (100 : 1), Al2O3 : BN (100 : 4) 및 Al2O3 : BN (100 : 10))의 농도가 다른 Al2O3/BN 유전체 막의 표면 거칠기 값은 0.124nm, 0.115 nm, 0.125 nm 및 0.123 nm로 나타났으며, 이는 Al2O3 유전막의 표면 형태가 BN과의 결합에 영향을 받지 않음을 나타낸다. 하이브리드 Al2O3/BN 유전체 박막(hybrid Al2O3/BN dielectric thin films)의 평탄하고 매끄러운 표면은 BN이 Al2O3 용액(Al2O3 solutions)에 의해 화학적으로 영향을 받지 않는 용액 공정에 의한 균일한 혼합에 기인한다.
도 12 (e), (f), (g), (h)는 깨끗한 Al2O3 유전체 막의 농도와 비교하여, SEM으로 측정한 BN의 농도가 다른 용액-공정처리 된 Al2O3/BN 유전체 박막의 표면 형태를 보인다. 예상한 바와 같이, 사용된 BN 농도에 관계없이 용액-공정처리 된 하이브리드 Al2O3/BN 유전체 막에서 내부 또는 외부 입자(불순물 또는 도메인)가 없는 매우 깨끗한 표면이 관찰되었다.
도 12 (e), (f), (g) 및 (h)의 그림은 BN의 농도(Al2O3, Al2O3 : BN (100 : 1), Al2O3 : BN(100:4), Al2O3 : BN(100:10))가 다른 용액-공정처리 된 Al2O3/BN 유전체 박막의 두께를 나타낸다. 30nm의 두께를 갖는 깨끗한 Al2O3 유전체 막과 비교하여, 용액-공정처리 된 하이브리드 Al2O3/BN 유전체 막의 두께의 현저한 변화는 관찰되지 않았으며, 이는 BN 분말(BN powders)이 Al2O3 유전체 막(Al2O3 dielectric films)에 성공적으로 내재되었음을 의미한다. AFM 및 SEM 측정에 의해 결정된 형태학적 특성은 BN을 Al2O3 유전체 막에 혼합하여 하이브리드 재료를 구성하는 것이 공기 중에서 간단하고 효과적인 용액 공정(solution process)에 의해 실현된다는 것을 지원한다.
도 13 (a)는 BN의 농도가 다른 용액-공정처리 된 하이브리드 Al2O3/BN 유전체 박막의 인가 된 게이트 전압(V)에 대한 누설 전류(I)의 그래프이다. 유전 특성 중 낮은 누설 전류 레벨은 전계 효과 트랜지스터 및 저장 커패시터와 같은 고성능 전자 디바이스를 구현하는 데 있어서 핵심적인 요소이다. 일반적으로, 용액-공정 처리 된 Al2O3 유전체 박막은 진공 처리(vacuum process) 된 것과 비교하여 높은 누설 전류 레벨을 나타낸다. 그러나, 용액-공정처리(solution process) 된 Al2O3 유전체 박막의 누설 전류는 BN의 혼입에 의해 상당히 억제되었다. 전류 레벨은 깨끗한 Al2O3 유전체 박막의 전류 레벨에 비해 3V에서 100배 감소했다. Al2O3 : BN (100 : 10) 샘플에서의 누설 전류의 크기는 진공 처리 된 고품질의 Al2O3 유전체 박막(vacuum-processed high quality Al2O3 dielectric thin films)의 누설 전류와 비교할 만하다는 것에 주목해야 한다. 이러한 진보는 전하 밀도(charge density)에 영향을 주는 low-k BN 유전체(low-k BN dielectrics)의 결합에 의한 Al2O3 막의 유전 상수의 감소에 의한 것으로 추정할 수 있다. 이를 검증하기 위해 도 13(b)와 같이 1 KHz의 주파수에서 BN 농도가 다른 용액-공정처리 된 하이브리드 Al2O3/BN 유전체 박막의 정전 용량(capacitance)을 측정하였다. 각 유전체 막(dielectric film)의 유전 상수(dielectric constants)는 다음의 식으로 추출 하였다.
Figure pat00002
(1)
여기서, C는 커패시턴스(정전 용량), ε0는 진공 유전율, εr은 유전 상수, A는 금속 전극의 면적, d는 금속의 양면 사이의 거리이다. 도시된 바와 같이, 각 유전체 막(Al2O3, Al2O3 : BN (100 : 1), Al2O3 : BN (100 : 4), Al2O3 : BN (100 : 10))의 유전율은 각각 6.04, 7.08, 7.02, 및 7.49이고, 이는 Al2O3 막의 유전 상수가 저 유전율 BN 유전체의 혼입에 의해 감소되지 않음을 나타낸다. 또한, 용액-공정처리 된 하이브리드 Al2O3/BN 유전체 박막의 유전 상수는 BN의 농도에 따라 약간 증가하였다. 즉, Al2O3 용액의 BN 농도가 조심스럽게 최적화됨에 따라 Al2O3 박막의 고 유전율(high-k dielectric constant)은 BN의 낮은 유전 상수와의 하이브리드 물질 조성에 의해 감소되지 않았다. 도 13 (c)는 BN 농도가 다른 용액 처리 하이브리드 Al2O3/BN 유전체 박막의 커패시턴스(정전 용량)을 측정 주파수의 함수로 나타낸 것이다. 일반적으로, 유전체 막(dielectric films)의 커패시턴스(capacitance)는 주파수의 급격한 변화에 대응할 수 있는 전하의 수(number of charges)가 감소하기 때문에 주파수의 증가에 따라 감소된다. 주파수 대역의 증가에 따른 커패시턴스의 감소 비율은 100kHz 범위 내에 있다. BN 농도에 관계없이 용액-공정처리 된 하이브리드 Al2O3/BN 유전체 박막은 커패시턴스의 심각한 손실없이 양호한 주파수 응답을 나타냈다. 그러나, 주파수가 1MHz에 도달하면 심각한 커패시턴스 감소가 관찰되었다. 최적화 된 용액 공정(solution process)을 갖는 계면 공학(interfacial engineering)에 의해 고속 전자 디바이스용 용액-가공 하이브리드 Al2O3/BN 유전체 박막의 유전 특성(dielectric characteristics)을 향상시킬 여지가 여전히 남아있다. 특히, 하이브리드 Al2O3/BN 유전체 막에 대한 과량의 BN 농도는 전기적 특성뿐 아니라 형태학적 특성에 영향을 미친다. 이러한 이유로, ~ 30nm 두께의 용액-공정처리 된 high-k 막(solution-processed high-k films)의 높은 유전 특성을 구현하려면 하이브리드 재료 구성을 주의 깊게 최적화해야 한다.
다음으로, 용액-공정처리 된 하이브리드 Al2O3/BN 유전체 박막(solution-processed hybrid Al2O3/BN dielectric thin films)의 향상된 유전 특성(dielectric characteristics)은 BN의 결합을 통해 Al2O3 유전체 박막에서 결함 상태로 작용하는 억제된 산소 공공(suppressed oxygen vacancies)에 의해 설명될 수 있다. 산소 결손의 밀도(density of oxygen vacancies)에 관한 분석 연구를 위해, 용액-공정처리 된 하이브리드 Al2O3/BN 유전체 막의 XPS 측정이 수행되었다. 그림 4는 BN 농도가 다른 용액-공정처리 된 하이브리드 Al2O3/BN 유전체 박막의 O1s XPS 스펙트럼을 보여준다. ~ 530eV와 ~ 531.7eV를 중심으로 하는 피크는 Al-O와 Al-OH 결합 상태를 대표하는 것으로 잘 알려져 있다. 깨끗한 Al2O3 유전체 박막(44.22 %)의 Al-O 결합 상태의 비율과 비교하여, 용액-공정처리 된 하이브리드 Al2O3/BN 유전체 박막은 69.11 %의 높은 비율(Al2O3 : BN (100 : 1), Al2O3 : BN (100 : 4) 72.86 %, Al2O3 : BN (100 : 10) 71.99 %로 나타났다. 이 결과는 Al2O3 유전체 박막(Al2O3 dielectric thin film)의 산소 공공의 밀도(density of oxygen vacancies)가 상기 논의된 바와 같이 누설 전류(leakage current) 및 유전 상수(dielectric constant)의 개선된 유전 특성과 잘 일치하는 BN의 혼입에 의해 감소된다. 따라서, 용액-공정처리 된 하이브리드 Al2O3/BN 유전체 박막의 향상된 유전 특성(dielectric characteristics)은 깨끗한 Al2O3 유전체 박막과 비교하여 향상된 Al-O 결합 상태에 기인하여 유전체 막(dielectric films)의 전기적 특성에 관한 산소 결손(oxygen vacancies)의 영향을 억제한다고 결론지을 수 있다.
4) 결론
우리는 깨끗한 Al2O3 유전체 박막의 유전체 특성에 비해 개선된 유전 특성을 나타내는 ~ 30nm의 두께를 갖는 용액-공정처리 된 하이브리드 Al2O3/BN 유전체 박막(solution-processed hybrid Al2O3/BN dielectric thin films)을 시연했다. AFM 및 SEM 측정에 의한 형태학적 분석은 Al2O3 유전체 박막의 조도 및 두께가 BN의 혼입에 의해 상당히 영향을 받지 않음을 보여 주었다. 농도를 최적화 한 간단한 용해 방법(dissolution method)을 사용하여 용액-공정처리 된 하이브리드 Al2O3/BN 유전체 박막은 유전 상수(dielectric constant)의 손실없이 누설 전류(leakage current)를 감소시킨다.
또한, XPS 스펙트럼(XPS spectra)을 탐구하여 용액-공정처리된 하이브리드 Al2O3/BN 유전체 박막의 유전 특성의 향상의 원인을 조사했다. Al2O3 유전체 막 내의 감소된 산소 공공(oxygen vacancies)은 BN의 혼입에 의한 고유 물질 특성의 개선을 가져온다. Al2O3 유전막의 개선된 Al-O 결합 상태(Al-O bonding states)에 대한 BN 혼입 메커니즘에 대한 추가 연구는 다른 곳에서 보고될 것이다.
□ 실온에서 제작된 Al2O3/BN 복합 유전체를 이용한 고성능 용액-공정처리 된 IGZO 박막 트랜지스터(High-performance solution-processed IGZO thin-film transistors with Al2O3/BN composite dielectrics fabricated at room-temperature)
최근, 용액 공정(solution-process) 기술은 제조 비용과 관련하여 주목할만한 관심을 끌어 왔으며 다양한 전자 디바이스 및 회로에 대한 대면적 증착이 가능하다. 특히, 용액-공정처리 된 복합 유전체(solution-processed composite dielectrics)는 박막 트랜지스터(TFT)의 소자 성능을 향상시키기 위한 노력의 일환으로 철저히 검토 중이다. 여기에 상온에서 제조할 수 있는 high-k 유전체 막으로 용액-공정처리 된 산화 알루미늄(Al2O3) 및 질화 붕소(BN) 복합 막을 사용하는 용액-공정처리 된 인듐-갈륨-산화 아연(IGZO, ndium-gallium-zinc-oxide) TFT가 보고되었다. Al2O3/BN 복합 유전체(Al2O3/BN composite dielectrics)의 공정 조건을 최적화함으로써, IGZO TFT의 전계 효과 이동도(field-effect mobility)는 깨끗한 Al2O3 유전체(pristine Al2O3 dielectrics)에 비해 3배 증가했다. 이는 결함 상태의 감소된 밀도에 의해 용액-공정처리 된 Al2O3 막의 개선된 유전적 특성의 결과이다. 투과율(transmittance), X-선 광전자 분광법(XPS, X-ray photoelectron spectroscopy) 및 직류 전기 측정을 이용한 특성화는 극초단파 흡수에 의해 전자기적으로 여기 된 IGZO-TFT가 열적으로 에너지로 제조된 소자와 경쟁 디바이스의 성능을 나타냄을 최종적으로 입증한다. 400℃에서 가열(thermal heating)에 의해 활성화된다. 마이크로파 어닐링(microwave annealing)은 고온에서보다 신속한 반응을 이끌어 내며 공기 중 실온에서 제조된 용액-공정처리 된 금속 산화물 반도체(solution-processed metal-oxide semiconductors) 및 유전체(dielectrics)에 효과적이고 실용적인 접근법이 될 수 있다.
용액-공정처리 된 박막 트랜지스터(Solution-processed thin film transistors, TFTs)는 낮은 제조 비용과 대 면적 증착의 장점을 토대로 다양한 전자 응용 분야에서 광범위하게 사용된다. 금속 산화물 반도체(metal-oxide semiconductors) 및 유전체(dielectrics)를 기반으로 하는 용액-공정처리 된 TFT는 유용한 재료 특성에 의해 많은 보고가 있었다. TFT의 활성층 인 IGZO(indium-gallium-zinc-oxide)와 같은 비정질 금속 산화물 반도체(AOS, Amorphous metal-oxide semiconductors)는 큰 광학 밴드 갭(optical band gap, ~ 3.2eV)과 우수한 전하 전이(good charge transport) 때문에 탁월한 투명성(superb transparency)과 전기 전도도(electrical conductivity)을 나타낸다. 또한, TFT 내의 게이트 유전체(gate dielectric) 인 산화 알루미늄(aluminum oxide, Al2O3)과 같은 금속 산화물 유전체(metal-oxide dielectrics)는 넓은 밴드 갭과 높은 유전 상수(high dielectric constants, high-k)가 주어질 때 우수한 유전 특성(dielectric characteristics)을 갖는다. 이러한 이유 때문에 high-k 금속 산화물 유전체(high-k metal-oxide dielectrics)를 가진 AOS 기반 TFT는 디스플레이 백플레인(display backplanes) 및 태양광 윈도우(solar windows)와 같은 고성능 투명(transparent) 전자 제품에 사용되어 왔다. 그러나, 고품질의 금속 산화물 반도체 및 유전체는 sol-gel 증착 공정(sol-gel deposition process) 동안 400 ~ 500℃ 정도로 높은 어닐링 온도를 필요로 한다. 열에너지 예산과 관련하여 금속 산화물 반도체(metal-oxide semiconductors) 및 유전체(dielectrics)의 막 품질(film quality)을 저하시키지 않으면서 공정 온도와 시간을 줄이기 위한 많은 시도가 있었다.
Kim et al.은 DUV(deep-ultraviolet) 조사 어닐링(deep-ultraviolet (DUV) irradiation annealing)을 통해 23℃의 실온에서 광 화학적 활성화(photochemical activation)를 통해 제조된 고품질 용액-공정처리 된 sol-gel film(solution-processed sol-gel films)을 보고했다. 최근, 주변 환경의 실온에서 간단하고 효과적인 마이크로파 어닐링(microwave annealing) 방법을 사용하여 고품질의 용액-공정처리 된 금속 산화물 반도체 및 유전체를 제작했다. 또한, IGZO TFT의 소자 성능에 큰 영향을 주는 질화 붕소(boron-nitride, BN)의 첨가로 Al2O3 막의 유전 특성이 향상될 수 있음을 관찰했다. BN 시트는 약한 van der Wall’force에 의해 쉽게 분리될 수 있기 때문에 낮은 유전 상수, 넓은 밴드 갭(~ 6eV), 원자적으로 매끄러운 표면을 가진 현저한 재료 특성을 나타내는 BN이 세라믹 기반 조성 매트릭스(ceramic-based composition matrix)에 사용되었다. 우리는 또한 고품질 용액 처리 Al2O3/BN 복합 막이 400℃에서의 전통적인 열 어닐링 공정(thermal annealing process)과는 달리 상온에서 마이크로파 어닐링(microwave annealing)을 통해 달성될 수 있음을 발견했다.
본 발명에서는 2회 열처리 공정과 400 ℃의 열 어닐링 공정 및 상온의 대기 공기중에서 마이크로파 열처리 공정을 통해 제조된 IGZO-TFT의 소자 당 Al2O3/BN 복합 유전체 용액의 효과를 조사하였다. 또한, 마이크로 웨이브 어닐링을 사용하는 상온에서 용액-공정(solution-process)을 통해 Al2O3/BN 복합 유전체를 갖는 고성능 저전압 작동 IGZO-TFT를 시연한다. 분석 결과는 마이크로파 어닐링이 고성능 용액-공정처리 된 금속산화물 기반 TFT(solution-processed metal-oxide-based TFTs)를 실현하는 유망한 경로가 될 수 있음을 전반적으로 입증한다.
도 19 (a)는 Al2O3/BN 복합 유전체 용액-공정처리 된 IG-ZO-TFT의 개략적인 단면도, (b)는 용액-공정처리 된 Al2O3/BN 복합 막의 AFM 이미지이다. 제작은 IGZO-TFT를위한 게이트 전극으로 사용되는 ~ 0.01 Ω cm의 저항률을 갖는 하이 p 도핑 된 실리콘 기판으로 시작되었다. 상기 기판을 아세톤, 메탄올 및 이소프로필 알콜(IPA)의 유기 용매로 각각 10분 동안 초기 세정하였다. 이어, 샘플의 표면을 자외선 오존(ultraviolet (UV) ozone)으로 처리하여 친수성(hydrophilic)으로 만들었다. aluminum nitrite nonahydrate(99.997 %, Sigma Aldrich)와 BN 분말(AC6013, MOMENTIVE)을 100 : 0과 100 : 10의 비율로 2-메톡시 에탄올(2-methoxyethanol)에 용해시켜 Al2O3/BN 용액(Al2O3/BN solution)(0.8M)(2-ME)를 용매로서 사용하였다. 41 nm의 두께를 갖는 Al2O3/BN 복합 막이 스핀-코팅에 의해 증착되고, 이후 공기 중에서 15분 동안 실온에서 마이크로웨이브 어닐링(700W 전력 및 60 Hz 주파수에서) 분위기이다. 도 19 (b)는 원자 현미경(AFM) 측정에 의해 결정된 용액-공정처리 된 Al2O3/ BN 복합 막의 형태학적 특성을 보여준다. Al2O3/BN 복합 막의 평탄하고 매끄러운 표면이 관찰되었으며, BN이 Al2O3 막에 성공적으로 매립되었음을 나타낸다. 극초단파 조사 과정에서 150℃까지 온도가 불가피하게 상승하는 현상이 관찰되었다. 우리는 Al2O3/BN 복합 막이 150℃에서 열 어닐링 될 때 상당한 양의 결함 상태를 갖는 매우 열악한 복합 막이 형성되었다. 다음으로 질산염 수화물(in-dium nitrate hydrate)(99.999 %, 시그마 알드리치), 질산 갈륨 수화물(gallium nitrate hydrate)(99.9 %, 시그마 알드리치) 및 질산 아연 수화물(zinc nitrate hydrate)(99.999 %, 시그마 알드리치) 분말을 용해시켜 IGZO 용액 (0.125M) 2-ME를 용매(solvent)로 사용한다. 이어서, 두께가 30 nm 인 IGZO 활성층이 스핀-코팅에 의해 침착되고, 이어서 마이크로파 어닐링이 행해진다. 소스/드레인 전극을 형성하기 위해, 50nm 두께의 알루미늄 층이 패터닝 단계 후에 ~ 10-6 torr의 진공(vacuum)하에서 증착되었다. 마지막으로 Al2O3/BN 복합 유전체를 이용한 IGZO-TFT의 공정은 포토 리소그래피(photolithography)와 습식 에칭(wet-etching)이 관여하는 채널의 패터닝 공정으로 완성되었다. 본 연구에서 제작된 IGZO-TFT는 채널 폭이 1000 μm, 채널 길이가 50 μm이다. 반도체 파라미터 분석기(semiconductor parameter analyzer)는 주변 공기중에서 IGZO-TFT의 직류(DC) 전기적 특성을 측정하는데 사용된다. 게이트 전극과 소스 전극 사이의 인가 전압은 5V이다.
도 19를 참조하면, Al2O3/BN 절연막을 갖는 IGZO TFT는
게이트 전극이 형성되는 기판; 상기 기판에 공기중에서 용액 공정(solution process)을 사용하여 박막 스핀 코팅을 사용하여 증착되고, 어닐링(annealing) 과정을 통해 박막이 형성된 상기 Al2O3에 BN(boron nitride)을 합성한 하이브리드 Al2O3/BN 절연층; 상기 용액 공정을 사용하여 박막 스핀 코팅을 사용하여 상기 하이브리드 Al2O3/BN 절연층 위에 증착되고, 어닐링(annealing) 과정을 통해 박막이 형성된 IGZO(Induim gallium zinc oxide) 활성층; 및 상기 하이브리드 Al2O3/BN 박막 위 E-beam evaporation을 이용하여 50nm의 알루미늄(Al)의 금속이 증착된 소스, 드레인 전극을 포함한다.
상기 기판은 하이 도핑된 실리콘(Highly doped Si) 기판을 사용하며,
아세톤, 메탄올, 이소프로필 알코올(IPA, isopropyl alcohol)을 이용하여 초음파 욕조에서 소정시간 동안 초음파 세척을 통해 상기 기판을 클리닝하며, 그리고 상기 기판을 클리닝 후, UV 오존 처리(UV ozone treatment)를 사용하여 상기 기판의 표면을 친수성화하는, Al2O3/BN 절연막을 갖는 IGZO TFT.
상기 박막 스핀 코팅은 상기 Al2O3에 BN을 합성한 하이브리드 Al2O3/BN 박막을 45초 동안 6000rpm 회전수로 스핀 코팅하며, 그리고
상기 IGZO 활성층은 45초동안 4000rpm 회전수로 스핀 코팅한다.
실시예에서는, 상기 어닐링은 실온에서 마이크로웨이브 어닐링을 사용한다.
상기 어닐링 시에, 박막 어닐링(annealing) 조건은
열 어닐링(thermal annealing)은 1시간 동안 400℃로 가열하며,
마이크로웨이브 어닐링(microwave annealing)은 15분 동안 150 ℃로 가열한다.
상기 열 어닐링 및 상기 마이크로웨이브 어닐링(thermal and microwave annealing)에 의해 제조된 100:0, 100:1, 100:4, 및 100:10 비율의 Al2O3/BN 절연층의 복합 막을 형성하며, High-k 유전체 재료 인 Al2O3와 Low-k 유전체 재료 인 BN의 상기 마이크로웨이브 어닐링 공정이 BN을 Al2O3 막에 균일하고 결합된다.
상기 하이브리드 Al2O3/BN 절연층은
상기 Al2O3 과 BN(low-k boron nitride) 두 종류의 절연 물질 powder의 혼합 비율은 100:0, 100:1, 100:4, 100:10을 각각 다르게 구성되며,
용액-공정처리 된 Al2O3 유전체 박막은 진공 처리(vacuum process) 된 Al2O3 유전체 박막과 비교하여 높은 누설 전류 레벨을 가지며, 용액-공정처리 된 Al2O3 유전체 박막의 누설 전류는 BN의 혼입에 의해 누설전류가 상당히 억제되며, 전류 레벨은 깨끗한 Al2O3 유전체 박막의 전류 레벨에 비해 3V에서 100배 감소하고, Al2O3 박막의 광학적인 특성이 BN의 합성에 투과율(transmittance)이 영향을 받지 않으며, i) Al2O3에 BN의 합성에도 매우 균일하고 깨끗한 박막 표면 상태를 유지하며, ii) 하이브리드 Al2O3/BN 박막의 산소 결함 밀도가 현저히 감소되고 iii) 하이브리드 Al2O3/BN 박막의 누설 전류 및 유전 상수 값이 개선된다.
도 15 (a)는 열 및 마이크로웨이브 어닐링에 의해 제조된 원래의 유리 기판상에 100 : 0 및 100 : 10의 비율로 용액-공정처리 된 Al2O3/BN 복합 막의 개념적인 단면 및 광학적 이미지, 및 (b) 각 샘플에 대한 투과율(transmittance)이다.
도 15 (a)는 용액-공정처리 된 Al2O3/BN 복합 막의 열처리와 마이크로웨이브 어닐링으로 제작된 유리 기판 위에 각각 100 : 0과 100 : 10의 비율로 용액-공정처리 된 Al2O3/BN 복합 막의 개략적인 단면과 광학 이미지를 보여준다. 균일하고 투명한 막은 BN의 첨가와 어닐링 과정을 거치지 않고 형성되었으며, BN이 Al2O3 막에 균질하게 매립되었음을 나타낸다. Al2O3/BN 복합 막의 100 : 0 및 100 : 10의 비유 전율은 LCR 미터(LCR meter)를 사용하여 커패시턴스-전압(CV) 측정에 의해 결정된 바와 같이 각각 6.04 및 7.49였다. 이 결과는 Al2O3 막의 유전 상수(dielectric constants of the Al2O3 film)가 low-k BN 유전체(low-k BN dielectrics)의 혼입시 감소하지 않음을 나타낸다. 광학 특성과 투과율 측정(transmittance measurements)을 특성화하기 위해 각 샘플 열 어닐링 및 마이크로웨이브 어닐링(thermal and microwave annealing)에 의해 제조된 100 : 0 및 100 : 10 비율의 Al2O3/BN 복합 막)에 대해 300-800 nm 파장 범위에서 측정을 수행하였다. 도 15(b)에 도시된 바와 같이, 모든 샘플은 노출된 원래의 유리 기판의 그것과 유사한 측정 파장 범위에서 투과율의 손실없이 91%에 가까운 높은 투과율을 나타냈다. 이러한 결과에 따르면, Al2O3 박막의 광학 특성은 BN의 혼입에 영향을 받지 않는다. High-k 유전체 재료 인 Al2O3와 Low-k 유전체 재료 인 BN의 조성은 사용된 농도에 따라 상당히 영향을 받았다. Al2O3/BN 복합 막에서 과도한 BN 농도는 구조적 통합을 초과하는 추가적인 결함 상태를 유도한다. 이 경우의 광학 특성화 결과는 본 연구에서 사용된 간단하고 신뢰할 수 있는 마이크로웨이브 어닐링 공정이 BN을 Al2O3 막에 균일하고 효과적으로 결합시킬 수 있음을 보여준다.
열 어닐링 및 마이크로웨이브 어닐링(thermal and microwave annealing)에 의해 제조된 100 : 0 및 100 : 10 비율의 Al2O3/BN 복합 막을 형성하며,
High-k 유전체 재료 인 Al2O3와 Low-k 유전체 재료 인 BN의 상기 마이크로웨이브 어닐링 공정이 BN을 Al2O3 막에 균일하고 결합되는 것을 특징으로 한다.
도 15는 (a) 열 및 마이크로파 어닐링에 의해 제조된 유리 기판상에 100 : 0 및 100 : 10의 비율로 용액-공정처리 된 Al2O3/BN 복합체 막(solution-processed Al2O3/BN composite films)의 단면도 및 광학 이미지, (b) 각 샘플에 대한 투과율(transmittance)이다. 도 15는 열 어닐링에 의해 제조된 (a) 100 : 0 및 (b) 100 : 10의 비율로 용액-공정처리 된 Al2O3/BN 복합 막의 O1s XPS 스펙트럼, 그리고 마이크로파 어닐링에 의해 제조된 (c) 100 : 0 및 (d) 100 : 10의 비율로 용액-공정처리 된 Al2O3/BN 복합 막의 O1s XPS 스펙트럼이다. 도 15는 100: 0 및 100: 10의 비율로 각각 열 및 마이크로웨이브 어닐링에 의해 제조된 용액-공정처리 된 Al2O3/BN 복합 막의 O1s XPS 스펙트럼을 보여준다.
열 어닐링(75.55 %)에 의해 제조된 깨끗한 Al2O3의 막과 비교하여, 열 어닐링(thermal annealing)에 의해 제조된 Al2O3/BN 복합 막은 Al-O 결합 상태(Al-O bonding states)(81.88 %)의 상대적으로 더 높은 비율을 나타냈다. 이 경향은 또한 마이크로웨이브 어닐링에 의해 제조된 박막(film)에서 관찰되었다. Al-O 결합 상태(Al-O bonding states)는 BN이 Al2O3 박막에 혼입 시에 75.11 %로부터 76.91 %로 약간 증가했다. 이러한 발견은 금속-산화물 유전체(metal-oxide dielectric films)의 구조적인 불완전성을 야기하는 결함이 있는 결합 상태(defective bonding states)(Al-OH)는 어닐링 공정(annealing process)과 관계없이 Al2O3/BN 복합 막(Al2O3/BN composite films)에서 감소된다.
또한, 마이크로웨이브 어닐링에 의해 제조된 막(films)에서 Al-O 결합 상태(Al-O bonding states)의 부분은 400℃에서 열 어닐링에 의해 제조된 막(films)에서 Al-O 결합 상태가 매우 유사했다. 고품질의 Al2O3/BN 복합 막이 실온에서 마이크로웨이브 어닐링에 의해 달성될 수 있다. 열 어닐링(thermal annealing)은 sol-gel 공정(sol-gel process) 동안에 더 오랜 시간 동안 가열하여(heating conduction) 열적으로 활성화된 에너지(thermally activated energy)를 제공하는 반면에, 마이크로웨이브 어닐링(microwave annealing)은 상대적으로 더 짧은 시간 동안에 전자적으로 마이크로파 흡수에 의한 여기 에너지(excited energy by microwave absorption)를 제공한다.
다시 말해, 마이크로파 조사(microwave irradiation)로부터 상대적으로 더 높은 에너지는 용액-공정처리 된 재료적인 특성 저하에 상관없이 공정 온도(process temperature)를 낮추고 구조적 통합을 위한 요구된 공정 시간을 단축시킬 수 있다. 우리는 마이크로웨이브 어닐링 공정을 최적화하여 Al2O3/BN 복합 막의 재료적인 특성이 여전히 개선할 여지가 있다고 믿는다.
다음으로, 열 어닐링 및 마이크로웨이브 어닐링을 통해 용액-공정에 의해 저전압에서 동작하는 Al2O3/BN 복합 유전체(Al2O3/BN composite dielectrics)를 갖는 IGZO-TFT를 제작하였다.
도 16에 도시된 바와 같이, 깨끗한 Al2O3 유전체(pristine Al2O3 dielectrics)에서의 이들 값에 관련하여 Al2O3/BN 복합 유전체를 갖는 IGZO-TFT는 구동 전류 및 점멸비(온 오프 전류 비율)가 증가하고 0 V로 임계 전압의 이동, 서브-임계값 스윙(sub-threshold swing, S.S.)의 감소하였다. 의미 있게도, 전계 효과 이동도(field-effect mobility)가 어닐링 프로세스에 상관없이 3배 증가되었다. 소자들의 모든 주요 지표들의 향상은 개선된 BN이 혼입된 용액-공정처리 된 Al2O3의 유전 특성(dielectric characteristics)에 기인한다.
이러한 전기적 특성의 향상은 XPS 측정에 의해 발견된 Al2O3/BN 복합 막(Al2O3/BN composite films)에서 감소된 산소 결함 상태(reduced defect states)와 잘 일치한다. 실온에서 마이크로웨이브 어닐링으로 제작된 IGZO-TFT에서 우수한 출력과 전달 특성은 달성되었으며, 이는 400 ℃에서 전통적인 열 어닐링에 의해 제조된 IGZO-TFT의 출력과 전달 특성과 비교하여 경쟁력이 있다. 또한, 마이크로웨이브 어닐링에 제조된 IGZTO-TFT의 S.S.는 열 어닐링에 의해 제조된 IGZTO-TFT의 S.S.(0.91 ~ 0.3 V/dec)보다 더 낮았다. 이는 게이트 유전체(gate dielectric)와 반도체 막들(semiconductor films) 사이의 인터페이스에서 결함 상태(defect states)와 관련이 있다.
마이크로웨이브 어닐링은 용액 공정처리 기술(solution-processed technology)을 위한 더 효과적이고 실용적인 것으로 나타났으며, 공기중에서 실온에서(at room-temperature in an ambient atmosphere) 금속 산화물 반도체(metal-oxide semiconductors) 및 유전체(dielectrics)를 제조할 수 있음을 결론지을 수 있다.
도 16은 열 어닐링을 통해 용액-공정(solution-process)에 의해 제조된 100 : 0과 100 : 10 비율로 (a) Al2O3/BN 유전체 막(Al2O3/BN dielectric films)을 갖는 IGZO-TFT의 (a) 전달 특성 및 (b) 출력 특성, 그리고
마이크로파 어닐링을 통해 용액-공정에 의해 제조된 100 : 0 및 100 : 10의 비율로 Al2O3/BN 유전체 막을 갖는 IGZO-TFT의 (c) 전달 특성 및 (d) 출력 특성이다.
우리는 실온에서 마이크로웨이브 어닐링을 통해 용액-공정(solution-process)에 의해 제조된 Al2O3/BN 복합 유전체 막을 가진 고성능 저전압 동작 IGZO-TFT를 시연했다. 투과율(transmittance) 및 CV 측정의 결과에 기초하여, BN을 Al2O3 막에 혼입시키는 것은 광학 특성을 저하시키지 않고 유전 특성(dielectric characteristics)을 향상시켰다. XPS 스펙트럼에서 Al-O 결합 상태(Al-O bonding states)의 분포로부터 결정된 바와 같이, Al2O3/BN 복합체 막의 향상된 유전 특성의 주된 원인은 상대적으로 더 적은 결함 상태(fewer defect states)를 가진다. IGZO TFT의 모든 디바이스의 주요 지표(device key metrics)는 BN의 혼입시 용액-공정처리 된 Al2O3 막의 향상된 유전 특성 때문에 개선되었음이 밝혀졌다. 또한, 본 연구에서 IGZO-TFT의 용액 공정 기술에 대한 마이크로웨이브 어닐링의 가능성이 연구되어 공정 온도와 필요한 시간을 줄였다. 실온에서 마이크로파 어닐링으로 제작된 최적화 된 IGZO-TFT는 400℃의 전통적인 열 어닐링에 의해 제조된 IGZO-TFT의 결과와 일치하는 우수한 출력 및 전달 특성을 나타냈다.
본 발명에서 사용된 용액 공정 기술은 고가의 장비를 요구하지 않을 뿐 아니라 대면적 증착 및 균일한 박막 형성을 가능하게 하기 때문에 비용 및 효율성 측면에서 기존의 진공 공정보다 좋고, 사업화 하였을 때 높은 경쟁력을 지닌다.
단순한 물질의 합성 과정에 의해 하이브리드 복합 물질 기반의 절연 박막을 형성함으로서 기존의 절연 박막에 비해 소자의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
하이브리드 복합 물질을 이용하여 제작된 절연 박막 기반으로 제작된 박막 트랜지스터의 뛰어난 성능에 의해 전자 산업 및 디스플레이 업계에서 크게 주목받을 것으로 보인다.
실온에서의 공정을 통하여 형성된 하이브리드 복합 물질 기반의 절연층을 기반으로 제작된 박막 트랜지스터는 안정적인 동작 및 특성을 보유하는 것으로 보아 저온 공정은 높은 잠재성이 있다.
본 기술이 적용 가능한 제품은 LCD panel, Display backplane, flexcible & transparent display, solar window, 비용 절감형 노트북, 모니터용 패널, e-paper display이며, OLED TV, 햅틱 디바이스, OLED display의 전기 스위치에 응용이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
IGZO: Induim gallium zinc oxide
TFT: 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor)
Al2O3: 산화 알루미늄
Al2O3/BN composite dielectrics : Al2O3/BN 복합 유전체

Claims (23)

  1. 게이트 전극이 형성된 기판;
    상기 기판에 공기중에서 용액 공정(solution process)을 사용하여 박막 스핀 코팅을 사용하여 증착되고, 어닐링(annealing) 과정을 통해 박막이 형성된 상기 Al2O3에 BN(boron nitride)을 합성한 하이브리드 Al2O3/BN 절연층;
    상기 용액 공정을 사용하여 박막 스핀 코팅을 사용하여 상기 하이브리드 Al2O3/BN 절연층 위에 증착되고, 어닐링(annealing) 과정을 통해 박막이 형성된 IGZO(Induim gallium zinc oxide) 활성층; 및
    상기 하이브리드 Al2O3/BN 박막 위 E-beam evaporation을 이용하여 50nm의 알루미늄(Al)의 금속이 증착된 소스, 드레인 전극;
    을 포함하는 Al2O3/BN 절연막을 갖는 IGZO TFT.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 하이 도핑된 실리콘(Highly doped Si) 기판을 사용하며, 게이트 전극이 형성되며,
    아세톤, 메탄올, 이소프로필 알코올(IPA, isopropyl alcohol)을 이용하여 초음파 욕조에서 소정시간 동안 초음파 세척을 통해 상기 기판을 클리닝하며,
    상기 기판을 클리닝 후, UV 오존 처리(UV ozone treatment)를 사용하여 상기 기판의 표면을 친수성화하는, Al2O3/BN 절연막을 갖는 IGZO TFT.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 박막 스핀 코팅은
    상기 Al2O3에 BN을 합성한 하이브리드 Al2O3/BN 박막을 45초 동안 6000rpm 회전수로 스핀 코팅하며,
    상기 IGZO 활성층은 45초동안 4000rpm 회전수로 스핀 코팅하는, Al2O3/BN 절연막을 갖는 IGZO TFT.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 어닐링은 실온에서 마이크로웨이브 어닐링을 사용하는, Al2O3/BN 절연막을 갖는 IGZO TFT.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 어닐링 시에, 박막 어닐링(annealing) 조건은
    상기 마이크로웨이브 어닐링(microwave annealing)은 15분 동안 150 ℃로 가열하는, Al2O3/BN 절연막을 갖는 IGZO TFT.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열 어닐링 또는 상기 마이크로웨이브 어닐링(thermal and microwave annealing)에 의해 제조된 상기 Al2O3 과 BN(low-k boron nitride) 두 종류의 절연 물질 powder의 혼합 비율은 100:0, 100:1, 100:4, 100:10을 각각 다르게 구성되어 혼입되어 제조된 100:0, 100:1, 100:4, 및 100:10 비율의 Al2O3/BN 절연층의 복합 막을 형성하며, High-k 유전체 재료 인 Al2O3와 Low-k 유전체 재료 인 BN의 상기 마이크로웨이브 어닐링 공정이 BN을 Al2O3 막에 균일하고 결합되는, Al2O3/BN 절연막을 갖는 IGZO TFT.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하이브리드 Al2O3/BN 절연층은
    용액-공정처리 된 Al2O3 유전체 박막은 진공 처리(vacuum process) 된 Al2O3 유전체 박막과 비교하여 높은 누설 전류 레벨을 가지며, 용액-공정처리 된 Al2O3 유전체 박막의 누설 전류는 BN의 혼입에 의해 누설전류가 상당히 억제되며, 전류 레벨은 깨끗한 Al2O3 유전체 박막의 전류 레벨에 비해 3V에서 100배 감소하고, Al2O3 박막의 광학적인 특성이 BN의 합성에 투과율(transmittance)이 영향을 받지 않으며, i) Al2O3에 BN의 합성에도 매우 균일하고 깨끗한 박막 표면 상태를 유지하며, ii) 하이브리드 Al2O3/BN 박막의 산소 결함 밀도가 현저히 감소되고 iii) 하이브리드 Al2O3/BN 박막의 누설 전류 및 유전 상수 값이 개선되는, Al2O3/BN 절연막을 갖는 IGZO TFT.
  8. 제1항에 있어서,
    Al2O3/BN 복합 유전체를 갖는 상기 IGZO-TFT는 구동 전류 및 점멸비(온 오프 전류 비율)가 증가하고 0V를 향한 임계 전압의 이동, 서브-임계값 스윙(sub-threshold swing, S.S.)의 감소하였으며, 전계 효과 이동도(field-effect mobility)가 어닐링 프로세스에 상관없이 3 배 증가되었고, 소자들의 모든 주요 지표들의 향상은 개선된 BN이 혼입된 용액-공정처리 된 Al2O3의 유전 특성(dielectric characteristics)에 기인하며, XPS 측정에 의해 발견된 Al2O3/BN 복합 막(Al2O3/BN composite films)에서 산소 결함 상태(reduced defect states)가 감소하여 전기적 특성이 향성되는, Al2O3/BN 절연막을 갖는 IGZO TFT.
  9. 제1항에 있어서,
    Al2O3/BN 복합 유전체 막을 가진 상기 IGZO-TFT는 투과율(transmittance) 및 CV 측정 결과, BN을 Al2O3 막에 혼입시키는 것은 광학 특성을 저하시키지 않고 XPS 스펙트럼에서 Al-O 결합 상태(Al-O bonding states)의 분포로부터 상대적으로 더 적은 산소 결함 상태(fewer defect states)를 갖는 Al2O3/BN 복합체 막의 유전 특성(dielectric characteristics)을 향상시킨, Al2O3/BN 절연막을 갖는 IGZO TFT.
  10. (a) 기판을 클리닝하고, 상기 기판의 유기물 및 불순물 제거 및 절연 박막 코팅을 위한 기판을 친수성화하는 단계;
    (b) 공기중에서 용액 공정(solution process)을 사용하여 박막 스핀 코팅을 사용하여 상기 Al2O3에 BN(boron nitride)을 합성한 하이브리드 Al2O3/BN 절연층을 상기 기판에 증착하고, 어닐링(annealing) 과정을 통해 박막을 형성하는 단계;
    (c) 상기 용액 공정을 사용하여 박막 스핀 코팅을 사용하여 IGZO(Induim gallium zinc oxide) 활성층을 형성된 하이브리드 Al2O3/BN 절연층 위에 증착하고, 어닐링(annealing) 과정을 통해 박막을 형성하는 단계; 및
    (d) MIM(Metal-Insulator-Metal) 구조로 제작되며, 상기 하이브리드 Al2O3/BN 박막 위 E-beam evaporation을 이용하여 알루미늄(Al)의 금속을 증착하고 소스, 드레인 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 기판은 하이 도핑된 실리콘(Highly doped Si) 기판을 사용하며, 게이트 전극이 형성되는, IGZO TFTs를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연막 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 기판을 클리닝하고, 기판의 유기물 및 불순물 제거 및 절연 박막 코팅을 위한 기판을 친수성화하는 단계는
    아세톤, 메탄올, 이소프로필 알코올(IPA, isopropyl alcohol)을 이용하여 초음파 욕조에서 소정시간 동안 초음파 세척을 통해 기판을 클리닝하는 단계; 및
    상기 기판을 클리닝 후, UV 오존 처리(UV ozone treatment)를 사용하여 기판의 표면을 친수성화하는 단계;
    를 포함하는, IGZO TFTs를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연막 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 용액 공정(solution process)을 사용하여 박막 스핀 코팅을 사용하여 Al2O3 및 하이브리드 Al2O3/BN 절연층을 상기 기판에 증착하고, 어닐링(annealing) 과정을 통해 박막을 형성하는 단계는
    상기 스핀 코팅(spin coating)을 사용하여 Al2O3 및 하이브리드 Al2O3/BN 절연층을 상기 기판에 증착하는 단계; 및
    furnace 및 microwave 장비를 이용하여 어닐링(annealing) 과정을 통해 박막을 형성하는 단계;
    를 포함하는 IGZO TFTs를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연막 제조 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 용액 공정을 사용하여 박막 스핀 코팅을 사용하여 IGZO 활성층을 형성된 하이브리드 Al2O3/BN 절연층 위에 증착하고, 어닐링(annealing) 과정을 통해 박막을 형성하는 단계는
    상기 스핀 코팅(spin coating)을 사용하여 상기 IGZO 활성층을 형성된 상기 절연층 위에 증착하는 단계; 및
    furnace 및 microwave 장비를 이용하여 어닐링(annealing) 과정을 통해 박막을 형성하는 단계;
    를 포함하는 IGZO TFTs를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연막 제조 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 박막 스핀 코팅은
    상기 Al2O3 및 하이브리드 Al2O3/BN 박막을 45초 동안 6000rpm 회전수로 스핀 코팅하며,
    상기 IGZO 활성층은 45초동안 4000rpm 회전수로 스핀 코팅하는, IGZO TFTs를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연막 제조 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 어닐링은 실온에서 마이크로웨이브 어닐링을 사용하는, IGZO TFTs를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연막 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 어닐링 시에, 박막 어닐링(annealing) 조건은
    상기 마이크로웨이브 어닐링(microwave annealing)은 15분 동안 150 ℃로 가열하는, IGZO TFTs를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연막 제조 방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 MIM(Metal-Insulator-Metal) 구조로 제작되며, 상기 Al2O3 및 하이브리드 Al2O3/BN 박막 위 E-beam evaporation을 이용하여 50nm의 알루미늄(Al)의 금속을 증착하고 소스, 드레인 전극을 형성하는 단계는
    MIM(Metal-Insulator-Metal) 구조로 제작되며, 상기 Al2O3 및 하이브리드 Al2O3/BN 박막 위에 E-beam evaporation을 이용하여 50nm의 알루미늄(Al)을 증착하는 단계; 및
    상기 IGZO 박막 위 E-beam evaporation을 이용하여 50nm의 Al 증착을 통해 소스(source), 드레인(drain) 전극을 형성하는 단계;
    를 포함하는 IGZO TFTs를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연막 제조 방법.
  18. 제10항에 있어서,
    Al2O3과 BN 두 종류의 절연 물질 powder의 혼합 비율은 100:0, 100:1, 100:4, 100:10으로 구성되어 혼입되는, IGZO TFTs를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연막 제조 방법.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 하이브리드 Al2O3/BN 절연층은
    상기 Al2O3 과 BN(low-k boron nitride) 두 종류의 절연 물질 powder의 혼합 비율은 100:0, 100:1, 100:4, 100:10을 각각 다르게 구성되어 혼입되는, IGZO TFTs를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연막 제조 방법.
  20. 제10항에 있어서,
    상기 하이브리드 Al2O3/BN 절연층은
    용액-공정처리 된 Al2O3 유전체 박막은 진공 처리(vacuum process) 된 Al2O3 유전체 박막과 비교하여 높은 누설 전류 레벨을 가지며, 용액-공정처리 된 Al2O3 유전체 박막의 누설 전류는 BN의 혼입에 의해 누설전류가 상당히 억제되며, 전류 레벨은 깨끗한 Al2O3 유전체 박막의 전류 레벨에 비해 3V에서 100배 감소하고, Al2O3 박막의 광학적인 특성이 BN의 합성에 투과율(transmittance)이 영향을 받지 않으며, i) Al2O3에 BN의 합성에도 매우 균일하고 깨끗한 박막 표면 상태를 유지하며, ii) 하이브리드 Al2O3/BN 박막의 산소 결함 밀도가 현저히 감소되고 iii) 하이브리드 Al2O3/BN 박막의 누설 전류 및 유전 상수 값이 개선되는, IGZO TFTs를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연막 제조 방법.
  21. 제18항에 있어서,
    BN 농도에 관계없이 용액-공정처리 된 하이브리드 Al2O3/BN 유전체 박막은 커패시턴스의 심각한 손실없이 양호한 주파수 응답을 갖는, IGZO TFTs를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연막 제조 방법.
  22. 제10항에 있어서,
    Al2O3/BN 복합 유전체를 갖는 상기 IGZO-TFT는 구동 전류 및 점멸비(온 오프 전류 비율)가 증가하고 0V를 향한 임계 전압의 이동, 서브-임계값 스윙(sub-threshold swing, S.S.)의 감소하였으며, 전계 효과 이동도(field-effect mobility)가 어닐링 프로세스에 상관없이 3 배 증가되었고, 소자들의 모든 주요 지표들의 향상은 개선된 BN이 혼입된 용액-공정처리 된 Al2O3의 유전 특성(dielectric characteristics)에 기인하며, XPS 측정에 의해 발견된 Al2O3/BN 복합 막(Al2O3/BN composite films)에서 산소 결함 상태(reduced defect states)가 감소하여 전기적 특성이 향상되는, IGZO TFTs를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연막 제조 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 Al2O3/BN 복합 유전체 막을 갖는 IGZO-TFT는 투과율(transmittance) 및 CV 측정 결과, BN을 Al2O3 막에 혼입시키는 것은 광학 특성을 저하시키지 않고 XPS 스펙트럼에서 Al-O 결합 상태(Al-O bonding states)의 분포로부터 상대적으로 더 적은 산소 결함 상태(fewer defect states)를 갖는 Al2O3/BN 복합체 막의 유전 특성(dielectric characteristics)을 향상시킨, IGZO TFTs를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연막 제조 방법.
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