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KR102014132B1 - Fabrication method of solution-processed high quality Al2O3/BN dielectric films for high performance IGZO TFTs, and IGZO TFTs thereof - Google Patents

Fabrication method of solution-processed high quality Al2O3/BN dielectric films for high performance IGZO TFTs, and IGZO TFTs thereof Download PDF

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KR102014132B1
KR102014132B1 KR1020170160749A KR20170160749A KR102014132B1 KR 102014132 B1 KR102014132 B1 KR 102014132B1 KR 1020170160749 A KR1020170160749 A KR 1020170160749A KR 20170160749 A KR20170160749 A KR 20170160749A KR 102014132 B1 KR102014132 B1 KR 102014132B1
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dielectric
hybrid
thin film
igzo
annealing
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하태준
유병수
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광운대학교 산학협력단
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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. A method for manufacturing a high quality Al 2 O 3 / BN insulating film based on a low temperature solution process for high performance IGZO TFTs is disclosed. The method is different from the TFT device implementation method that requires expensive vacuum equipment such as CVD and ALD and requires a high temperature of 1000 ° C. or higher, so that the solution is a low temperature in an ambient atmosphere. It is possible to manufacture thin film devices by the process, and it is possible to manufacture thin film based on hybrid composite structure with low dielectric material boron nitride (BN) which has high mechanical stability and oxidation resistance to Al 2 O 3, which is a high dielectric material. The high oxygen defect density inside 2 O 3 provides improved performance while overcoming limitations in terms of high quality electronic device implementation and reliability. I) It is also very suitable for the synthesis of BN, a low dielectric material for Al 2 O 3 , a high dielectric material. uniform and maintain a clean surface of the thin film state, ii), and the significantly reduced oxygen defect density, hybrid Al 2 O 3 / BN thin film (insulating film) within a reduced oxygen vacancy wheat By iii) a hybrid Al 2 O 3 / BN and improving the leakage current and the dielectric constant of the thin film, isolated by using an optimized low-temperature solution process, how the thin film enhanced by the in reduced oxygen defect density Induim gallium zinc oxide (IGZO) thin The characteristics of the film transistor (TFT) are improved.

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}Fabrication method of solution-processed high quality Al2O3 / BN dielectric films for high performance IGZO TFTs, and IGZO TFTs according to low temperature solution process based on low temperature solution process for high performance IFT

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. The present invention relates to the fabrication of insulating films based on composite materials (Al 2 O 3 / BN) and high quality thin film analysis in order to improve the performance of high-k dielectrics fabricated by conventional solution processes. Unlike TFT device implementations that require expensive vacuum equipment such as deposition and atomic layer deposition (ALD), and require high temperatures of 1000 o C or more, the solution in a low temperature in an ambient atmosphere Thin film devices can be manufactured by the process, and a thin film based on a hybrid composite structure with boron nitride (BN), which is a low dielectric material having high mechanical stability and oxidation resistance to Al 2 O 3 , an existing high dielectric material, can be manufactured. Improved performance while overcoming traditional limitations (limits in terms of high quality electronics and reliability due to high oxygen defect density inside Al 2 O 3 ). i) maintains a very uniform and clean thin film surface state for the synthesis of low-k BN to high-k Al 2 O 3 , ii) significantly reduces oxygen defect density, and hybrid Al 2 O 3 / BN thin film (insulating thin film) Iii) improved leakage current and dielectric constant values of hybrid Al 2 O 3 / BN thin films (insulating thin films), and similar performance using improved, high quality, optimized low temperature solution process methods. A high quality Al 2 O 3 / BN insulating film manufacturing method based on low temperature solution process for high performance IGZO TFTs, which improves the characteristics of Induim gallium zinc oxide (IGZO) thin film transistor (TFT) and its IGZO TFTs.

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. According to market research firm DisplaySearch, as shown in FIG. 1, oxide semiconductor-based TFTs are expected to emerge as a core component of display panels in various display industries. It is expected that interest in the oxide semiconductor-based TFT process will increase steadily because the current device performance can produce a sufficiently high resolution LCD or OLED display.

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.Referring to FIG. 2, IDTechEx reported that in 2024, the OLED industry will use a 7km sqr oxide semiconductor-based backplane, and the LCD display market will add extra demand at least 1km sqr per year. In addition, in terms of complex technology stability, oxide semiconductor-based TFTs were found to be the best.

1) 북경 칭화대학교 - 용액 공정 방법을 이용한 high-k 물질 Al2O3 기반의 고성능 metal oxide TFT 구현됨을 보였다(도 3). 1) Beijing Tsinghua University-It was shown that a high-performance metal oxide TFT based on high-k material Al 2 O 3 using a solution process method (Fig. 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). 2) Osaka University - the strain caused by Al 2 O 3 of grain due to the dispersed BN within the Al 2 O 3 / BN existing Al 2 O through the nanocomposite implement 3 ceramic structure performance, breaking strength and stress maintained, as well as the Improved (FIG. 4).

3) 고려대 - HfOx와 1,6-bis(trimethoxysilyl)hexane의 비율을 달리하여 혼합 구조의 절연막을 형성함으로 HfOx에 비해 절연 성능 향상을 확인하였다(도 5).3) Korea University-HfOx and 1,6-bis (trimethoxysilyl) hexane by varying the ratio of forming an insulating film of the mixed structure was confirmed to improve the insulation performance compared to HfOx (Fig. 5).

4) 한국전자부품연구원 - 실온에서 deep-ultraviolet photochemical activation을 이용하여 동작 안정성이 높고 고 성능의 metal-oxide TFT 구현 그림이다(도 6). 4) Korea Institute of Electronic Components-Picture of the implementation of high-performance metal-oxide TFT with high operating stability using deep-ultraviolet photochemical activation at room temperature (FIG. 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. A moisture barrier film was developed using a plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) technique and a plasma technology of DBD (Dielectric Barrier Discharge) disposed between two rotating drum electrodes.

5) 타이완 Chiao Tung 대학교 - Microwave annealing을 이용하여 성능 및 신뢰성이 우수한 IGZO-TFT 개발하였다(도 7). 5) Taiwan Chiao Tung University-IGZO-TFT developed excellent performance and reliability using microwave annealing (Fig. 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.Currently, the process for thin film formation is mostly performed using high temperature and high cost vacuum equipment such as chemical vapor deposition (CVD) or atomic layer deposition (ALD). However, in the present invention, a thin film was manufactured using a solution process technology that is not expensive and has a simple process, as well as high uniformity and large area production.

도 8은 용액 공정 spin coating 방법을 이용한 박막 형성(자료 출처, http://slideplayer.com/slide/10599438/) 과정을 보인 도면이다. 8 is a view showing a process of forming a thin film (data source, http://slideplayer.com/slide/10599438/) using a solution process spin coating method.

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.Many TFTs have been fabricated based on the high-k material Al 2 O 3 insulating film which has high mechanical stability and high band gap. However, it can be seen that the high oxygen defect ratio in the insulating thin film limits the reliability and performance of the device. The solution process-based hybrid Al 2 O 3 / BN insulating film used in this patent showed a tendency to improve leakage current and dielectric constant characteristics by significantly reducing the oxygen defect density of the existing Al 2 O 3 thin film. Based on this, it can be seen that a better performance IGZO-TFT is implemented when using an insulating thin film of higher reliability and excellent properties.

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. 9 shows (a) leakage current characteristics, (b) dielectric constant, (c) transfer characteristics of IGZO-TFT based on hybrid Al 2 O 3 / BN insulating film, and (d) output characteristics of hybrid Al 2 O 3 / BN thin film. Figure is shown.

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. In addition, the solution process-based TFTs require high process temperature and long time because they are manufactured through thermal energy activated by heat conduction for a long time. In the present invention, while maintaining the performance of the high-quality device through the microwave annealing method using the electromagnetic radiation having a high energy, lowering the process temperature, shortening the time and overcome the existing limitations. In terms of commercialization, it shows very practical and high potential.

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.10 is a schematic diagram of thermal conduction of thermal annealing and microwave annealing processes [Source: 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).

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. As a related art 1, Patent No. 10-03195710000 discloses doped metal oxide dielectric materials and electronic devices made of such materials. The metal oxide is a group III or group V metal oxide (e.g., Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , Ta 2 O 5 , or V 2 O 5 ), and the metal dopant is a group IV material (Zr, Si, Ti , Hf). The metal oxide contains about 0.1 to 30 weight percent dopant. The doped metal oxide dielectric of the present invention is used in numerous other electronic devices and devices. For example, doped metal oxide dielectrics are used as gate dielectrics for MOS devices. Doped metal oxide dielectrics are also used as inter poly dielectric materials for flash memory devices.

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.As a related art 2, Patent Registration No. 10-14562370000 discloses a method for manufacturing an oxide thin film using a low temperature process, an oxide thin film, and an electronic device thereof. The method for preparing an oxide thin film includes coating an oxide solution on a substrate and irradiating the coated oxide solution with ultraviolet light under an inert gas atmosphere.

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. As a related art 3, Patent Publication No. 10-2017-0084753 relates to a method for manufacturing an oxide thin film, and a method of manufacturing an oxide thin film using a low temperature process, an oxide thin film, and an electronic device thereof are disclosed. High-performance functional oxide thin film can be easily and quickly formed by low temperature solution process, which greatly reduces the manufacturing cost and manufacturing time and can greatly improve productivity.

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.As a related art 4, Patent Publication No. 10-2012-0103479 discloses "an organic-inorganic hybrid composition, an organic-inorganic hybrid insulating film and a manufacturing method thereof. This organic-inorganic hybrid composition is excellent in insulating properties and does not cause phase separation. In addition, since the organic-inorganic hybrid insulating film is formed using the organic-inorganic hybrid composition, the organic and inorganic components are uniformly dispersed, and thus have excellent insulating properties. The process allows for large area and low cost wet processes using polymers.

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. Recently, a solution process technology that enables high uniformity and large-area production of an electronic device at a low cost has attracted much attention as a technology that replaces a vacuum process requiring a high cost and a very high process temperature. At present, this technology utilizes a dielectric film based on aluminum oxide (Al 2 O 3 ), a high dielectric material, and an IGZO (Induim gallium zinc oxide), an oxide semiconductor material with high transparency and excellent charge transfer properties. IGZO-TFT is widely used in various electronics and display industries. However, the actual solution process-based Al 2 O 3 dielectric has high bandgap (6.4 ~ 6.9 eV), high mechanical strength and very uniform surface, but has oxygen vacancy inside. Due to the defected state (defected state) has a limitation in terms of high-quality material implementation and device reliability, many studies have been made to improve the existing electrical and material properties. To this end, there is a growing interest for developing a hybrid composite material-based dielectric formed by synthesizing with other materials.

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. Thus we have the limitations that were inherent to form a hybrid composite structure based on a thin film with, as well as a good mechanical stability to the conventional Al 2 O 3 low dielectric material having a high oxidation resistance and excellent thermal stability, boron nitride (BN, boron nitride) Overcoming and research to improve the insulation performance. In particular, there have been few reports on the implementation of high-performance insulating thin films without affecting the roughness and state on Al 2 O 3 thin film surface by the synthesis of BN. As such, the expected effect on commercialization is expected to be large in expanding related technologies and securing international technologies. In practice, however, high temperature and long time were required for the fabrication of high quality hybrid composite structures based on existing solution processes and TFT based processes. Furthermore, the present invention aims to develop a high quality hybrid Al 2 O 3 / BN insulating thin film and IGZO-TFT based on the same by optimizing a process method that can be manufactured at room temperature in a short time while maintaining performance. Shall be.

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. Existing TFT manufacturing process is widely based on high dielectric aluminum oxide (Al 2 O 3 ) insulating thin film in the process of device that requires expensive vacuum equipment such as CVD and ALD and requires high temperature over 1000 o C. Has been.

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.However, high oxygen defect density inside Al 2 O 3 has shown a limitation in terms of high quality electronic device implementation and reliability. Current TFT process based on solution process requires high annealing temperature and long time.

특허 등록번호 10-03195710000 (등록일자 2001년 12월 20일), "도프된 금속 산화물 유전물질들을 가진 전자소자들과 도프된 금속 산화물 유전물질들을 가진 전자 소자들을 만드는 과정", 알카텔-루센트 유에스에이 인코포레이티드Patent Registration No. 10-03195710000 (December 20, 2001), "The Process of Making Electronic Devices with Doped Metal Oxide Dielectrics and Electronic Devices with Doped Metal Oxide Dielectrics", Alcatel-Lucent US Inn Corporate 특허 등록번호 10-14562370000 (등록일자 2014년 10월 23일), "저온 공정을 이용한 산화물 박막 제조방법, 산화물 박막 및 그 전자소자", 전자부품연구원, 중앙대학교 산학협력단Patent Registration No. 10-14562370000 (Registration date October 23, 2014), "Manufacturing method of oxide thin film using low temperature process, oxide thin film and its electronic device", Electronic Component Research Institute, Chung-Ang University 특허 공개번호 10-2017-0084753 (공개일자 2017년 07월 21일), "산화물 박막 제조방법, 산화물 박막 및 그 전자소자", 중앙대학교 산학협력단Patent Publication No. 10-2017-0084753 (published July 21, 2017), "Method of Manufacturing Oxide Thin Film, Oxide Thin Film and Its Electronic Device", Chung-Ang University 특허 공개번호 10-2012-0103479 (등록일자 2012년 09월 19일), "유무기 하이브리드 조성물, 유무기 하이브리드 절연막 및 이의 제조 방법", 한국전자통신연구원Patent Publication No. 10-2012-0103479 (Registration date September 19, 2012), "Organic-inorganic hybrid composition, organic-inorganic hybrid insulating film and its manufacturing method", Electronics and Telecommunications Research Institute

G. Huang, L. Duan, G. Dong, D. Zhang, and Y. Qiu, "High-Mobility Solution-Processed Tin Oxide Thin-Film Transistors with High-κ Alumina Dielectric Working in Enhancement Mode", ACS Appl. Mater. Interfaces, 6(23), pp. 20786-20794 (2014) G. Huang, L. Duan, G. Dong, D. Zhang, and Y. Qiu, "High-Mobility Solution-Processed Tin Oxide Thin-Film Transistors with High-κ Alumina Dielectric Working in Enhancement Mode", ACS Appl. Mater. Interfaces, 6 (23), pp. 20786-20794 (2014) T. Kusunose, Y.-H. Kim, T. Sekino, T. Matsumoto, N. Tanaka, T. Nakayama, and K. Niihara, "Fabrication of Al2O3/BN nanocomposites by chemical processing and their mechanical properties", J. Mater. Res, 20(1), pp. 183-190 (2005) T. Kusunose, Y.-H. Kim, T. Sekino, T. Matsumoto, N. Tanaka, T. Nakayama, and K. Niihara, "Fabrication of Al2O3 / BN nanocomposites by chemical processing and their mechanical properties", J. Mater. Res, 20 (1), pp. 183-190 (2005) J. -D. Oh, D. -K. Kim, J. -W. Kim, Y. -G. Ha, and J. -H. Choi, "Low-voltage pentacene thin-film transistors using Hf-based blend gate dielectrics", J. Mater. Chem. C, 4(4), pp. 807-814 (2016)  J. -D. Oh, D.-K. Kim, J.-W. Kim, Y.-G. Ha, and J.-H. Choi, "Low-voltage pentacene thin-film transistors using Hf-based blend gate dielectrics", J. Mater. Chem. C, 4 (4), pp. 807-814 (2016) Y. -H. Kim, J. S. Heo, T. H. Kim, S. Park, M. H. Yoon, J. Kim, M. S. Oh, G. R. Yi, Y. Y. Noh, S. K. Park, "Flexible metal-oxide devices made by RT photochemical activation of sol-gel films, Nature, 489, pp. 128-132 (2012) Y. -H. Kim, JS Heo, TH Kim, S. Park, MH Yoon, J. Kim, MS Oh, GR Yi, YY Noh, SK Park, "Flexible metal-oxide devices made by RT photochemical activation of sol-gel films, Nature, 489, pp. 128-132 (2012) P. -T. Liu, C. -H. Chang, G. -T. Zheng, C. -S. Fuh, L. -F. Teng, M. -C. Wu, Y. -J. Lee, "Reduced parasitic contact resistance and highly stable operation in a-In-Ga-Zn-O thin-film transistors with microwave treatment, Thin Solid Films, 619, pp. 148-152 (2016) P. -T. Liu, C.-H. Chang, G.-T. Zheng, C.-S. Fuh, L.-F. Teng, M.-C. Wu, Y.-J. Lee, "Reduced parasitic contact resistance and highly stable operation in a-In-Ga-Zn-O thin-film transistors with microwave treatment, Thin Solid Films, 619, pp. 148-152 (2016) 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) 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)

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. An object of the present invention for solving the problems of the prior art is to use a conventional high-cost vacuum equipment such as CVD (Chemical Vapor Deposition) and ALD (Atomic Layer Deposition) and to implement a TFT device requiring a high temperature of 1000 ° C or more and In contrast, a thin film device can be manufactured by a solution process in a low temperature in an ambient atmosphere, and a low dielectric material boron nitride having high mechanical stability and oxidation resistance to Al 2 O 3 , which is an existing high dielectric material. Thin film formation based on hybrid composite structure with (BN) provides improved performance while overcoming existing limitations (limits in terms of high quality electronic device implementation and reliability due to high oxygen defect density inside Al 2 O 3 ), i ) Al 2 O 3 has a very uniform and clean thin film surface state for the synthesis of BN, ii) oxygen defect density is significantly reduced, hybrid Al 2 O 3 / BN thin film (insulating thin film) iii by oxygen defect density within reduced) hybrid Al 2 O 3 / BN and improving the leakage current and the dielectric constant of the thin film (insulating film), an optimized low temperature of high quality improved performance A method of fabricating a high quality Al 2 O 3 / BN insulating film based on low temperature solution process for high performance IGZO TFTs, which improves the characteristics of Induim gallium zinc oxide (IGZO) thin film transistor (TFT) with similar performance using solution process method. to provide.

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. In order to achieve the object of the present invention, an IGZO TFT having an Al 2 O 3 / BN insulating film includes a substrate on which a gate electrode is formed; Hybrid Al 2 , which is deposited on the substrate by using a thin film spin coating using a solution process in air, and synthesizes BN (boron nitride) on the Al 2 O 3 on which a thin film is formed through an annealing process. O 3 / BN insulation layer; An IGZO (Induim gallium zinc oxide) active layer deposited on the hybrid Al 2 O 3 / BN insulating layer using a thin film spin coating using the solution process, and a thin film formed through an annealing process; And a source and a drain electrode on which a metal of 50 nm aluminum (Al) is deposited using E-beam evaporation on the hybrid Al 2 O 3 / BN thin film.

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. In order to achieve another object of the present invention, a method for manufacturing a high quality Al 2 O 3 / BN insulating film based on a low temperature solution process for high performance IGZO TFTs includes (a) cleaning a substrate, removing organic substances and impurities from the substrate, and coating an insulating thin film. Hydrophilizing the substrate for; (b) depositing the air in the solution process, a hybrid Al 2 O 3 / BN insulating layer synthesizing BN (boron nitride) using a thin-film spin coating using (solution process) to the Al 2 O 3 in the substrate, Forming a thin film through an annealing process; (c) depositing an IGZO (Induim gallium zinc oxide) active layer on the formed hybrid Al 2 O 3 / BN insulating layer using thin film spin coating using the solution process, and forming a thin film by annealing. ; And (d) a metal-insulator-metal (MIM) structure, which deposits a metal of aluminum (Al) by using E-beam evaporation on the hybrid Al 2 O 3 / BN thin film, and forms a source and a drain electrode. And the substrate uses a highly doped Si substrate, and a gate electrode is formed.

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. The high-quality Al 2 O 3 / BN insulating film manufacturing method based on low temperature solution process for high performance IGZO TFTs according to the present invention uses expensive vacuum equipment such as CVD and ALD, and requires high temperature of 1000 o C or more. Unlike the TFT device implementation method, the thin film device can be manufactured by a solution process at low temperature in an ambient atmosphere, and has high mechanical stability and oxidation to Al 2 O 3 , a high dielectric material. Thin film based on hybrid composite structure with low dielectric material boron nitride (BN) with resistivity, etc. (Limited in high quality electronic device implementation and reliability due to high oxygen defect density inside Al 2 O 3) I) provides improved performance, i) maintains a very uniform and clean thin film surface condition for the synthesis of low-k BN to high-k Al 2 O 3 , and ii) insulation Improved leakage current and dielectric constant values of the membrane, iii) significantly reduced oxygen defect density, addressing the high potential of high quality materials enhanced by reduced oxygen defect density in insulating films, and using similar low temperature solution process methods. A method of fabricating high quality Al 2 O 3 / BN insulating film based on low temperature solution process for high performance IGZO TFTs, which improves the characteristics of high performance Induim gallium zinc oxide (IGZO) thin film transistor (TFT), has been provided.

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. In addition, unlike conventional device processes that use expensive vacuum equipment such as CVD and ALD, and require high temperature of 1000 ° C. or higher, solution process technology is used in low temperature in an ambient atmosphere. It is very advantageous for commercialization as it manufactures thin film devices, saves the process time through simple process, suggests the process using low cost equipment, and is suitable for high uniformity, large area and mass production.

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.It provides a process method that can be manufactured at room temperature for a short time while maintaining the performance of the device manufactured by the conventional solution process method. In other words, the relatively higher energy from microwave irradiation can lower process temperature and shorten the required process time for structural integration, regardless of solution-processed material degradation.

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. FIG. 1 is a graph showing yearly market research trends of LTPS and oxide TFTs in which oxide semiconductor-based TFTs are used as core components of display panels.
2 is a radar chart of LTPS, oxide TFT, a-Si, and Organics in the LCD display industry.
Figure 3 is a Beijing Tsinghua University School-step method is a high-performance solution metal oxide TFT implemented illustration of high-k materials Al 2 O 3 based on using.
Figure 4 shows the Al 2 O 3 / BN nanocomposite implementation by BN dispersed in grains of Al 2 O 3 Osaka University, not only maintain the performance of the existing Al 2 O 3 ceramic structure but also the strain due to fracture strength and stress Improved.
5 is a diagram showing the improvement of insulation performance compared to HfOx by forming an insulating film of mixed structure by varying the ratio of Korea University-HfOx and 1,6-bis (trimethoxysilyl) hexane.
6 is a diagram showing the implementation of a high-performance metal-oxide TFT having high operational stability using deep-ultraviolet photochemical activation at room temperature.
FIG. 7 is a development diagram of IGZO-TFT with excellent performance and reliability using Chiao Tung University, Taiwan-Microwave annealing.
8 is a view showing a process of forming a thin film (data source, http://slideplayer.com/slide/10599438/) using a solution process spin coating method.
9 shows (a) leakage current characteristics, (b) dielectric constant, (c) transfer characteristics of IGZO-TFT based on hybrid Al 2 O 3 / BN insulating film, and (d) output characteristics of hybrid Al 2 O 3 / BN thin film. Figure is shown.
10 is a schematic diagram of thermal conduction of thermal annealing and microwave annealing processes [Source: 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).
11 is a device schematic diagram of a hybrid Al 2 O 3 / BN solution (b) solution process based hybrid Al 2 O 3 / BN dielectric depending on the concentration of BN.
12 is an AFM image showing the surface roughness of a thin film ((a): Al 2 O 3 , (b) Al 2 O 3 / BN (100: 1), (c) Al 2 O 3 / BN (100: 4) , (d) Al 2 O 3 / BN (100: 10)), SEM image showing the surface state and thickness of the thin film (e) Al 2 O 3 , (f) Al 2 O 3 / BN (100: 1), (g) Al 2 O 3 / BN (100: 4), (h) Al 2 O 3 / BN (100: 10)).
FIG. 13 shows (a) leakage current according to gate voltage, (b) dielectric constant according to composition ratio of BN, (c) CV characteristic curve, and (d) capacitance value of hybrid Al 2 O 3 / BN insulating thin film .
14 shows the ratio of BN ((a) Al 2 O 3 , (b) Al 2 O 3 : BN (100: 1), (c) Al 2 O 3 : BN (100: 4), (d) Al 2 O 3 : BN (100: 10)) is an XPS spectra of a hybrid Al 2 O 3 / BN insulating thin film prepared according to the present invention.
Figure 15 is a (a) device schematic and optical image of the Al 2 O 3 and hybrid Al 2 O 3 / BN (100: 10) insulating thin film prepared by thermal annealing and microwave annealing based on the solution process, (b) Transmittance information of the device.
16 shows (a) Al 2 O 3 prepared by solution process based thermal annealing, (b) XPS spectra of hybrid Al 2 O 3 / BN thin films, (c) Al 2 O 3 prepared by microwave annealing, ( d) XPS spectra of hybrid Al 2 O 3 / BN thin films.
Figure 17 is an Al 2 O produced by thermal annealing 3 and hybrid Al 2 O 3 / BN thin film of (a) transfer, (b) an Al 2 O produced in output characteristic curve, microwave annealing 3 and hybrid Al 2 O 3 / (C) transfer and (d) output characteristic curves of BN films.
18 is a view showing a solution process-based Al 2 O 3 , hybrid Al 2 O 3 / BN insulating thin film and IGZO deposition process.
FIG. 19 is (a) a schematic cross section of a solution treated IG-ZO-TFT with an Al 2 O 3 / BN composite dielectric, and (b) an AFM image of a solution-processed Al 2 O 3 / BN composite membrane.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in detail the configuration and operation of the invention.

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. The high-quality Al 2 O 3 / BN insulating film manufacturing method based on low temperature solution process for high performance IGZO TFTs according to the present invention uses expensive vacuum equipment such as CVD and ALD, and requires high temperature of 1000 o C or more. Unlike TFT device implementation method, thin film device can be manufactured by solution process at low temperature in an ambient atmosphere, and high mechanical properties of high-k Al 2 O 3 Thin film formation based on hybrid composite structure with low-k boron nitride (BN), a low dielectric material with stability and oxidation resistance, enables high-quality electrons due to high oxygen defect density inside Al 2 O 3 device implementation and reliability and provides improved performance while overcoming the limits) from the side, i) high-k Al 2 O 3 in a very uniform and clean the surface of the thin film state in the synthesis of low-k to BN Said, ii), and the significantly reduced oxygen defect density, hybrid Al 2 O 3 / BN thin film (insulating thin film) iii by oxygen defect density within reduced) hybrid Al 2 O 3 / BN leakage current and the dielectric of the thin film (insulating thin film) Low-temperature solution process for high-performance IGZO TFTs that improves the properties of similarly enhanced Induim gallium zinc oxide (IGZO) thin film transistors using improved, high-quality, optimized, low-temperature solution process methods with improved constant values To provide a high quality Al 2 O 3 / BN insulating film manufacturing method based on.

1) 공기중에서 저온 공정(low temperature in an ambient atmosphere)에서 용액 공정(solution process)을 기반 microwave annealing을 사용한다. 1) Use microwave annealing based solution process in low temperature in an ambient atmosphere.

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)2. A hybrid Al 2 O 3 / BN thin film (insulating thin film) was used by incorporating a composite of boron nitride (BN) into a high-k dielectric aluminum oxide (Al 2 O 3 ) insulating film. (Al 2 O 3 / BN was previously reported, but a composite insulating film based on low temperature solution process was first presented.)

3) 최적화된 용액 공정 방법을 적용하여 효과적이면서도 실용적인 고품질의 박막 제작(concentration, spin-speed 등을 통해 두께 및 절연 특성을 control 할 수 있다)3) By applying the optimized solution process method, it is possible to produce high quality thin film which is effective and practical (concentration, spin-speed, etc. can control thickness and insulation characteristics)

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)4) Applied to solution process based oxide semiconductor thin film transistor (IGZO TFT) (Can be applied to various semiconductor devices based on low temperature solution process as well as oxide semiconductor)

5) XPS 분석을 통해 산소 결함 상태(defect states)가 상대적으로 줄어들었음을 확인하였다(M-O 결합을 통해 고품질 박막의 origin을 확인함)5) XPS analysis confirmed that oxygen defect states were relatively reduced (M-O bond confirmed the origin of high quality thin film).

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. 11 is a device schematic diagram of a hybrid Al 2 O 3 / BN solution (b) solution process based hybrid Al 2 O 3 / BN dielectric depending on the concentration of BN. This shows the solution and device structure prepared for the production of high quality hybrid Al 2 O 3 / BN insulating thin film. The mixing ratios of Al 2 O 3 and BN powder of two kinds of insulating materials were 100: 0, 100: 1, 100: 4 and 100: 10. As shown in the figure, it can be observed that the synthesized solution becomes opaque with increasing concentration of BN.

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.12 is an AFM image showing the surface roughness of a thin film ((a): Al 2 O 3 , (b) Al 2 O 3 / BN (100: 1), (c) Al 2 O 3 / BN (100: 4) , (d) Al 2 O 3 / BN (100: 10)), SEM image showing the surface state and thickness of the thin film (e) Al 2 O 3 , (f) Al 2 O 3 / BN (100: 1), (g) Al 2 O 3 / BN (100: 4), (h) Al 2 O 3 / BN (100: 10)). 12 is an atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM) image measured for surface and thickness analysis of hybrid Al 2 O 3 / BN dielectric fabricated according to different mixing ratios. . As a result, it can be seen that the surface roughness without impurity particles in all thin films is about 0.1 nm, and when the solution process technology is used to induce uniform thin film formation, the synthesis of BN is performed on the surface of Al 2 O 3 dielectric. You can see that it does not affect the state at all. In addition, even though the ratio of BN synthesis to Al 2 O 3 increases, it can be seen that BN was successfully synthesized when a hybrid thin film was formed through almost no difference when the thickness of all thin films was ~ 30 nm.

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)FIG. 13 shows (a) leakage current according to gate voltage, (b) dielectric constant according to composition ratio of BN, (c) CV characteristic curve, and (d) capacitance value of hybrid Al 2 O 3 / BN insulating thin film . This shows the leakage current and capacitance of the high dielectric hybrid Al 2 O 3 / BN insulating thin film. As a result, it can be seen that the leakage current value of the hybrid Al 2 O 3 / BN insulating thin film is reduced by up to 100 times at 3 V compared with the conventional Al 2 O 3 thin film. This results in a solution process based Al 2 O 3 / BN insulated thin film with a mixing ratio of 100: 10 compared to high quality Al 2 O 3 thin films fabricated using a vacuum process that requires a lot of equipment and cost. It is competitive enough. In addition, the capacitance was measured to observe the change in dielectric constant by the synthesis of boron nitride (BN) having a low dielectric constant in Al 2 O 3 . As a result of calculating the dielectric constant value using the following formula, it can be seen that the tendency to increase compared with the existing Al 2 O 3 thin film having a dielectric constant of 6.04. (Al 2 O 3 : BN (100: 1)-7.08, Al 2 O 3 : BN (100: 4)-7.02, Al 2 O 3 : BN (100: 10)-7.49)

Figure 112017118679824-pat00001
Figure 112017118679824-pat00001

여기서, C는 정전 용량, ε0는 진공 상태의 유전 상수, εr는 유전 상수, d는 금속 사이의 거리, A는 전극 면적이다.Where C is the capacitance, ε 0 is the dielectric constant in vacuum, ε r is the dielectric constant, d is the distance between the metals, and A is the electrode area.

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. Based on these results, key technologies will be developed for high dielectric hybrid Al 2 O 3 / BN materials to implement high performance transistors and charge capacitors based on solution processing. When comparing the actual capacitance value, it can be seen that there is almost no difference in capacitance value regardless of the concentration of BN, and the number of charges in response to the change of frequency decreases, which tends to decrease with increasing frequency.

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. Improved insulating properties of the solution-based process of the hybrid Al 2 O 3 / BN films have oxygen vacancy ratio is decreased indicating a failure state of the Al 2 O 3 insulating film by the synthesis of BN in the Al 2 O 3. Shows that, while the proportion of the oxide form of coupling 44.22%, Al 2 O 3 significantly increased the synthesis of BN in the - X-ray photoelectron spectroscopy (XPS ) of the metal existing Al 2 O 3 thin film through the analysis. (Al 2 O 3 : BN (100: 1)-69.11%, Al 2 O 3 : BN (100: 4)-72.86%, Al 2 O 3 : BN (100: 10)-71.99%) Through this, BN The reduction of the oxygen vacancy density by the synthesis of s affects the improvement of the dielectric constant and leakage current.

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. 14 shows the ratio of BN ((a) Al 2 O 3 , (b) Al 2 O 3 : BN (100: 1), (c) Al 2 O 3 : BN (100: 4), (d) Al 2 O 3 : BN (100: 10)) is an XPS spectra of a hybrid Al 2 O 3 / BN insulating thin film prepared according to the present invention.

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. Based on the above results, the high potential of hybrid high dielectric Al 2 O 3 / BN thin films has been fully demonstrated. The present invention has been studied for the production of hybrid Al 2 O 3 / BN thin film using a micro annealing process method that requires a short time in room temperature air as mentioned in the background.

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.Figure 15 is a (a) device schematic and optical image of the Al 2 O 3 and hybrid Al 2 O 3 / BN (100: 10) insulating thin film prepared by thermal annealing and microwave annealing based on the solution process, (b) Transmittance information of the device. This shows the transmittance measurement results of the hybrid Al 2 O 3 / BN thin film fabricated by thermal annealing process requiring high temperature and microwave annealing process performed at room temperature. Regardless of BN synthesis and process method, all films showed high values similar to the transmittance of bare glass substrate (~ 91%). From these results, it can be seen that the optical properties of Al 2 O 3 thin films did not affect the transmission of BN, and the simple and highly reliable microwave annealing process induces the uniform BN synthesis. .

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. 16 shows the XPS measurement analysis results of the hybrid Al 2 O 3 / BN thin film prepared by thermal annealing and microwave annealing. The thin films prepared for this analysis were all formed as bilayers. As with the XPS analysis in the previous invention, the ratio of metal-oxide bond of the hybrid Al 2 O 3 / BN thin film was higher than that of the conventional Al 2 O 3 thin film, which was produced by the microwave annealing process. It was also effective for the device. This means that the defect density in the thin film, which leads to structural imperfections, is reduced. It should be noted that the metal-oxide bonding ratios of the Al 2 O 3 and Al 2 O 3 / BN thin films fabricated at room temperature are almost the same as those of the thin film fabricated by a process requiring a high temperature of 1000 ° C. or higher. .

(Thermal annealing - Al2O3 : 75.55 %, Al2O3/BN : 81.88%) (Thermal annealing-Al 2 O 3 : 75.55%, Al 2 O 3 / BN: 81.88%)

(Microwave annealing - Al2O3 : 75.11%, Al2O3/BN : 76.91%) (Microwave annealing-Al 2 O 3 : 75.11%, Al 2 O 3 / 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. In other words, in the case of microwave annealing, it can be seen that the high energy formed from the microwave irradiation is a very efficient process method while reducing the process temperature and reducing the time without degrading the quality of the thin film.

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. Figure 17 is an Al 2 O produced by thermal annealing 3 and hybrid Al 2 O 3 / BN thin film of (a) transfer, (b) an Al 2 O produced in output characteristic curve, microwave annealing 3 and hybrid Al 2 O 3 / (C) transfer characteristic curve and (d) output characteristic curve of BN thin film. The transfer curve and output curve of IGZO-TFT based on two kinds of insulating thin films manufactured by the two annealing methods mentioned above are shown. As a result of the measurement, the IGZO-TFT based on the hybrid Al 2 O 3 / BN thin film, as well as the on / off current ratio, threshold voltage and subthreshold swing (SS) compared to the conventional Al2O3 thin film based IGZO-TFT Excellent. This is due to the improved insulation performance and reduced defect density of the insulating film. These improvements were similar for microwave annealing at room temperature and showed sufficiently competitive performance when compared to devices fabricated with thermal annealing. This suggests that the microwave annealing process at room temperature is very practical and has high potential in realizing high quality electronic devices.

도 18은 용액공정 기반 Al2O3, 하이브리드 Al2O3/BN 절연 박막 및 IGZO 증착 과정을 보인 도면이다. 18 is a view showing a solution process-based Al 2 O 3 , hybrid Al 2 O 3 / BN insulating thin film and IGZO deposition process.

[공정 방법][Process Method]

[1] 기판의 유기물 및 불순물 제거 & 절연 박막 코팅을 위한 기판 친수성화 [1] substrate hydrophilization for the removal of organics and impurities from substrates and coating of insulating thin films

1) 아세톤, 메탄올, IPA를 이용하여 각 10분 동안 초음파 세척을 통한 기판 클리닝1) Substrate cleaning by ultrasonic cleaning for 10 minutes using acetone, methanol, IPA

2) 클리닝 후, UV 오존 처리(UV ozone treatment)를 사용하여 기판의 표면 친수성화2) After cleaning, surface hydrophilization of the substrate using UV ozone treatment

[2] 용액 공정 - 절연층 증착[2] solution process-insulating layer deposition

1) 스핀 코팅(spin coating)을 사용하여 Al2O3 및 하이브리드 Al2O3/BN 절연층을 기판에 증착1) Deposition of Al 2 O 3 and hybrid Al 2 O 3 / BN insulation layers onto the substrate using spin coating

2) furnace 및 microwave 장비를 이용하여 annealing 과정을 통한 박막 형성2) Thin film formation through annealing process using furnace and microwave equipment

[3] 용액 공정 - 활성층 증착[3] solution processing-active layer deposition

1) 스핀 코팅(spin coating)을 사용하여 IGZO 활성층을 형성된 절연층 위에 증착1) Deposit the IGZO active layer on the formed insulating layer using spin coating

2) furnace 및 microwave 장비를 이용하여 annealing 과정을 통한 박막 형성2) Thin film formation through annealing process using furnace and microwave equipment

* 박막 spin coating 조건* Thin film spin coating condition

1) Al2O3 및 하이브리드 Al2O3/BN : 45초 동안 6000rpm1) Al 2 O 3 and hybrid Al 2 O 3 / BN: 6000rpm for 45 seconds

2) IGZO 활성층 : 45초동안 4000rpm2) IGZO active layer: 4000rpm for 45 seconds

* 박막 annealing 조건* Thin film annealing condition

1) thermal annealing : 1시간 동안 400 ℃로 가열1) thermal annealing: heat to 400 ℃ for 1 hour

2) microwave annealing : 15분 동안 150 ℃로 가열 2) microwave annealing: heated to 150 ℃ for 15 minutes

[4] 금속 증착[4] metal deposition

1) MIM(Metal-Insulator-Metal) 구조 제작 : Al2O3 및 하이브리드 Al2O3/BN 박막 위 E-beam evaporation을 이용하여 50nm의 aluminum (Al) 증착1) Fabrication of MIM (Metal-Insulator-Metal) structure: Deposition of 50 nm aluminum (Al) using E-beam evaporation on Al 2 O 3 and hybrid Al 2 O 3 / BN thin films

2) TFT 구조 제작 : IGZO 박막 위 E-beam evaporation을 이용하여 50nm의 Al 증착을 통해 source, drain 전극 형성2) TFT structure fabrication: source and drain electrode formation by 50nm Al deposition using E-beam evaporation on IGZO thin film

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, The method for manufacturing a high quality Al 2 O 3 / BN insulating film based on a low temperature solution process for high performance IGZO TFTs of the present invention comprises (a) cleaning a substrate and removing the organic material and impurities from the substrate and hydrophilizing the substrate for coating an insulating thin film. step; (b) depositing a hybrid Al 2 O 3 / BN insulating layer obtained by synthesizing boron nitride (BN) on the Al 2 O 3 using thin film spin coating using a solution process, and then annealing ( forming a thin film through annealing); (c) depositing an IGZO active layer on the formed hybrid Al 2 O 3 / BN insulating layer using a thin film spin coating using the solution process, and forming a thin film through an annealing process; And (d) fabricating a metal-insulator-metal (MIM) structure, depositing a metal of 50 nm aluminum (Al) by using E-beam evaporation on the hybrid Al 2 O 3 / BN thin film, and forming a source and a drain electrode. Forming;

상기 기판은 하이 도핑된 실리콘(Highly doped Si) 기판을 사용하며, 게이트 전극이 형성된다. The substrate uses a highly doped Si substrate, and a gate electrode is formed.

(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.(A) cleaning the substrate, hydrophilizing the substrate for removing the organic material and impurities of the substrate and coating the insulating thin film, a predetermined time in the ultrasonic bath using acetone, methanol, isopropyl alcohol (IPA) Cleaning the substrate via ultrasonic cleaning during; And after cleaning the substrate, hydrophilizing the surface of the substrate using UV ozone treatment.

친수성화는 상기 기판을 클리닝 후, UV 오존 처리(UV ozone treatment)를 사용하여 마이크로웨이브 어닐링을 하여 기판의 표면을 친수성화한다. Hydrophilization involves cleaning the substrate followed by microwave annealing using UV ozone treatment to hydrophilize the surface of the substrate.

(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 (b) depositing an Al 2 O 3 and hybrid Al 2 O 3 / BN insulating layer on the substrate using a thin film spin coating using the solution process, and forming a thin film through annealing. The steps to

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.Depositing an Al 2 O 3 and hybrid Al 2 O 3 / BN insulating layer on the substrate using the spin coating; And forming a thin film through an annealing process using a furnace and a microwave device.

(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 (c) depositing an IGZO active layer on the formed hybrid Al 2 O 3 / BN insulating layer using thin film spin coating using the solution process, and forming a thin film by annealing.

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. Depositing the IGZO active layer over the formed insulating layer using the spin coating; And forming a thin film through an annealing process using a furnace and a microwave device.

상기 박막 스핀 코팅은 The thin film spin coating

상기 Al2O3 및 하이브리드 Al2O3/BN 박막을 45초 동안 6000rpm 회전수로 스핀 코팅하며, Spin coating the Al 2 O 3 and hybrid Al 2 O 3 / BN thin film at 6000 rpm for 45 seconds,

상기 IGZO 활성층은 45초동안 4000rpm 회전수로 스핀 코팅한다.The IGZO active layer was spin coated at 4000 rpm for 45 seconds.

실시예에서는, 상기 어닐링은 실온에서 마이크로웨이브 어닐링을 사용한다. In an embodiment, the annealing uses microwave annealing at room temperature.

상기 어닐링 시에, 박막 어닐링(annealing) 조건은 In the annealing, the thin film annealing condition is

열 어닐링(thermal annealing)은 1시간 동안 400℃로 가열하며, Thermal annealing is heated to 400 ° C. for 1 hour,

마이크로웨이브 어닐링(microwave annealing)은 15분 동안 150 ℃로 가열한다. Microwave annealing is heated to 150 ° C. for 15 minutes.

(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, (d) The metal-insulator-metal (MIM) structure is fabricated, and a metal of 50 nm aluminum (Al) is deposited using E-beam evaporation on the Al 2 O 3 and hybrid Al 2 O 3 / BN thin films. Forming the source and drain electrodes,

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. Fabricating a metal-insulator-metal (MIM) structure, and depositing 50nm aluminum (Al) on the Al 2 O 3 and the hybrid Al 2 O 3 / BN thin film using E-beam evaporation; And forming a source and a drain electrode through Al deposition of 50 nm using E-beam evaporation on the IGZO thin film.

상기 Al2O3 과 BN 두 종류의 절연 물질 powder의 혼합 비율은 100:0, 100:1, 100:4, 100:10으로 구성되어 혼입된다. The mixing ratio of the Al 2 O 3 and BN two kinds of insulating material powder is mixed and composed of 100: 0, 100: 1, 100: 4, 100: 10.

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. The hybrid Al 2 O 3 / BN insulating layer is a mixture ratio of the Al 2 O 3 and the low-k boron nitride (BN) two kinds of insulating material powder is 100: 0, 100: 1, 100: 4, 100: 10 It is composed and mixed differently, and the solution-processed hybrid Al 2 O 3 / BN dielectric thin film has good frequency response without serious loss of capacitance regardless of BN concentration.

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. The hybrid Al 2 O 3 / BN insulating layer has a solution-processed Al 2 O 3 dielectric thin film has a high leakage current level compared to the vacuum process Al 2 O 3 dielectric thin film, solution-processed The leakage current of the Al 2 O 3 dielectric thin film is significantly suppressed by the incorporation of BN, and the current level is reduced 100 times at 3V compared to the current level of the clean Al 2 O 3 dielectric thin film, and the Al 2 O 3 thin film Its optical properties do not affect the transmission of BN, and i) maintains a very uniform and clean thin film surface state for the synthesis of BN in Al 2 O 3 , ii) hybrid Al 2 O 3 / BN The oxygen defect density of the thin film is significantly reduced and iii) the leakage current and dielectric constant values of the hybrid Al 2 O 3 / BN thin film are improved.

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. The IGZO-TFT with Al 2 O 3 / BN composite dielectric increases the drive current and flash rate (on-off current ratio) and shifts the threshold voltage towards 0V, sub-threshold swing (SS). , The field-effect mobility was increased by three times regardless of the annealing process, and the improvement of all key indicators of the devices was improved by the dielectric properties of the solution-processed Al 2 O 3 incorporating improved BN. characteristics, due to the (dielectric characteristics), and the Al 2 O 3 / BN composite film (Al 2 O 3 / BN composite films) oxygen defect condition (reduced defect states) in found by XPS measurement decreases improved electrical properties .

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. In the IGZO-TFT having the Al 2 O 3 / BN composite dielectric film, the incorporation of BN into the Al 2 O 3 film showed that the Al-O bond state was reduced in the XPS spectrum without deteriorating optical properties. Dielectric characteristics of Al 2 O 3 / BN composite membranes with relatively fewer oxygen defect states from the distribution of Al-O bonding states were improved.

(실시예1)Example 1

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) Improved dielectric characteristics of solution-processed hybrid aluminum oxide / boron-nitride thin films

1) 개요1) Overview

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.Hybrid material compositions have been extensively studied in an effort to improve the electrical properties of dielectric films used in various electronic devices such as field-effect transistors and storage capacitors. In large part, solution-based compositions have received considerable attention as very effective and practical techniques that can replace vacuum-based processes in large areas. Here, a solution-processed composition of high-k aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and low-k boron nitride (BN) with a thickness of ~ 30 nm exhibiting significant dielectric properties. We demonstrate a solution-processed hybrid composite thin film. Leakage of a process treatment Al 2 O 3 / BN thin film - dielectric constant, loss and morphological roughness (morphological roughness) pure Al 2 O 3 dielectric film (Al 2 O 3 dielectric film) solution compared to no degradation of the (dielectric constant) The current was reduced by 100 times at 3V. Characterization by X-ray photoelectron spectroscopy measurements is that the incorporation of BN into the Al 2 O 3 dielectric film reduces the density of oxygen vacancies that act as a defect. It has been shown to improve characteristics.

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.Efforts have been reported to reinforce the electrical and physical properties of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) thin films as dielectric materials for electronic products. Al 2 O 3 thin films are widely studied for high-k dielectrics, which exhibit excellent dielectric properties due to wide band gaps (6.4 to 6.9 eV), good mechanical hardness, relatively high thermal conductivity and smooth surface properties. Has been. In particular, the high expectations for solution-processed Al 2 O 3 thin films depend on low cost manufacturing processes suitable for large areas. However, defect states, such as oxygen vacancies in Al 2 O 3 thin films, are solution-process for high-quality high-k dielectric films that affect device performance and reliability of these electronic devices in industrial applications. It hinders the development of technology. For this reason, there is a method of forming composites with other materials in order to improve dielectric properties of Al 2 O 3 thin films. Among these efforts, hybrid material compositions have been intensively studied to overcome the limitations of inherent material properties of individual thin films. However, many reports of these improvements are based on vacuum technology, which is known for its high manufacturing costs and complex processes.

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. Of a hybrid dielectric composite thin film process treatment (solution-processed hybrid dielectric composite thin films) - In this study, high-k Al 2 O 3 ( high-k Al 2 O 3) and a low-k boron nitride (BN) a solution consisting of Proved its potential. BN is composed of boron and nitrogen atoms in a ratio of 1: 1, and it is characterized by excellent material properties such as high mechanical strength, stability, high thermal conductivity, and high oxidation resistance compared to other dielectric materials. It has been studied hard in the high-tech field. In addition, BN has an atomically smooth surface with about 6 wide band-gaps, a low dielectric constant of 3-4, and little dangling bonds or trap states. surfaces are made and used in high performance electronic devices, particularly as a good dielectric film. Dielectric characteristics (dielectric characteristics) solution treatment hybrid Al 2 O 3 / BN thin film (solution-processed hybrid Al 2 O 3 / BN thin films) of the improved ~ 30nm thickness, using a simple melting method at a concentration optimized (dissolution method) Could get In addition, improved electrical properties of the composition through characterization, including atomic force microscopy (AFM), scanning electron microscopy (SEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurements The origin of the performance was investigated. The work will improve the dielectric properties of thin films for a variety of devices such as field effect transistors (FETs) and storage capacitors that operate at low voltages.

2) 실험 2) experiment

도 11(a)는 질산 알루미늄 비수화물(aluminum nitrate nonahydrate)Figure 11 (a) is 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. (99.997%, Sigma Aldrich) and BN powders (AC6013, MOMENTIVE) dissolved in 2-methoxyethanol and synthesized with different BN concentrations of Al2O3 / 0.15 M). Both types of powders were mixed in a constant ratio (aluminum nitrate nonahydrate powder to BN powder ratio, 100: 0, 100: 1, 100: 4 and 100: 10). To ensure uniformity of solutions, clean Al 2 O 3 solution (0.8M) and Al 2 O 3 / BN solution were magnetically stirred at room temperature for 12 hours. As can be seen, the synthesized solutions become opaque as the concentration of BN increases, indicating that the BN powder is not chemically affected by the Al 2 O 3 solution. 11 (b) shows BN (Al 2 O 3 , Al 2 O 3 : BN (100: 1), Al 2 O 3 : BN (100: 4), Al 2 O 3 : BN (100: 10)). Schematic of solution treated hybrid Al 2 O 3 / BN dielectric thin films with different concentrations. Fabrication starts with a high concentration silicon substrate with a resistance of 0.01 Ωcm after washing with conventional organic solvents of acetone, methanol and isopropyl alcohol (IPA) in an ultrasonic bath for 10 minutes each.

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.After wet cleaning process, the substrate is surface treated by exposure to ultraviolet-ozone for 20 minutes to advantageously change the surface energy and more hydrophilic in solution process. Was given. Thereafter, the mixed Al 2 O 3 / BN dielectric thin film was deposited by spin-coating for 45 seconds at a rotational speed of 6000 rpm, and then pre-fired at 50 ° C. for 2 minutes. After the pre-baking process, the film was thermally annealed at 400 ° C. for 2 hours in air. A 50 nm aluminum layer was then deposited by electron beam deposition under vacuum of about 10-6 torr to characterize the electrical properties of the solution-processed hybrid Al 2 O 3 / BN dielectric film after patterning. The leakage current and capacitance of the dielectric films fabricated in this study were measured using a 4155B semiconductor parametric analyzer and a 4284A LCR meter in air.

3) 결과 3) results

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.Figure 12 (a), (b) , (c), (d) is compared to the AFM measurement result of the existing clean Al 2 O 3 dielectric film (pristine Al 2 O 3 dielectric thin film) solution - the process treatment Al 2 Morphological characteristics of O 3 / BN dielectric thin film are shown. BN (Al 2 O 3, Al 2 O 3: BN (100: 1), Al 2 O 3: BN (100: 4) and Al 2 O 3: BN (100 : 10)) the concentration of different Al 2 O of The surface roughness values of the 3 / BN dielectric film were 0.124 nm, 0.115 nm, 0.125 nm and 0.123 nm, indicating that the surface morphology of the Al 2 O 3 dielectric film was not affected by the binding with BN. Hybrid Al 2 O 3 / BN flat and smooth surface of the dielectric thin film (hybrid Al 2 O 3 / BN dielectric thin films) are BN does not chemically influenced by the Al 2 O 3 solution (Al 2 O 3 solutions) solution It is due to the uniform mixing by the process.

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. Figure 12 (e), (f) , (g), (h) is clean Al 2 O 3 as compared to the dielectric film in the concentration, the concentration of a BN measured with SEM another solution - the process treatment Al 2 O 3 / BN The surface shape of the dielectric thin film is shown. As expected, regardless of the BN concentration used, very clean surfaces without internal or external particles (impurities or domains) were observed in the solution-processed hybrid Al 2 O 3 / BN dielectric film.

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.12 (e), (f), (g) and (h), the figures of BN concentration (Al 2 O 3 , Al 2 O 3 : BN (100: 1), Al 2 O 3 : BN (100: 4), Al 2 O 3 : BN (100: 10)) shows the thickness of different solution-processed Al 2 O 3 / BN dielectric thin films. Compared to the pure Al 2 O 3 dielectric film having a 30nm thickness, a solution-process handling a hybrid Al 2 O 3 / BN significant change in thickness of the dielectric film has not been observed, which BN powder (BN powders) are Al 2 O 3 means that the dielectric film (Al 2 O 3 dielectric films) successfully embedded in. The morphological properties determined by AFM and SEM measurements support that mixing BN into an Al 2 O 3 dielectric film to construct a hybrid material is realized by a simple and effective solution process in air.

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. FIG. 13A is a graph of leakage current I versus applied gate voltage V of a solution-processed hybrid Al 2 O 3 / BN dielectric thin film having a different concentration of BN. Low leakage current levels among the dielectric characteristics are key to enabling high performance electronic devices such as field effect transistors and storage capacitors. In general, solution-processed Al 2 O 3 dielectric thin films exhibit high leakage current levels compared to vacuum processes. However, the leakage current of solution-processed Al 2 O 3 dielectric thin films was significantly suppressed by the incorporation of BN. The current level was reduced 100 times at 3V compared to the current level of the clean Al 2 O 3 dielectric thin film. Al 2 O 3: BN (100 : 10) the size of the leak current in the sample is manhadaneun compared to the leakage current of a vacuum process high-quality Al 2 O 3 dielectric film (vacuum-processed high quality Al 2 O 3 dielectric thin films) It should be noted that This advance can be presumed to be due to the reduction of the dielectric constant of the Al 2 O 3 film by the combination of low-k BN dielectrics that affect the charge density. To verify this, as shown in FIG. 13 (b), the capacitance of the solution-processed hybrid Al 2 O 3 / BN dielectric thin film having different BN concentration at a frequency of 1 KHz was measured. The dielectric constants of each dielectric film were extracted by the following equation.

Figure 112017118679824-pat00002
(1)
Figure 112017118679824-pat00002
(One)

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.Where C is the capacitance (capacitance), ε 0 is the vacuum permittivity, ε r is the dielectric constant, A is the area of the metal electrode, and d is the distance between both sides of the metal. As shown, each dielectric film (Al 2 O 3 , Al 2 O 3 : BN (100: 1), Al 2 O 3 : BN (100: 4), Al 2 O 3 : BN (100: 10)) The permittivity of is 6.04, 7.08, 7.02, and 7.49, respectively, indicating that the dielectric constant of the Al 2 O 3 film is not reduced by incorporation of the low permittivity BN dielectric. In addition, the dielectric constant of the solution-processed hybrid Al 2 O 3 / BN dielectric thin film increased slightly with the concentration of BN. That is, as the BN concentration of the Al 2 O 3 solution was carefully optimized, the high-k dielectric constant of the Al 2 O 3 thin film was not reduced by the hybrid material composition with the low dielectric constant of BN. FIG. 13 (c) shows the capacitance (capacitance) of solution-treated hybrid Al 2 O 3 / BN dielectric thin films having different BN concentrations as a function of measurement frequency. In general, the capacitance of dielectric films decreases with increasing frequency because the number of charges that can respond to a sharp change in frequency decreases. The rate of decrease in capacitance with increasing frequency band is in the 100 kHz range. Regardless of the BN concentration, the solution-processed hybrid Al 2 O 3 / BN dielectric thin film showed a good frequency response without significant loss of capacitance. However, a significant reduction in capacitance was observed when the frequency reached 1 MHz. There is still room to improve the dielectric characteristics of solution-processed hybrid Al 2 O 3 / BN dielectric thin films for high speed electronic devices by interfacial engineering with an optimized solution process. In particular, excessive BN concentrations for hybrid Al 2 O 3 / BN dielectric films affect morphological properties as well as electrical properties. For this reason, hybrid material configurations must be carefully optimized to achieve the high dielectric properties of solution-processed high-k films with thicknesses of ~ 30 nm.

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. Next, the solution-process handling a hybrid Al 2 O 3 / BN dielectric film improved dielectric characteristics (solution-processed hybrid Al 2 O 3 / BN dielectric thin films) (dielectric characteristics) is Al 2 O 3 through a combination of BN This can be explained by the suppressed oxygen vacancies, which act as defects in the dielectric thin film. For analytical studies on the density of oxygen vacancies, XPS measurements of solution-processed hybrid Al 2 O 3 / BN dielectric films were performed. Figure 4 shows the O1s XPS spectra of a solution-processed hybrid Al 2 O 3 / BN dielectric thin film with different BN concentrations. Peaks centered around 530 eV and 531.7 eV are well known to represent Al-O and Al-OH bonding states. Compared to the ratio of Al-O bonding of clean Al 2 O 3 dielectric thin film (44.22%), solution-processed hybrid Al 2 O 3 / BN dielectric thin film has a high ratio of 69.11% (Al 2 O 3 : BN (100: 1), Al 2 O 3 : BN (100: 4) 72.86%, Al 2 O 3 : BN (100: 10) 71.99% This result is Al 2 O 3 dielectric thin film Density of oxygen vacancies is reduced by the incorporation of BN, which is in good agreement with the improved dielectric properties of leakage current and dielectric constant as discussed above. The improved dielectric characteristics of the solution-processed hybrid Al 2 O 3 / BN dielectric thin film are due to the improved Al-O bonding state compared to the clean Al 2 O 3 dielectric thin film. It can be concluded that it inhibits the effects of oxygen vacancies on properties.

4) 결론 4) Conclusion

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. We clean Al 2 O 3 that is the dielectric properties improved as compared to the dielectric properties of the dielectric thin film ~ 30nm solution having a thickness of-the hybrid Al 2 O step process 3 / BN dielectric film (solution-processed hybrid Al 2 O 3 / BN dielectric thin films) were demonstrated. Morphological analysis by AFM and SEM measurements showed that the roughness and thickness of the Al 2 O 3 dielectric thin films were not significantly affected by the incorporation of BN. Using a simple dissolution method with optimized concentration, solution-processed hybrid Al 2 O 3 / BN dielectric thin films reduce leakage current without loss of dielectric constant.

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.The XPS spectra were also explored to investigate the causes of the improvement of the dielectric properties of solution-processed hybrid Al 2 O 3 / BN dielectric thin films. Reduced oxygen vacancies in the Al 2 O 3 dielectric film result in an improvement in intrinsic material properties by incorporation of BN. Further work on the BN incorporation mechanism for improved Al-O bonding states of Al 2 O 3 dielectric films will be reported elsewhere.

□ 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)□ an Al produced at room temperature 2 O 3 / BN high performance solution using a composite dielectric-step process the IGZO thin film transistor (High-performance solution-processed IGZO thin-film transistors with Al 2 O 3 / 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.In recent years, solution-process technology has attracted notable attention in terms of manufacturing costs and enables large area deposition of various electronic devices and circuits. In particular, solution-processed composite dielectrics are being thoroughly investigated as part of efforts to improve device performance of thin film transistors (TFTs). In addition, solution-processed indium-gallium-zinc oxide (IGZO) using a solution-processed aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and boron nitride (BN) composite membrane as a high-k dielectric film that can be fabricated at room temperature. , ndium-gallium-zinc-oxide) TFTs have been reported. Al 2 O 3 / BN composite dielectric by optimizing the process conditions of (Al 2 O 3 / BN composite dielectrics), field-effect mobility (field-effect mobility) of the IGZO TFT is clean Al 2 O 3 dielectric (pristine Al 2 O 3 times greater than 3 dielectrics). This is a result of the improved dielectric properties of Al 2 O 3 membranes solution-processed by the reduced density of defect states. Characterization using transmittance, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and direct current electrical measurements has enabled IGZO-TFTs that are electromagnetically excited by microwave absorption to be thermally energized and competitive devices. Finally demonstrate the performance of Activated by thermal heating at 400 ° C. Microwave annealing leads to a faster reaction at higher temperatures and is an effective and practical approach to solution-processed metal-oxide semiconductors and dielectrics fabricated at room temperature in air. Can be.

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. Solution-processed thin film transistors (TFTs) are widely used in a variety of electronic applications based on the advantages of low manufacturing costs and large area deposition. Solution-processed TFTs based on metal-oxide semiconductors and dielectrics have been reported for their useful material properties. Amorphous metal-oxide semiconductors (AOS), such as indium-gallium-zinc-oxide (IGZO), the active layer of TFTs, have large optical band gaps (~ 3.2 eV) and good charge transfer. Because of the transport, it shows excellent superb transparency and electrical conductivity. In addition, metal-oxide dielectrics, such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ), the gate dielectric in the TFT, have wide band gaps and high dielectric constants (high-k). It has good dielectric characteristics when For this reason, AOS-based TFTs with high-k metal-oxide dielectrics are used in high performance transparent electronics such as display backplanes and solar windows. come. However, high quality metal oxide semiconductors and dielectrics require annealing temperatures as high as 400-500 ° C. during the sol-gel deposition process. Regarding the thermal energy budget, many attempts have been made to reduce process temperature and time without degrading the film quality of metal-oxide semiconductors and dielectrics.

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. Kim et al., A high-quality solution-processed sol-gel prepared via photochemical activation at room temperature of 23 ° C. through deep-ultraviolet (DUV) irradiation annealing. A film (solution-processed sol-gel films) was reported. Recently, high quality solution-processed metal oxide semiconductors and dielectrics have been fabricated using a simple and effective microwave annealing method at room temperature in the surrounding environment. It was also observed that the addition of boron nitride (BN), which greatly affects the device performance of the IGZO TFT, can improve the dielectric properties of the Al 2 O 3 film. Because BN sheets can be easily separated by weak van der Wall'force, BN is a ceramic-based composition matrix that exhibits significant material properties with low dielectric constant, wide band gap (~ 6eV), and atomically smooth surfaces. based composition matrix). We also found that high quality solution treated Al2O3 / BN composite membranes can be achieved through microwave annealing at room temperature, unlike the traditional thermal annealing process at 400 ° C.

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.In the present invention, the effects of the Al 2 O 3 / BN composite dielectric solution per device of the IGZO-TFT prepared by a two-time heat treatment process, a thermal annealing process of 400 ℃ and a microwave heat treatment process in atmospheric air at room temperature. We also demonstrate a high performance low voltage operating IGZO-TFT with an Al 2 O 3 / BN composite dielectric through solution-process at room temperature using microwave annealing. The analytical results generally demonstrate that microwave annealing can be a promising route to realizing high-performance solution-processed metal-oxide-based TFTs.

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.Figure 19 (a) is a schematic cross-sectional view of the Al 2 O 3 / BN composite dielectric solution-processed IG-ZO-TFT, (b) is an AFM image of the solution-processed Al 2 O 3 / BN composite film. Fabrication began with a high p doped silicon substrate with a resistivity of ˜0.01 Ω cm used as a gate electrode for IGZO-TFT. The substrates were initially rinsed with organic solvents of acetone, methanol and isopropyl alcohol (IPA) for 10 minutes each. The surface of the sample was then made hydrophilic by treatment with ultraviolet ozone (UV ozone). Aluminum nitrite nonahydrate (99.997%, Sigma Aldrich) and BN powder (AC6013, MOMENTIVE) were dissolved in 2-methoxyethanol at a ratio of 100: 0 and 100: 10 to Al 2 O 3 / BN solution ( Al 2 O 3 / BN solution) (0.8M) (2-ME) was used as solvent. An Al 2 O 3 / BN composite film having a thickness of 41 nm is deposited by spin-coating, followed by microwave annealing (at 700 W power and 60 Hz frequency) at room temperature for 15 minutes in air. 19 (b) shows the morphological characteristics of the solution-processed Al 2 O 3 / BN composite membrane determined by atomic force microscopy (AFM) measurement. A flat and smooth surface of the Al 2 O 3 / BN composite film was observed, indicating that BN was successfully embedded in the Al 2 O 3 film. In the microwave irradiation process, the temperature inevitably rises to 150 ° C. We formed a very poor composite membrane with a significant amount of defect state when the Al 2 O 3 / BN composite membrane was thermally annealed at 150 ° C. Next, in-dium nitrate hydrate (99.999%, Sigma Aldrich), gallium nitrate hydrate (99.9%, Sigma Aldrich) and zinc nitrate hydrate (99.999%, Sigma Aldrich) The powder is dissolved and IGZO solution (0.125M) 2-ME is used as the solvent. Subsequently, an IGZO active layer having a thickness of 30 nm is deposited by spin-coating, followed by microwave annealing. To form the source / drain electrodes, a 50 nm thick layer of aluminum was deposited under a vacuum of ˜10-6 torr after the patterning step. Finally, the process of IGZO-TFT using Al2O3 / BN composite dielectrics was completed by patterning the channels involved in photolithography and wet-etching. The IGZO-TFT fabricated in this study has a channel width of 1000 μm and a channel length of 50 μm. Semiconductor parameter analyzers are used to measure the direct current (DC) electrical characteristics of IGZO-TFTs in ambient air. The applied voltage between the gate electrode and the source electrode is 5V.

도 19를 참조하면, Al2O3/BN 절연막을 갖는 IGZO TFT는 Referring to FIG. 19, an IGZO TFT having an Al 2 O 3 / BN insulating film is

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. A substrate on which a gate electrode is formed; Hybrid Al 2 , which is deposited on the substrate by using a thin film spin coating using a solution process in air, and synthesizes BN (boron nitride) on the Al 2 O 3 on which a thin film is formed through an annealing process. O 3 / BN insulation layer; An IGZO (Induim gallium zinc oxide) active layer deposited on the hybrid Al 2 O 3 / BN insulating layer using a thin film spin coating using the solution process, and a thin film formed through an annealing process; And a source and a drain electrode on which a metal of 50 nm aluminum (Al) is deposited using E-beam evaporation on the hybrid Al 2 O 3 / BN thin film.

상기 기판은 하이 도핑된 실리콘(Highly doped Si) 기판을 사용하며, The substrate uses a highly doped Si substrate,

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.Using acetone, methanol and isopropyl alcohol (IPA), the substrate is cleaned by ultrasonic cleaning in an ultrasonic bath for a predetermined time, and after cleaning, the substrate is cleaned using UV ozone treatment. IGZO TFT having a hydrophilic surface of the substrate, Al 2 O 3 / BN film.

상기 박막 스핀 코팅은 상기 Al2O3에 BN을 합성한 하이브리드 Al2O3/BN 박막을 45초 동안 6000rpm 회전수로 스핀 코팅하며, 그리고 The thin film spin coating spin-coated a hybrid Al 2 O 3 / BN thin film synthesized BN to the Al 2 O 3 at a rotation speed of 6000rpm for 45 seconds, and

상기 IGZO 활성층은 45초동안 4000rpm 회전수로 스핀 코팅한다. The IGZO active layer was spin coated at 4000 rpm for 45 seconds.

실시예에서는, 상기 어닐링은 실온에서 마이크로웨이브 어닐링을 사용한다. In an embodiment, the annealing uses microwave annealing at room temperature.

상기 어닐링 시에, 박막 어닐링(annealing) 조건은 In the annealing, the thin film annealing condition is

열 어닐링(thermal annealing)은 1시간 동안 400℃로 가열하며, Thermal annealing is heated to 400 ° C. for 1 hour,

마이크로웨이브 어닐링(microwave annealing)은 15분 동안 150 ℃로 가열한다. Microwave annealing is heated to 150 ° C. for 15 minutes.

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. Forming a composite film of an Al 2 O 3 / BN insulating layer having a ratio of 100: 0, 100: 1, 100: 4, and 100: 10 prepared by the thermal annealing and the microwave and microwave annealing, The microwave annealing process of Al 2 O 3 , a high-k dielectric material, and BN, a low-k dielectric material, uniformly bonds BN to the Al 2 O 3 film.

상기 하이브리드 Al2O3/BN 절연층은 The hybrid Al 2 O 3 / BN insulating layer

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, The mixing ratio of the Al 2 O 3 and the low-k boron nitride (BN) two kinds of insulating material powders is 100: 0, 100: 1, 100: 4, 100: 10 differently composed,

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. The solution-processed Al 2 O 3 dielectric thin film has a higher leakage current level compared to the vacuum process Al 2 O 3 dielectric thin film, and the leakage current of the solution-processed Al 2 O 3 dielectric thin film is The leakage current is considerably suppressed by the incorporation of BN, and the current level is reduced by 100 times at 3V compared to the current level of the clean Al 2 O 3 dielectric thin film, and the optical characteristics of the Al 2 O 3 thin film have a transmittance ( transmittance) is not affected, i) it maintains a very uniform and clean thin film surface state for the synthesis of BN in Al 2 O 3 , ii) the oxygen defect density of hybrid Al 2 O 3 / BN thin film is significantly reduced and iii) The leakage current and dielectric constant values of the hybrid Al 2 O 3 / BN thin film are improved.

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. Figure 15 (a) is a conceptual cross-sectional and optical image of Al 2 O 3 / BN composite film solution-processed at the ratio of 100: 0 and 100: 10 on the original glass substrate prepared by thermal and microwave annealing , And (b) transmittance for each sample.

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.Figure 15 (a) is a solution-process treatment of Al 2 O 3 / BN composite film is heat-treated and microwave annealing respectively on a glass substrate made of 100: 1 and 100: at a rate of 10 solution - the process treatment Al 2 O 3 Show the schematic cross section and optical image of the / BN composite membrane. A uniform and transparent membrane was formed without the addition and annealing of BN, indicating that BN was homogeneously embedded in the Al 2 O 3 membrane. The relative dielectric constants of 100: 0 and 100: 10 of the Al 2 O 3 / BN composite membrane were 6.04 and 7.49, respectively, as determined by capacitance-voltage (CV) measurements using an LCR meter. This result indicates that Al 2 O 3 film, the dielectric constant (dielectric constants of the Al2O3 film) The low-k BN does not decrease during the incorporation of the dielectric (low-k dielectrics BN). 100 to 0 and 100 to 10 ratios of Al 2 O 3 / BN composite membranes prepared by thermal and microwave annealing of each sample to characterize optical properties and transmittance measurements. Measurements were performed in the 300-800 nm wavelength range. As shown in Fig. 15 (b), all samples showed high transmittance close to 91% in the measurement wavelength range similar to that of the original glass substrate exposed without loss of transmittance. According to these results, the optical properties of the Al 2 O 3 thin film is not affected by the incorporation of BN. The compositions of Al 2 O 3 , a high-k dielectric material, and BN, a low-k dielectric material, were significantly affected by the concentration used. Excessive BN concentrations in Al 2 O 3 / BN composite membranes lead to additional defect states that exceed structural integration. The optical characterization results in this case show that the simple and reliable microwave annealing process used in this study can uniformly and effectively bind BN to Al 2 O 3 films.

열 어닐링 및 마이크로웨이브 어닐링(thermal and microwave annealing)에 의해 제조된 100 : 0 및 100 : 10 비율의 Al2O3/BN 복합 막을 형성하며, Forms an Al 2 O 3 / BN composite film of 100: 0 and 100: 10 ratios prepared by thermal annealing and microwave annealing,

High-k 유전체 재료 인 Al2O3와 Low-k 유전체 재료 인 BN의 상기 마이크로웨이브 어닐링 공정이 BN을 Al2O3 막에 균일하고 결합되는 것을 특징으로 한다. The microwave annealing process of the high-k dielectric material Al 2 O 3 and the low-k dielectric material BN is characterized in that the BN is uniformly bonded to the Al 2 O 3 film.

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. FIG. 15 shows (a) solution-processed Al 2 O 3 / BN composite films on a glass substrate prepared by thermal and microwave annealing at a ratio of 100: 0 and 100: 10 Cross-sectional view and optical image, and (b) transmittance for each sample. FIG. 15 shows O1s XPS spectra of Al 2 O 3 / BN composite membranes solution-processed at a ratio of (a) 100: 0 and (b) 100: 10 prepared by thermal annealing, and prepared by microwave annealing ( c) O1s XPS spectra of Al 2 O 3 / BN composite membranes solution-processed at a ratio of 100: 0 and (d) 100: 10. 15 shows the O1s XPS spectra of solution-processed Al 2 O 3 / BN composite membranes prepared by thermal and microwave annealing at ratios of 100: 0 and 100: 10, respectively.

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.Compared to the clean Al 2 O 3 film made by thermal annealing (75.55%), the Al 2 O 3 / BN composite film made by thermal annealing has Al-O bonding states. ) (81.88%). This tendency has also been observed in films made by microwave annealing. Al-O bonding states slightly increased from 75.11% to 76.91% when BN was incorporated into the Al 2 O 3 thin film. These findings indicate that defective bonding states (Al-OH), which cause structural imperfections of metal-oxide dielectric films, are not affected by Al 2 O regardless of the annealing process. It is reduced in the 3 / BN composite film (Al 2 O 3 / BN composite films).

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. In addition, the part of Al-O bonding states in films made by microwave annealing is very high in Al-O bonding states in films made by thermal annealing at 400 ° C. Similar. High quality Al 2 O 3 / BN composite membranes can be achieved by microwave annealing at room temperature. Thermal annealing provides longer thermal conduction during the sol-gel process to provide thermally activated energy, whereas microwave annealing ) Provides excitation energy by microwave absorption electronically for a relatively shorter time.

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.In other words, the relatively higher energy from microwave irradiation can lower process temperature and shorten the required process time for structural integration, regardless of solution-processed material degradation. We believe that by optimizing the microwave annealing process, the material properties of Al 2 O 3 / BN composite membranes still have room to improve.

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.Next, the solution through a thermal anneal and a microwave anneal - prepare a-IGZO TFT having a Al 2 O 3 / BN composite dielectric (Al 2 O 3 / BN composite dielectrics) that operates at a low voltage by the process.

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. As shown in Figure 16, fresh Al 2 O 3 dielectric material with respect to these values in (pristine Al 2 O 3 dielectrics) Al 2 O 3 / BN IGZO-TFT having a composite dielectric is the drive current and off ratio (on Off current ratio) increased and shifted the threshold voltage to 0 V, decreasing the sub-threshold swing (SS). Significantly, field-effect mobility was increased threefold regardless of the annealing process. The improvement of all key indicators of the devices is due to the dielectric characteristics of solution-processed Al 2 O 3 incorporating improved BN.

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. This improvement in electrical properties is in good agreement with the reduced defect states in the Al2O3 / BN composite films found by XPS measurements. Excellent power and transfer characteristics have been achieved with IGZO-TFTs made by microwave annealing at room temperature, which is competitive compared to the power and transfer properties of IGZO-TFTs made by traditional thermal annealing at 400 ° C. In addition, S.S. of IGZTO-TFT prepared by microwave annealing was lower than S.S. (0.91 to 0.3 V / dec) of IGZTO-TFT prepared by thermal annealing. This relates to defect states at the interface between the gate dielectric and the semiconductor films.

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. Microwave annealing has been shown to be more effective and practical for solution-processed technology, and has been found in metal-oxide semiconductors and dielectrics at room-temperature in an ambient atmosphere. It can be concluded that dielectrics can be produced.

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, 그리고16 is the solution through the thermal annealing-process (solution-process) 100 produced by: a 10 ratio (a) Al 2 O 3 / BN dielectric film (Al 2 O 3 / BN dielectric films): 0 to 100 (A) transfer characteristics and (b) output characteristics of the IGZO-TFT having, and

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. (C) transfer characteristics and (d) output characteristics of IGZO-TFTs having Al 2 O 3 / BN dielectric films at ratios of 100: 0 and 100: 10 prepared by solution-process via microwave annealing.

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.We demonstrated a high performance, low voltage operation IGZO-TFT with Al 2 O 3 / BN composite dielectric films prepared by solution-process through microwave annealing at room temperature. Based on the results of the transmission and CV measurements, the incorporation of BN into the Al 2 O 3 film improved the dielectric characteristics without degrading the optical properties. As determined from the distribution of Al-O bonding states in the XPS spectrum, the main cause of the enhanced dielectric properties of Al 2 O 3 / BN composite films has relatively fewer defect defect states. . It was found that the device key metrics of all devices of the IGZO TFT were improved due to the improved dielectric properties of the solution-processed Al 2 O 3 film upon incorporation of BN. In addition, in this study, the possibility of microwave annealing for IGZO-TFT's solution process technology was studied to reduce the process temperature and the time required. Optimized IGZO-TFT fabricated by microwave annealing at room temperature showed excellent power and transfer characteristics consistent with the results of IGZO-TFT prepared by traditional thermal annealing at 400 ° C.

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.The solution process technology used in the present invention not only requires expensive equipment but also enables large-area deposition and uniform thin film formation, which is better than the conventional vacuum process in terms of cost and efficiency, and has high competitiveness when commercialized. .

단순한 물질의 합성 과정에 의해 하이브리드 복합 물질 기반의 절연 박막을 형성함으로서 기존의 절연 박막에 비해 소자의 성능을 크게 향상시킬 수 있다. By forming an insulating thin film based on a hybrid composite material by a simple synthesis process, the performance of the device can be significantly improved compared to the existing insulating thin film.

하이브리드 복합 물질을 이용하여 제작된 절연 박막 기반으로 제작된 박막 트랜지스터의 뛰어난 성능에 의해 전자 산업 및 디스플레이 업계에서 크게 주목받을 것으로 보인다.The outstanding performance of thin film transistors based on insulating thin films fabricated using hybrid composite materials is expected to attract considerable attention in the electronics and display industries.

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. The low temperature process has a high potential because the thin film transistor fabricated based on the hybrid composite material-based insulating layer formed through the process at room temperature has stable operation and characteristics.

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. The products applicable to this technology are LCD panel, display backplane, flexcible & transparent display, solar window, cost-saving notebook, monitor panel, e-paper display, and applied to electric switch of OLED TV, haptic device, OLED display. It is possible.

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.As described above, the present invention has been described with reference to a preferred embodiment of the present invention, but the present invention is within the scope not departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the appended claims by those skilled in the art. It will be understood that various modifications or variations may be made.

IGZO: Induim gallium zinc oxide
TFT: 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor)
Al2O3: 산화 알루미늄
Al2O3/BN composite dielectrics : Al2O3/BN 복합 유전체IGZO: Induim gallium zinc oxide
TFT: Thin Film Transistor
Al 2 O 3 : Aluminum Oxide
Al 2 O 3 / BN composite dielectrics: Al 2 O 3 / BN composite dielectrics

Claims (23)

게이트 전극이 형성된 기판;
상기 기판에 공기중에서 용액 공정(solution process)을 사용하여 증착되고, 어닐링(annealing) 공정을 통해 박막이 형성된 Al2O3에 BN(boron nitride)을 합성한 하이브리드 Al2O3/BN 절연층;
상기 용액 공정을 사용하여 상기 하이브리드 Al2O3/BN 절연층 위에 증착되고, 어닐링(annealing) 공정을 통해 박막이 형성된 IGZO(Induim gallium zinc oxide) 활성층; 및
상기 하이브리드 Al2O3/BN 절연층 또는 상기 IGZO 활성층 위에 증착된 소스 및 드레인 전극;
을 포함하는 Al2O3/BN 절연층을 갖는 IGZO TFT.A substrate on which a gate electrode is formed;
A hybrid Al 2 O 3 / BN insulating layer deposited on the substrate using a solution process in air and synthesized boron nitride (BN) on Al 2 O 3 on which a thin film is formed through an annealing process;
An IGZO (Induim gallium zinc oxide) active layer deposited on the hybrid Al 2 O 3 / BN insulating layer using the solution process and formed with a thin film through an annealing process; And
Source and drain electrodes deposited on the hybrid Al 2 O 3 / BN insulating layer or on the IGZO active layer;
IGZO TFT having an Al 2 O 3 / BN insulating layer comprising a. 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 절연층을 갖는 IGZO TFT.The method of claim 1,
The substrate uses a highly doped Si substrate, a gate electrode is formed,
Clean the substrate by ultrasonic cleaning in a ultrasonic bath for a predetermined time using acetone, methanol, isopropyl alcohol (IPA),
An IGZO TFT having an Al 2 O 3 / BN insulating layer that cleans the substrate and then hydrophilizes the surface of the substrate using UV ozone treatment. 제1항에 있어서,
상기 용액 공정은 스핀 코팅을 적용하며, 상기 스핀 코팅은
상기 Al2O3에 BN을 합성한 하이브리드 Al2O3/BN 절연층을 45초 동안 6000rpm 회전수로 스핀 코팅하며,
상기 IGZO 활성층은 45초동안 4000rpm 회전수로 스핀 코팅하며,
상기 소스 및 드레인 전극은 E-beam evaporation을 이용하여 50nm의 알루미늄(Al)의 금속이 증착되는, Al2O3/BN 절연층을 갖는 IGZO TFT.The method of claim 1,
The solution process applies spin coating, and the spin coating
And spin-coating a hybrid Al 2 O 3 / BN composite insulating layer of BN in the Al 2 O 3 as a rotation number of 6000rpm for 45 seconds,
The IGZO active layer is spin coated at 4000 rpm for 45 seconds,
The source and drain electrode is an IGZO TFT having an Al 2 O 3 / BN insulating layer, the metal of 50nm aluminum (Al) is deposited using E-beam evaporation. 제1항에 있어서,
상기 어닐링은 열 어닐링 또는 실온에서 마이크로웨이브 어닐링을 사용하는, Al2O3/BN 절연층을 갖는 IGZO TFT.The method of claim 1,
Wherein said annealing uses thermal annealing or microwave annealing at room temperature. An IGZO TFT having an Al 2 O 3 / BN insulating layer. 제4항에 있어서,
상기 어닐링 시에, 어닐링(annealing) 조건은
상기 열 어닐링(thermal annealing)은 1시간 동안 400 ℃로 가열하며
상기 마이크로웨이브 어닐링(microwave annealing)은 15분 동안 150 ℃로 가열하는, Al2O3/BN 절연층을 갖는 IGZO TFT.The method of claim 4, wherein
In the annealing, the annealing condition is
The thermal annealing is heated to 400 ° C. for 1 hour
Wherein the microwave annealing is heated to 150 ° C. for 15 minutes. IGZO TFT having an Al 2 O 3 / BN insulation layer. 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 절연층을 갖는 IGZO TFT.The method of claim 5,
The mixing ratio of two kinds of Al 2 O 3 and low-k boron nitride (BN) insulating material powders prepared by the thermal annealing or the microwave and the annealing is 100: 0, 100: 1, 100: 4, 100: 10 are formed by mixing differently to form a composite film of Al 2 O 3 / BN insulating layer prepared by mixing 100: 0, 100: 1, 100: 4, and 100: 10 ratio, An IGZO TFT having an Al 2 O 3 / BN insulating layer, wherein the microwave annealing process of k dielectric material Al 2 O 3 and low-k dielectric material BN uniformly bonds BN to the Al 2 O 3 film. 제1항에 있어서,
상기 하이브리드 Al2O3/BN 절연층은
용액-공정처리 된 Al2O3 유전체는 진공 처리(vacuum process) 된 Al2O3 유전체와 비교하여 높은 누설 전류 레벨을 가지며, 용액-공정처리 된 Al2O3 유전체의 누설 전류는 BN의 혼입에 의해 누설전류가 상당히 억제되며, 전류 레벨은 깨끗한 Al2O3 유전체의 전류 레벨에 비해 3V에서 100배 감소하고, Al2O3 유전체의 광학적인 특성이 BN의 합성에 투과율(transmittance)이 영향을 받지 않으며, i) Al2O3 유전체에 BN의 합성에도 매우 균일하고 깨끗한 박막 표면 상태를 유지하며, ii) 하이브리드 Al2O3/BN 절연층의 산소 결함 밀도가 현저히 감소되고 iii) 하이브리드 Al2O3/BN 절연층의 누설 전류 및 유전 상수 값이 개선되는, Al2O3/BN 절연층을 갖는 IGZO TFT.The method of claim 1,
The hybrid Al 2 O 3 / BN insulating layer
The solution-processed Al 2 O 3 dielectric has a higher leakage current level compared to the vacuum process Al 2 O 3 dielectric, and the leakage current of the solution-processed Al 2 O 3 dielectric is mixed with BN. The leakage current is considerably suppressed, and the current level is reduced 100 times at 3V compared to the current level of the clean Al 2 O 3 dielectric, and the optical properties of the Al 2 O 3 dielectric affect the transmission of BN. I) maintains a very uniform and clean thin film surface state for the synthesis of BN in the Al 2 O 3 dielectric; ii) the oxygen defect density of the hybrid Al 2 O 3 / BN insulating layer is significantly reduced; 2 O 3 / BN insulating layer IGZO TFT having a leakage current and the dielectric constant is, Al 2 O 3 / BN insulating layer to be improved. 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 절연층을 갖는 IGZO TFT. The method of claim 1,
The IGZO TFT with Al 2 O 3 / BN composite dielectric has increased drive current and flashing ratio (on-off current ratio) and shifts the threshold voltage towards 0V, sub-threshold swing (SS) Reduced, the field-effect mobility was increased by three times regardless of the annealing process, and the improvement of all key indicators of the devices was improved by the dielectric properties of the solution-processed Al 2 O 3 with improved BN. (dielectric characteristics), and due to, to the Al 2 O 3 / BN composite film (Al 2 O 3 / BN composite films) oxygen defect condition (reduced defect states) in found by XPS measurement decreases to be unidirectional electrical characteristics, IGZO TFT with Al 2 O 3 / BN insulation layer. 제1항에 있어서,
Al2O3/BN 복합 유전체를 가진 상기 IGZO TFT는 투과율(transmittance) 및 CV 측정 결과, BN을 Al2O3 유전체에 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 복합 유전체의 유전 특성(dielectric characteristics)을 향상시킨, Al2O3/BN 절연층을 갖는 IGZO TFT.The method of claim 1,
In the IGZO TFT having an Al 2 O 3 / BN composite dielectric, the incorporation of BN into the Al 2 O 3 dielectric resulted in the Al-O bonding state in the XPS spectrum without loss of optical properties. Al 2 O 3 / BN insulating layer, which improves the dielectric characteristics of Al 2 O 3 / BN composite dielectrics with relatively fewer oxygen defect states from the distribution of -O bonding states. Having IGZO TFT. (a) 기판을 클리닝하고, 상기 기판의 유기물 및 불순물 제거 및 절연 코팅을 위한 기판을 친수성화하는 단계;
(b) 공기중에서 용액 공정(solution process)을 사용하여 상기 기판에 Al2O3에 BN(boron nitride)을 합성한 하이브리드 Al2O3/BN 절연층을 증착하고, 어닐링(annealing) 공정을 통해 박막을 형성하는 단계;
(c) 상기 용액 공정을 사용하여 IGZO(Induim gallium zinc oxide) 활성층을 형성된 하이브리드 Al2O3/BN 절연층 위에 증착하고, 어닐링(annealing) 공정을 통해 박막을 형성하는 단계; 및
(d) MIM(Metal-Insulator-Metal) 구조로 제작되며, 상기 하이브리드 Al2O3/BN 절연층 또는 상기 IGZO 활성층 위에 소스 및 드레인 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 기판은 하이 도핑된 실리콘(Highly doped Si) 기판을 사용하며, 게이트 전극이 형성되는, IGZO TFT를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연층 제조 방법.(a) cleaning the substrate and hydrophilizing the substrate for removing organics and impurities from the substrate and for insulating coating;
(b) depositing a hybrid Al 2 O 3 / BN insulating layer synthesized with BN (boron nitride) on Al 2 O 3 on a substrate using a solution process in air, and then annealing Forming a thin film;
(c) depositing an IGZO (IGZO) active layer on the formed hybrid Al 2 O 3 / BN insulating layer using the solution process, and forming a thin film through an annealing process; And
(d) fabricating a MIM (Metal-Insulator-Metal) structure, including forming source and drain electrodes on the hybrid Al 2 O 3 / BN insulating layer or the IGZO active layer;
The substrate uses a highly doped Si substrate, and a gate electrode is formed, wherein the high-quality Al 2 O 3 / BN insulating layer based on a low temperature solution process for IGZO TFT. 제10항에 있어서,
상기 기판을 클리닝하고, 기판의 유기물 및 불순물 제거 및 절연 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 TFT를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연층 제조 방법. The method of claim 10,
Cleaning the substrate and hydrophilizing the substrate for removing organic and impurities from the substrate and for insulating coating
Cleaning the substrate by ultrasonic cleaning for a predetermined time in an ultrasonic bath using acetone, methanol, and isopropyl alcohol (IPA); And
After cleaning the substrate, hydrophilizing the surface of the substrate using UV ozone treatment;
A method of manufacturing a high quality Al 2 O 3 / BN insulating layer based on a low temperature solution process for IGZO TFT comprising a. 제10항에 있어서,
상기 용액 공정(solution process)을 사용하여 상기 기판에 Al2O3 및 하이브리드 Al2O3/BN 절연층을 증착하고, 어닐링(annealing) 공정을 통해 박막을 형성하는 단계는
스핀 코팅(spin coating)을 사용하여 하이브리드 Al2O3/BN 절연층을 상기 기판에 증착하는 단계; 및
furnace 및 microwave 장비를 이용하여 어닐링(annealing) 공정을 통해 박막을 형성하는 단계;
를 포함하는 IGZO TFT를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연층 제조 방법.The method of claim 10,
Depositing an Al 2 O 3 and hybrid Al 2 O 3 / BN insulating layer on the substrate using the solution process, and forming a thin film through an annealing process
Depositing a hybrid Al 2 O 3 / BN insulating layer on the substrate using spin coating; And
forming a thin film through an annealing process using a furnace and microwave equipment;
High-quality Al 2 O 3 / BN insulation layer manufacturing method based on low temperature solution process for IGZO TFT comprising a. 제10항에 있어서,
상기 용액 공정을 사용하여 IGZO 활성층을 형성된 하이브리드 Al2O3/BN 절연층 위에 증착하고, 어닐링(annealing) 공정을 통해 박막을 형성하는 단계는
스핀 코팅(spin coating)을 사용하여 상기 IGZO 활성층을 형성된 상기 절연층 위에 증착하는 단계; 및
furnace 및 microwave 장비를 이용하여 어닐링(annealing) 공정을 통해 박막을 형성하는 단계;
를 포함하는 IGZO TFT를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연층 제조 방법. The method of claim 10,
The IGZO active layer is deposited on the formed hybrid Al 2 O 3 / BN insulating layer using the solution process, and the thin film is formed through an annealing process.
Depositing the IGZO active layer over the formed insulating layer using spin coating; And
forming a thin film through an annealing process using a furnace and microwave equipment;
High-quality Al 2 O 3 / BN insulation layer manufacturing method based on low temperature solution process for IGZO TFT comprising a. 제10항에 있어서,
상기 용액 공정은 스핀 코팅을 적용하며, 상기 스핀 코팅은
상기 Al2O3 및 하이브리드 Al2O3/BN 절연층을 45초 동안 6000rpm 회전수로 스핀 코팅하며,
상기 IGZO 활성층은 45초동안 4000rpm 회전수로 스핀 코팅하는, IGZO TFT를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연층 제조 방법.The method of claim 10,
The solution process applies spin coating, and the spin coating
Spin coating the Al 2 O 3 and hybrid Al 2 O 3 / BN insulation layers at 6000 rpm for 45 seconds;
The IGZO active layer is spin-coated at 4000 rpm for 45 seconds at a low temperature solution process-based high-quality Al 2 O 3 / BN insulating layer manufacturing method for IGZO TFT. 제10항에 있어서,
상기 어닐링은 열 어닐링 또는 실온에서 마이크로웨이브 어닐링을 사용하는, IGZO TFT를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연층 제조 방법.The method of claim 10,
Wherein the annealing uses thermal annealing or microwave annealing at room temperature. A method of manufacturing a high quality Al 2 O 3 / BN insulating layer based on a low temperature solution process for IGZO TFTs. 제15항에 있어서,
상기 어닐링 시에, 어닐링(annealing) 조건은
상기 열 어닐링(thermal annealing)은 1시간 동안 400 ℃로 가열하며
상기 마이크로웨이브 어닐링(microwave annealing)은 15분 동안 150 ℃로 가열하는, IGZO TFT를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연층 제조 방법. The method of claim 15,
In the annealing, the annealing condition is
The thermal annealing is heated to 400 ° C. for 1 hour
The microwave annealing is heated to 150 ° C. for 15 minutes, wherein a low temperature solution process based high quality Al 2 O 3 / BN insulating layer manufacturing method for IGZO TFT. 제10항에 있어서,
상기 MIM(Metal-Insulator-Metal) 구조로 제작되며, 상기 하이브리드 Al2O3/BN 절연층 또는 상기 IGZO 활성층 위에 소스 및 드레인 전극을 형성하는 단계는
MIM(Metal-Insulator-Metal) 구조로 제작되며, 상기 하이브리드 Al2O3/BN 절연층 위에 E-beam evaporation을 이용하여 50nm의 알루미늄(Al)을 증착하는 단계; 또는 상기 IGZO 활성층 위에 E-beam evaporation을 이용하여 50nm의 Al 증착을 통해 소스(source) 및 드레인(drain) 전극을 형성하는 단계;
를 포함하는 IGZO TFT를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연층 제조 방법. The method of claim 10,
Fabricated by the metal-insulator-metal (MIM) structure, the step of forming source and drain electrodes on the hybrid Al 2 O 3 / BN insulating layer or the IGZO active layer
Fabricating a metal-insulator-metal (MIM) structure, and depositing 50 nm of aluminum (Al) on the hybrid Al 2 O 3 / BN insulating layer by using E-beam evaporation; Or forming source and drain electrodes on the IGZO active layer through Al deposition of 50 nm using E-beam evaporation;
High-quality Al 2 O 3 / BN insulation layer manufacturing method based on low temperature solution process for IGZO TFT comprising a. 제10항에 있어서,
Al2O3과 BN 두 종류의 절연 물질 powder의 혼합 비율은 100:0, 100:1, 100:4, 100:10으로 구성되어 혼입되는, IGZO TFT를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연층 제조 방법.The method of claim 10,
The mixing ratio of Al 2 O 3 and BN powders is 100: 0, 100: 1, 100: 4, and 100: 10, and is mixed with high quality Al 2 O based on low temperature solution process for IGZO TFT. 3 / BN insulating layer manufacturing method. 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 TFT를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연층 제조 방법. The method of claim 10,
The hybrid Al 2 O 3 / BN insulating layer
The mixing ratio of the Al 2 O 3 and low-k boron nitride (BN) two kinds of insulating material powders is 100: 0, 100: 1, 100: 4, and 100: 10, respectively. For manufacturing high quality Al 2 O 3 / BN insulation layer based on low temperature solution process. 제10항에 있어서,
상기 하이브리드 Al2O3/BN 절연층은
용액-공정처리 된 Al2O3 유전체는 진공 처리(vacuum process) 된 Al2O3 유전체와 비교하여 높은 누설 전류 레벨을 가지며, 용액-공정처리 된 Al2O3 유전체의 누설 전류는 BN의 혼입에 의해 누설전류가 상당히 억제되며, 전류 레벨은 깨끗한 Al2O3 유전체의 전류 레벨에 비해 3V에서 100배 감소하고, Al2O3 유전체의 광학적인 특성이 BN의 합성에 투과율(transmittance)이 영향을 받지 않으며, i) Al2O3 유전체에 BN의 합성에도 매우 균일하고 깨끗한 박막 표면 상태를 유지하며, ii) 하이브리드 Al2O3/BN 절연층의 산소 결함 밀도가 현저히 감소되고 iii) 하이브리드 Al2O3/BN 절연층의 누설 전류 및 유전 상수 값이 개선되는, IGZO TFT를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연층 제조 방법.The method of claim 10,
The hybrid Al 2 O 3 / BN insulating layer
The solution-processed Al 2 O 3 dielectric has a higher leakage current level compared to the vacuum process Al 2 O 3 dielectric, and the leakage current of the solution-processed Al 2 O 3 dielectric is mixed with BN. The leakage current is considerably suppressed, and the current level is reduced 100 times at 3V compared to the current level of the clean Al 2 O 3 dielectric, and the optical properties of the Al 2 O 3 dielectric affect the transmission of BN. I) maintains a very uniform and clean thin film surface state for the synthesis of BN in the Al 2 O 3 dielectric, ii) the oxygen defect density of the hybrid Al 2 O 3 / BN insulation layer is significantly reduced, and iii) hybrid Al A method for producing a high quality Al 2 O 3 / BN insulation layer based on a low temperature solution process for IGZO TFTs, wherein the leakage current and dielectric constant values of the 2 O 3 / BN insulation layer are improved. 제18항에 있어서,
BN 농도에 관계없이 용액-공정처리 된 하이브리드 Al2O3/BN 절연층은 커패시턴스의 심각한 손실없이 양호한 주파수 응답을 갖는, IGZO TFT를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연층 제조 방법.The method of claim 18,
The solution-processed hybrid Al 2 O 3 / BN insulation layer, regardless of BN concentration, has a good frequency response without significant loss of capacitance, producing a high quality Al 2 O 3 / BN insulation layer based on low temperature solution process for IGZO TFT Way. 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 유전체(Al2O3/BN composite films)에서 산소 결함 상태(reduced defect states)가 감소하여 전기적 특성이 향상되는, IGZO TFT를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연층 제조 방법.The method of claim 10,
The IGZO TFT with Al 2 O 3 / BN composite dielectric has increased drive current and flashing ratio (on-off current ratio) and shifts the threshold voltage towards 0V, sub-threshold swing (SS) Reduced, the field-effect mobility was increased by three times regardless of the annealing process, and the improvement of all key indicators of the devices was improved by the dielectric properties of the solution-processed Al 2 O 3 with improved BN. (dielectric characteristics), and due to, the XPS found by the measurement Al 2 O 3 / BN composite dielectric (Al 2 O 3 / BN composite films) the oxygen defect condition (reduced defect states) decreases from that improves the electrical properties, Method for manufacturing high quality Al 2 O 3 / BN insulation layer based on low temperature solution process for IGZO TFT. 제22항에 있어서,
상기 Al2O3/BN 복합 유전체를 갖는 IGZO TFT는 투과율(transmittance) 및 CV 측정 결과, BN을 Al2O3 유전체에 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 복합 유전체의 유전 특성(dielectric characteristics)을 향상시킨, IGZO TFT를 위한 저온 용액 공정 기반의 고품질 Al2O3/BN 절연층 제조 방법. The method of claim 22,
In the IGZO TFT having the Al 2 O 3 / BN composite dielectric, incorporation of BN into the Al 2 O 3 dielectric resulted in transmittance and CV measurement. Low temperature solution process-based for IGZO TFTs, which improves the dielectric characteristics of Al 2 O 3 / BN composite dielectrics with relatively fewer oxygen defect states from the distribution of -O bonding states. Method of manufacturing high quality Al 2 O 3 / BN insulation layer.
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