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KR101287211B1 - 박막트랜지스터의 제조방법 및 이를 이용한 ｔｆｔ 어레이기판의 제조방법 - Google Patents

박막트랜지스터의 제조방법 및 이를 이용한 ｔｆｔ 어레이기판의 제조방법 Download PDF

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KR101287211B1
KR101287211B1 KR1020060061431A KR20060061431A KR101287211B1 KR 101287211 B1 KR101287211 B1 KR 101287211B1 KR 1020060061431 A KR1020060061431 A KR 1020060061431A KR 20060061431 A KR20060061431 A KR 20060061431A KR 101287211 B1 KR101287211 B1 KR 101287211B1
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채기성
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엘지디스플레이 주식회사
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Abstract

본 발명은 졸-겔 타입의 복합재료에 일정한 부피를 차지하는 기능기를 도입함으로써 절연막 표면에 발생하였던 클랙을 방지하고자 하며, 상기 기능기에 의한 화학결합에 의해 내열 특성을 향상시키고자 하는 박막트랜지스터의 제조방법 및 이를 이용한 TFT 어레이 기판의 제조방법에 관한 것으로, 상기 박막트랜지스터의 제조방법은 기판 상에 게이트 전극을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극과 절연되어 상기 게이트 전극의 일부와 오버랩되는 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극과 반도체층을 서로 절연시키기 위해서 그 사이에 X 기능기를 가지는 실리콘 알콕사이드와 Y 기능기를 가지는 금속 알콕사이드의 졸 화합물을 포함하는 복합재료로 게이트 절연막을 형성하는 단계와, 상기 반도체층 양측에 소스/드레인 전극을 각각 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 X 또는 Y는 이중결합 또는 삼중결합을 가진 기능기, 아크릴레이트 기(acrylate group), 에폭시 기(epoxy group), 또는 옥세탄 기(oxetane group)로 구성되는 그룹 중에서 적어도 어느 하나를 선택한다.
실리콘 알콕사이드, 금속 알콕사이드, 게이트 절연막

Description

박막트랜지스터의 제조방법 및 이를 이용한 ＴＦＴ 어레이 기판의 제조방법{Method For Fabricating Thin Film Transistor And Method For Fabricating Thin Film Transistor Array Substrate By Applying Said Method}
도 1은 본 발명을 설명하기 위한 버텀-게이트 형 박막트랜지스터의 단면도.
도 2는 본 발명에 의한 졸-화합물의 화학결합을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명을 설명하기 위한 버텀-게이트 형 유기 박막트랜지스터의 단면도.
도 4는 본 발명을 설명하기 위한 TFT 어레이 기판의 단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명
111 : 기판 112 : 게이트 배선
112a : 게이트 전극 113 : 게이트 절연막
114 : 반도체층 115 : 데이터 배선
115a : 소스 전극 115b : 드레인 전극
116 : 보호막 117 : 화소전극
본 발명은 액정표시소자(LCD ; Liquid Crystal Display Device)에 관한 것으로, 특히 졸-겔 타입의 게이트 절연막을 구비하는 경우, 코팅 및 건조 공정 이후 절연막 표면에 클랙이 발생하는 문제점을 방지하고자 하는 박막트랜지스터 제조방법 및 이를 적용한 TFT 어레이 기판의 제조방법에 관한 것이다.
평판표시소자로서 최근 각광받고 있는 액정표시소자는 콘트라스트(contrast) 비가 크고, 계조 표시나 동화상 표시에 적합하며 전력소비가 작다는 장점 때문에 활발한 연구가 이루어지고 있다.
특히, 얇은 두께로 제작될 수 있어 장차 벽걸이 TV와 같은 초박형(超薄形) 표시장치로 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 무게가 가볍고, 전력소비도 CRT 브라운관에 비해 상당히 적어 배터리로 동작하는 노트북 컴퓨터의 디스플레이, 개인 휴대폰 단말기, TV, 항공용 모니터로 사용되는 등, 차세대 표시장치로서 각광을 받고 있다.
이와 같은 액정표시소자는 일반적으로 게이트 배선 및 데이터 배선에 의해 정의된 각 화소 영역에 박막트랜지스터, 화소전극, 스토리지 커패시터가 형성된 TFT 어레이 기판과, 컬러필터층과 공통전극이 형성된 컬러필터층 어레이 기판과, 상기 두 기판 사이에 개재된 액정층으로 구성되어, 전극에 전압을 인가하여 액정층의 액정 분자들을 재배열시킴으로써 투과되는 빛의 양을 조절하여 화상을 표시한다.
이때, 상기 박막트랜지스터(TFT ; Thin Film Transistor)는 이미지 표시용 디스플레이에서 스위칭 소자로 사용되다.
상기 박막트랜지스터는 수직 교차되어 단위 화소영역을 정의하는 게이트 배선 및 데이터 배선의 교차 지점에 형성되어 상기 단위 화소영역에 대해 전류를 온(on) 또는 오프(off)로 스위칭하는 역할을 하는데, 온 상태인 경우에는 전류가 흘러 특정 단위 화소영역과 관련된 커패시터를 원하는 전압까지 충전(charge)시키고, 오프 상태인 경우에는 단위 화소영역이 다음에 어드레싱(addressing)될 때까지 충전 상태를 유지하도록 한다.
이 때, 전압 레벨은 단위 화소영역에 상응하는 액정을 통하여 투과되는 광량을 결정하여 그레이 레벨(gray level)을 결정한다.
이러한, 박막트랜지스터의 구조는 소스 전극과 게이트 전극이 한 평면상에 놓이는 코플레너(coplanar)형과 다른 평면상에 놓이는 스태거드(staggered)형의 두 종류가 있는데, 다결정 실리콘 TFT는 코플레너형 구조를 적용하고, 비정질 실리콘 TFT는 스태거드형 구조를 적용한다.
상기 스태거드형 TFT는 게이트 전극이 소스 전극과 드레인 전극의 밑에 놓인 역-스태거드(inverted staggered)형과 게이트 전극이 소스 전극과 드레인 전극보다 위에 있는 정상-스태거(normal staggered)형으로 다시 구별할 수 있는데, 전자를 버텀-게이트(bottom-gate)형 TFT라고 하고 후자를 탑-게이트(top-gate)형 TFT라고 한다.
일반적으로, 액정표시소자에 구비되는 박막트랜지스터는, 버텀-게이트 형 TFT로서, 통상, 게이트 전극과, 상기 게이트 전극을 포함한 전면에 구비된 게이트 절연막과, 상기 게이트 전극 상부의 게이트 절연막 상에 형성된 반도체층(a-Si)과, 상기 반도체층의 채널영역을 제외한 나머지 영역에 구비되는 오믹콘택층(n+a-Si)과, 상기 오믹콘택층 상에 형성되는 소스/드레인 전극으로 구성된다.
이때, 상기 게이트 절연막은 유전율이 7.5 정도의 실리콘 질화물(SiNx), 실리콘 산화물(SiOx) 등의 무기재료를 통상, 플라즈마 강화형 화학 증기 증착(PECVD: plasma enhanced chemical vapor deposition) 방법으로 증착하여 형성한다.
그러나, 게이트 절연막을 상기와 같은 무기재료를 증착하여 형성하는 경우, 다음과 같은 문제점이 있었다.
즉, 게이트 절연막을 무기재료로 형성하는 경우, 시간을 충분히 길게 한다고 하더라도 1회의 증착공정만으로 균일한 두께의 게이트 절연막을 형성할 수 없는바, 2회로 나누어 증착공정을 수행하여야 하므로 공정이 번거로워진다는 단점이 있었다. 그리고, 증착 장비의 경우 고가의 장비이므로 장비 관리비용 및 투자비용이 많이 소모된다는 문제점이 있었다.
이에 따라서, 공정이 용이하고 다소 저가의 장비를 사용하여 형성할 수 있는 유전율 3~4의 유기물질로 게이트 절연막을 형성하는 기술이 제안되었다.
유기 게이트 절연막은 무기 게이트 절연막과 달리, PECVD 방법이 아닌 스핀 코팅, 슬릿 코팅 등의 코팅방법에 의해 형성되므로 제조공정이 보다 용이해지며 장비 비용면에서도 이익이 된다. 그리고, 게이트 배선 및 게이트 전극의 단차를 제거하여 표면을 평탄화할 수 있다.
그러나, 이러한 유기 게이트 절연막은 무기 게이트 절연막에 비해 동일 두께 대비 유전율 수치가 작은데, 유전율이 작으면 게이트 배선층과 데이터 배선층 사이 에 형성되는 기생 커패시턴스(Cgs) 값이 작아지게 된다. 일반적으로, 대향하는 전극과 그 사이에 구비되어 있는 절연막의 경우, 그 커패시턴스 값은 절연막의 유전율, 절연막의 두께에 비례하고, 대향하는 전극의 면적에 반비례하기 때문이다.
이와같이, 기생 커패시턴스(Cgs) 값이 작아지면, 하기의 수학식 1에서와 같이, 전압 강하 △Vp가 더 증가하게 되는데, 이에 따라 화면의 깜빡임(flicker), 이미지 고착(image sticking), 화면 밝기의 뷸균일성 등의 좋지 않은 효과를 일으키게 된다.
Figure 112006047417092-pat00001
이때, Cgs는 TFT 게이트 전극과 소스 전극(또는 드레인 전극) 사이에 형성되는 기생 커패시턴스이고, Clc는 액정셀에 축적되는 정전 커패시턴스이며, Cst는 스토리지 커패시터에 형성되는 커패시턴스이다. 그리고, △Vp는 소스전극에 인가되는 데이터 전압(Vd)과 액정셀에 충전되는 전압(Vlc)의 차전압이고, △Vg는 하리레밸의 게이트 전압(Vgh)과 로우레밸의 게이트 전압(Vgl)의 차전압이다.
즉, 기생 커패시턴스(Cgs)는 상기의 수학식 1에서와 같이, △Vp에 가장 크게 영향을 미치는 항목으로서, 패널 특성 및 화질 특성과 아주 밀접한 관련을 가지게 된다. 이때, △Vp를 낮추기 위해서는 상기 기생 커패시턴스(Cgs) 값을 크게 하면 되고, 상기 기생 커패시턴스(Cgs) 값을 크게 하기 위해서는 게이트 절연막의 유전율 값을 크게 하면 되므로 결국, 게이트 절연막은 유전율이 큰 물질로 형성하는 것 이 바람직할 것이다.
전술한 바와 같이, 상기와 같은 종래 기술에 의한 TFT 어레이 기판의 제조방법은 다음과 같은 문제점이 있었다.
먼저, 실리콘 질화물 등으로 형성되는 무기 게이트 절연막의 경우 PECVD 등의 증착공정이 어렵고 증착장비의 비용이 높다는 문제점이 있었고, PGMEA(Poly glycol mono ethyl acetate) 등으로 형성되는 유기 게이트 절연막의 경우 유전율이 낮아 △Vp가 더 증가하거나 게이트 절연막 코팅시 두께가 불균일해진다는 문제점이 있었다.
최근에는, 상기의 유/무기 게이트 절연막의 단점을 보완하기 위해서, 졸-겔 타입의 복합재료를 이용하여 게이트 절연막을 형성하고 있다.
구체적으로, 실리콘 알콕사이드와 금속 알콕사이드를 화학반응시키면 졸-겔 복합재료가 완성되는데, 상기 졸-겔 복합재료를 용매에 혼합하여 기판 상에 균일하게 코팅하고 70℃에서 가경화(soft-baking)한 이후, 300℃에서 완전경화(hard-baking)하여 게이트 절연막을 형성한다.
그러나, 상기 가경화 및 완전경화 공정에서 용매가 휘발되면서 필름 표면에 클랙이 발생하는 등 필름이 갈라지는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명은 졸-겔 타입의 복합재료를 이용한 게이트 절연막의 경우, 코팅 및 건조 공정 이후 절연막 표면에 클랙이 발생하는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로, 특히 졸-겔 타입의 복합재료에 일정한 부피를 차지 하는 기능기를 도입함으로써 게이트 절연막 표면에 발생하였던 클랙을 방지하고자 하는 박막트랜지스터의 제조방법 및 이를 이용한 TFT 어레이 기판의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
나아가, 본발명은 상기와 같이 졸-겔 타입의 복합재료에 기능기를 도입함으로써, 상기 기능기에 의한 화학결합에 의해 게이트 절연막의 내열 특성을 향상시키고자 하는 목적도 동시에 제공함을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 박막트랜지스터의 제조방법은 기판 상에 게이트 전극을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극과 절연되어 상기 게이트 전극의 일부와 오버랩되는 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극과 반도체층을 서로 절연시키기 위해서 그 사이에 X 기능기를 가지는 실리콘 알콕사이드와 Y 기능기를 가지는 금속 알콕사이드의 졸 화합물을 포함하는 복합재료로 게이트 절연막을 형성하는 단계와, 상기 반도체층 양측에 소스/드레인 전극을 각각 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 X 또는 Y는 이중결합 또는 삼중결합을 가진 기능기, 아크릴레이트 기(acrylate group), 에폭시 기(epoxy group), 또는 옥세탄 기(oxetane group)로 구성되는 그룹 중에서 적어도 어느 하나를 선택한다.
이와같은 공정으로 형성되는 게이트 절연막은 졸-겔 화합물의 X, Y 기능기로 인한 분자내 자유 부피 향상으로 그 표면에 클랙을 방지할 수 있고, 기능기 X, Y가 반응성을 가지므로 분자내 가교결합(crosslinking)이 유도되어 물질의 내열성이 향 상된다.
이때, 실리콘 알콕사이드와 금속 알콕사이드의 함량비에 따라서, 유무기 복합재료의 절연성, 코팅성, 내열성, 경도, 및 투과도를 용이하게 조절할 수 있으므로, 이러한 졸-겔 화합물을 박막트랜지스터용 게이트 절연막으로 사용하기에 적합하다.
한편, 또다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 TFT 어레이 기판의 제조방법은 기판 상에 게이트 전극 및 게이트 배선을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극과 절연되어 상기 게이트 전극의 일부와 오버랩되는 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극과 반도체층을 서로 절연시키기 위해서 그 사이에 X 기능기를 가지는 실리콘 알콕사이드와 Y 기능기를 가지는 금속 알콕사이드의 졸 화합물을 포함하는 복합재료로 게이트 절연막을 형성하는 단계와, 상기 반도체층 양측에 소스/드레인 전극을 각각 형성하고 이와동시에 상기 게이트 배선에 수직교차하는 데이터 배선을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 X 또는 Y는 이중결합 또는 삼중결합을 가진 기능기, 아크릴레이트 기(acrylate group), 에폭시 기(epoxy group), 또는 옥세탄 기(oxetane group)로 구성되는 그룹 중에서 적어도 어느 하나를 선택한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 박막트랜지스터의 제조방법 및 이를 적용한 액정표시소자의 TFT 어레이 기판의 제조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명을 설명하기 위한 버텀-게이트 형 박막트랜지스터의 단면도이 고, 도 2는 본 발명에 의한 졸-화합물의 화학결합을 나타낸 도면이다.
그리고, 도 3은 본 발명을 설명하기 위한 버텀-게이트 형 유기 박막트랜지스터의 단면도이고, 도 4는 본 발명을 설명하기 위한 TFT 어레이 기판의 단면도이다.
박막트랜지스터의 제조방법
도 1을 참고로 하여 살펴보면, 먼저, 기판(111) 상에 구리(Cu), 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(AlNd : Aluminum Neodymium), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴-텅스텐(MoW) 등의 비저항이 낮은 금속을 고온의 스퍼터링 기술에 의해 증착한 후 포토식각기술로 패터닝하여 게이트 전극(112a)을 형성한다.
이후, 상기 게이트 전극(112a)을 포함한 전면에 X 기능기를 가지는 실리콘(Si) 알콕사이드와 Y 기능기를 가지는 금속(Me) 알콕사이드의 졸 화합물을 포함하는 복합재료(Si-졸/Me-졸)로 게이트 절연막(113)을 형성한다. 여기서, 알콕사이드라 함은 알코올의 히드록시기의 수소원자를 금속원자로 치환한 화합물을 총칭하는 말이며, 상기 X 또는 Y는 하기와 같은 이중결합 또는 삼중결합을 가진 기능기, 아크릴레이트 기(acrylate group), 에폭시 기(epoxy group), 또는 옥세탄 기(oxetane group)로 구성되는 그룹 중에서 적어도 어느 하나를 선택한다.
Figure 112006047417092-pat00002
구체적으로, 실리콘 알콕사이드와 금속 알콕사이드를 졸 형태로 반응시켜 졸-겔 복합재료를 형성한다. 이러한, 복합재료는 유/무기 하이브리드 타입의 재료이며, 상기 실리콘 알콕사이드와 금속 알콕사이드의 함량비에 따라 상기 복합재료의 유전율, 투과도가 달라진다. 실리콘 알콕사이드와 금속 알콕사이드를 1:1비율로 혼합하는 것이 유전율 및 투과도 면에서 우수하다.
이때, 상기 금속 알콕사이드의 금속입자는 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 이트륨(Y), 알루미늄(Al), 하프늄(Hf), 칼슘(Ca) 또는 마그네슘(Mg) 중 적어도 어느 하나를 선택하여 사용하며, 7이상의 유전상수를 가지는 물질로 형성하여 게이트 절연막이 고유전율을 가지도록 한다.
또한 상기 실리콘 알콕사이드와 금속 알콕사이드로부터 제조되는 졸 화합물은 가수분해 및 축합반응을 통해 제조하며, 이때, 반응촉진을 위해 물 또는 알코올을 촉매로 사용할 수 있다.
이러한 방법으로 형성된 졸 화합물은, 도 2에 도시된 바와 같이, 케미컬 네트워크 구조를 가지는데, 기능기 X 또는 Y를 포함하고 말단 또는 측쇄에 알킬기(CHC3-, C2H5-, C3H7-, ..., CnH2n +1-) 또는 페닐기 등이 결합되어 있다. 이때, X 또는 Y는 하기와 같은 이중결합 또는 삼중결합을 가진 기능기, 아크릴레이트 기(acrylate group), 양이온 중합이 가능한 에폭시 기(epoxy group), 또는 옥세탄 기(oxetane group)로 구성되는 그룹 중에서 적어도 어느 하나를 선택한다.
Figure 112006047417092-pat00003
이러한, 본발명의 졸-겔 화합물은 상기 X, Y 기능기로 인하여 분자내 자유 부피가 향상되어 절연막의 클랙을 방지할 수 있다. 즉, 졸-겔 복합재료를 용매에 혼합하여 기판 상에 균일하게 코팅한뒤, 70℃에서 가경화(soft-baking)하고, 300℃에서 완전경화(hard-baking)하더라도 분자내 X,Y의 자유 부피에 의해서 분자내 물질이 수축할 염려가 없으므로 클랙이 형성되지 않게 되는 것이다.
또한, 기능기 X, Y는 반응성을 가지므로 분자내 가교결합(crosslinking)을 유도함으로써 내열성 향상이 가능해진다.
따라서, 이러한 유무기 복합재료는 절연성, 코팅성, 내열성, 경도, 및 투과도가 우수하고, 유전상수의 조절이 용이하여 박막트랜지스터용 게이트 절연막으로 사용하기에 적합하다.
본 발명에 의한 유무기 복합재료는 프린팅 방법, 코팅법 또는 도포법 중 어느 하나의 방법으로 형성할 수 있으므로, 그 공정이 용이하고 평탄성도 우수하다.
상기와 같은 유무기 복합재료로 게이트 절연막을 형성한 이후에는, 게이트 절연막을 포함한 전면에 비정질 실리콘(a-Si)을 고온에서 500Å이하의 얇은 두께로 증착하여 반도체층(114)을 형성하고, 이후 n형 불순물을 주입함과 동시에 비정질 실리콘(a-Si)을 고온에서 300∼700Å 정도의 두께로 증착하여 n+a-Si의 오믹콘택 층(114a)을 형성한다. 상기 a-Si증착과 n+a-Si증착은 동일 공정챔버 내에서 연속적으로 이루어진다. 물론, 별도의 공정챔버 내에서 각각 형성할 수도 있다.
그리고, 상기 오믹콘택층(114a)을 포함한 전면에 구리(Cu), 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(AlNd : Aluminum Neodymium), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴-텅스텐(MoW) 등의 비저항이 낮은 금속을 고온의 스퍼터링 기술에 의해 증착한 후 포토식각기술로 패터닝하여 반도체층 양측에 소스/드레인 전극(115a,115b)을 각각 형성한다.
이로써, 게이트전극(112a), 게이트 절연막(113), 반도체층(114), 오믹콘택층(114a) 및 소스/드레인 전극(115a, 115b)으로 이루어진 박막트랜지스터(TFT)가 완성된다.
한편, 상기에서는 게이트 전극이 소스/드레인 전극 하부에 위치하는 버텀-게이트 형 박막트랜지스터에 대해서 한정하여 설명하였으나, 탑-게이트 형 박막트랜지스터에도 본 발명을 적용할 수 있다.
즉, 기판 상에 소스전극과 드레인 전극을 먼저 형성하고, 그 위에 상기 소스전극과 드레인 전극에 오버랩됨과 동시에 상기 소스전극과 드레인 전극 사이에 배치되도록 반도체층을 형성한 다음, 상기 반도체층을 포함한 전면에 게이트 절연막을 형성하고, 마지막으로, 상기 반도체층 상부의 게이트 절연막 상에 게이트 전극을 형성하면 된다.
이때, 소스/드레인 전극 및 게이트 전극은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(AlNd : Aluminum Neodymium), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈 륨(Ta), 몰리브덴-텅스텐(MoW) 등의 비저항이 낮은 금속을 고온의 스퍼터링 기술에 의해 증착한 후 포토식각기술로 패터닝하여 형성하면 되고, 상기 반도체층은 비정질 실리콘(a-Si)을 고온에서 증착하고 패터닝하여 형성하면 된다.
그리고, 게이트 절연막은 X 기능기를 가지는 실리콘 알콕사이드와 Y 기능기를 가지는 금속 알콕사이드의 졸 화합물을 포함하는 복합재료를 도포, 프린팅 또는 코팅한 후 경화공정을 수행하여 형성한다. 이때, 본발명에 의한 X 기능기를 가지는 실리콘 알콕사이드와 Y 기능기를 가지는 금속 알콕사이드의 졸 화합물은 전술한 바와 동일한 특징을 가진다.
유기 박막트랜지스터의 제조방법
본 발명에 의한 유기 박막트랜지스터의 제조방법은 전술한 박막트랜지스터의 제조방법과 동일 또는 유사하다. 따라서, 동일 또는 유사한 패턴에 대해 같은 도면부호를 사용하기로 한다.
도 3을 참고로 하여 살펴보면, 먼저, 기판(111) 상에 n+a-Si, ITO, Al 등을 증착한 후 포토식각기술로 패터닝하여 게이트 전극(112a)을 형성한다. 이 때, 상기 게이트 전극(112a)은 상기의 금속층 이외에, 도전성있는 유기 고분자계 물질인 PEDOT(Polyethylene-dioxythiophene)를 코팅방법으로 도포하거나 또는 인젝트-프린팅 방법으로 인쇄하여 형성할 수 있다.
이후, 상기 게이트 전극(112a)을 포함한 전면에 X 기능기를 가지는 실리콘 알콕사이드와 Y 기능기를 가지는 금속 알콕사이드의 졸 화합물을 포함하는 복합재료(Si-졸/Me-졸)로 게이트 절연막(113)을 형성한다. 여기서, 기능기 X 또는 Y는 하 기와 같은 이중결합 또는 삼중결합을 가진 기능기, 아크릴레이트 기(acrylate group), 에폭시 기(epoxy group), 또는 옥세탄 기(oxetane group)로 구성되는 그룹 중에서 적어도 어느 하나를 선택한다.
Figure 112006047417092-pat00004
구체적으로, 실리콘 알콕사이드와 금속 알콕사이드를 졸 형태로 반응시켜 졸-겔 복합재료를 형성한다. 이러한, 복합재료는 유/무기 하이브리드 타입의 재료이며, 상기 실리콘 알콕사이드와 금속 알콕사이드의 함량비에 따라 상기 복합재료의 유전율, 투과도가 달라진다. 실리콘 알콕사이드와 금속 알콕사이드를 1:1비율로 혼합하는 것이 유전율 및 투과도 면에서 우수하다.
이때, 상기 금속 알콕사이드의 금속입자는 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 이트륨(Y), 알루미늄(Al), 하프늄(Hf), 칼슘(Ca) 또는 마그네슘(Mg) 중 적어도 어느 하나를 선택하여 사용하며, 7이상의 유전상수를 가지는 물질로 형성하여 게이트 절연막이 고유전율을 가지도록 한다.
또한 상기 실리콘 알콕사이드와 금속 알콕사이드로부터 제조되는 졸 화합물은 가수분해 및 축합반응을 통해 제조하며, 이때, 반응촉진을 위해 물 또는 알코올을 촉매로 사용할 수 있다.
이러한 방법으로 형성된 졸 화합물은, 도 2에 도시된 바와 같이, 케미컬 네 트워크 구조를 가지는데, 상기의 기능기 X 또는 Y를 포함하고 말단 또는 측쇄에 알킬기(CHC3-, C2H5-, C3H7-, ..., CnH2n +1-) 또는 페닐기 등이 결합되어 있다.
이러한, 본발명의 졸-겔 화합물은 상기 X, Y 기능기로 인하여 분자내 자유 부피 향상으로 절연막 표면에 클랙을 방지할 수 있다. 즉, 졸-겔 복합재료를 용매에 혼합하여 기판 상에 균일하게 코팅한뒤, 70℃에서 가경화(soft-baking)하고, 300℃에서 완전경화(hard-baking)하더라도 분자내 X,Y의 자유 부피에 의해서 분자내 물질이 수축할 염려가 없으므로 클랙이 형성되지 않게 되다.
또한, 기능기 X, Y는 반응성을 가지므로 분자내 가교결합(crosslinking)을 유도함으로써 내열성 향상이 가능해진다.
따라서, 이러한 유무기 복합재료는 절연성, 코팅성, 내열성, 경도, 및 투과도가 우수하고, 유전상수의 조절이 용이하여 액정표시소자의 게이트 절연막으로 사용하기에 적합하다.
또한, 본 발명에 의한 유무기 복합재료는 프린팅 방법, 코팅법 또는 도포법 중 어느 하나의 방법으로 형성할 수 있으므로, 그 공정이 용이하고 평탄성도 우수하다.
상기와 같은 유무기 복합재료로 게이트 절연막을 형성한 이후에는, 상기 게이트 전극(112a) 상부의 게이트 절연막(113) 상에 펜탄센(pentacene) 계 또는 티오펜(thiophene) 계 유도체 등의 저분자나 폴리 티오펜(polythiophene)과 같은 고분자 물질로 유기 반도체층(114)를 형성한다.
그리고, 상기 유기 반도체층(114)을 포함한 전면에 은(Au), 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 등의 금속을 고온의 스퍼터링 기술에 의해 증착한 후 포토식각기술로 패터닝하여 반도체층 양측에 소스/드레인 전극(115a,115b)을 각각 형성한다.
이로써, 게이트전극(112a), 게이트 절연막(113), 유기 반도체층(114) 및 소스/드레인 전극(115a, 115b)으로 이루어진 유기 박막트랜지스터(TFT)가 완성된다.
한편, 상기에서는 게이트 전극이 소스/드레인 전극 하부에 위치하는 버텀-게이트 형 유기 박막트랜지스터에 대해서 한정하여 설명하였으나, 탑-게이트 형 유기 박막트랜지스터에도 본 발명을 적용할 수 있다.
이 때, 상기 유기 TFT의 경우에는 저온 공정이 가능하므로 상기 기판(111)은 플렉서블한 특성의 플라스틱 기판 또는 필름으로 대체 가능하다.
TFT 어레이 기판의 제조방법
본 발명에 의한 액정표시소자의 TFT 어레이 기판의 제조방법은 전술한 박막트랜지스터의 제조방법과 동일 또는 유사하다. 따라서, 동일 또는 유사한 패턴에 대해 같은 도면부호를 사용하기로 한다.
도 4를 참고로 하여 살펴보면, 먼저, 기판(111) 상에 구리(Cu), 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(AlNd : Aluminum Neodymium), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴-텅스텐(MoW) 등의 비저항이 낮은 금속을 고온의 스퍼터링 기술에 의해 증착한 후 포토식각기술로 패터닝하여 게이트 배선(112) 및 게이트 전극(112a)을 형성한다.
이후, 상기 게이트 전극(112a)을 포함한 전면에 X 기능기를 가지는 실리콘 알콕사이드와 Y 기능기를 가지는 금속 알콕사이드의 졸 화합물을 포함하는 복합재료(Si-졸/Me-졸)로 게이트 절연막(113)을 형성한다. 여기서, 기능기 X 또는 Y는 하기와 같은 이중결합 또는 삼중결합을 가진 기능기, 아크릴레이트 기(acrylate group), 에폭시 기(epoxy group), 또는 옥세탄 기(oxetane group)로 구성되는 그룹 중에서 적어도 어느 하나를 선택한다.
Figure 112006047417092-pat00005
구체적으로, 실리콘 알콕사이드와 금속 알콕사이드를 졸 형태로 반응시켜 졸-겔 복합재료를 형성한다. 이러한, 복합재료는 유/무기 하이브리드 타입의 재료이며, 상기 실리콘 알콕사이드와 금속 알콕사이드의 함량비에 따라 상기 복합재료의 유전율, 투과도가 달라진다. 실리콘 알콕사이드와 금속 알콕사이드를 1:1비율로 혼합하는 것이 유전율 및 투과도 면에서 우수하다.
이때, 상기 금속 알콕사이드의 금속입자는 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 이트륨(Y), 알루미늄(Al), 하프늄(Hf), 칼슘(Ca) 또는 마그네슘(Mg) 중 적어도 어느 하나를 선택하여 사용하며, 7이상의 유전상수를 가지는 물질로 형성하여 게이트 절연막이 고유전율을 가지도록 한다.
또한 상기 실리콘 알콕사이드와 금속 알콕사이드로부터 제조되는 졸 화합물은 가수분해 및 축합반응을 통해 제조하며, 이때, 반응촉진을 위해 물 또는 알코올 을 촉매로 사용할 수 있다.
이러한 방법으로 형성된 졸 화합물은, 도 2에 도시된 바와 같이, 케미컬 네트워크 구조를 가지는데, 상기의 기능기 X 또는 Y를 포함하고 말단 또는 측쇄에 알킬기(CHC3-, C2H5-, C3H7-, ..., CnH2n +1-) 또는 페닐기 등이 결합되어 있다.
이러한, 본발명의 졸-겔 화합물은 상기 X, Y 기능기로 인하여 분자내 자유 부피 향상으로 절연막 표면에 클랙을 방지할 수 있다. 즉, 졸-겔 복합재료를 용매에 혼합하여 기판 상에 균일하게 코팅한뒤, 70℃에서 가경화(soft-baking)하고, 300℃에서 완전경화(hard-baking)하더라도 분자내 X,Y의 자유 부피에 의해서 분자내 물질이 수축할 염려가 없으므로 클랙이 형성되지 않게 되는 것이다.
또한, 기능기 X, Y는 반응성을 가지므로 분자내 가교결합(crosslinking)이 유도되어 졸-겔 화합물의 내열성도 향상된다.
따라서, 이러한 유무기 복합재료는 절연성, 코팅성, 내열성, 경도, 및 투과도가 우수하고, 유전상수의 조절이 용이하여 액정표시소자의 게이트 절연막으로 사용하기에 적합하다.
또한, 본 발명에 의한 유무기 복합재료는 프린팅 방법, 코팅법 또는 도포법 중 어느 하나의 방법으로 형성할 수 있으므로, 그 공정이 용이하고 평탄성도 우수하다.
상기와 같은 유무기 복합재료로 게이트 절연막을 형성한 이후에는, 기판 전면에 비정질 실리콘(a-Si)을 증착하고 패터닝하여 반도체층(114)을 형성한 후 n형 불순물을 주입함과 동시에 비정질 실리콘(a-Si)을 증착하고 패터닝하여 n+a-Si의 오믹콘택층(114a)을 형성한다.
그리고, 상기 오믹콘택층(114a)을 포함한 전면에 구리(Cu), 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(AlNd : Aluminum Neodymium), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴-텅스텐(MoW) 등의 비저항이 낮은 금속을 고온의 스퍼터링 기술에 의해 증착한 후 포토식각기술로 패터닝하여 반도체층 양측에 소스/드레인 전극(115a,115b)을 각각 형성하고 이와 동시에, 상기 소스전극과 일체형으로 연결되는 데이터 배선(115)을 형성한다.
이때, 상기 게이트 배선 및 데이터 배선은 수직교차하여 단위 화소를 정의하고, 게이트전극(112a), 게이트 절연막(113), 반도체층(114), 오믹콘택층(114a) 및 소스/드레인 전극(115a, 115b)으로 이루어진 박막트랜지스터(TFT)는 상기 두 배선이 교차하는 지점 부위에 위치한다. 이때, 박막트랜지스터는 게이트 전극이 소스/드레인 전극 상부에 위치하는 탑-게이트 형 박막트랜지스터이어도 무방하고 유기 박막트랜지스터이어도 무방하다.
계속하여, 상기 박막트랜지스터를 포함한 전면에 보호막을 형성한다. 이때, BCB(Benzocyclobutene), 아크릴계 물질과 같은 유기재료를 도포하거나 또는 SiNx, SiOx와 같은 무기재료를 증착하여 보호막(116)을 형성할 수 있다.
마지막으로, 상기 드레인 전극(115b)의 일부가 노출되도록 보호막(116)을 제거하여 콘택홀을 형성하고, 상기 콘택홀을 포함한 보호막(116) 전면에 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide)의 투명도전물질을 증착하고 패터닝하여 상기 드레인 전극(115b)에 콘택되는 화소전극(117)을 형성한다.
상기와 같이 형성된 TFT 어레이 기판은, 도시하지는 않았으나, 대향기판에 대향합착되고 두 기판 사이에 액정층이 구비하는데, 상기 대향기판에는 빛의 누설을 방지하는 블랙 매트릭스와, 상기 블랙 매트릭스 사이에 R,G,B의 컬러 레지스트가 일정한 순서대로 형성된 컬러필터층과, 상기 컬러필터층 상부에서 상기 컬러필터층을 보호하고 컬러필터층의 표면을 평탄화하기 위한 오버코트층과, 상기 오버코트층 상에 형성되어 TFT 어레이 기판의 화소전극과 더불어 전계를 형성하는 공통전극이 형성되어 있다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기와 같은 본 발명의 TFT 어레이 기판의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본발명에 의한 졸-겔 화합물은 상기 X, Y 기능기로 인하여 분자내 자유 부피가 향상되어 절연막 표면에 클랙이 형성하는 것이 방지된다. 즉, 졸-겔 복합재료를 경화하더라도 분자내 X,Y의 자유 부피에 의해서 분자내 물질이 수축할 염려가 없으므로 클랙이 형성되지 않게 되는 것이다.
둘째, 졸-겔 화합물의 기능기 X, Y는 반응성을 가지므로 분자내 가교결 합(crosslinking)이 유도되어 물질의 내열성이 향상된다.
셋째, 실리콘 알콕사이드와 금속 알콕사이드의 함량비에 따라서, 유무기 복합재료의 절연성, 코팅성, 내열성, 경도, 및 투과도를 용이하게 조절할 수 있으므로, 본 발명에 의한 실리콘 알콕사이드와 금속 알콕사이드의 졸-겔 화합물을 박막트랜지스터용 게이트 절연막 또는 액정표시소자의 게이트 절연막으로 사용하기에 적합하다.
넷째, 본 발명에 의한 유무기 복합재료는 프린팅 방법, 코팅법 또는 도포법 중 어느 하나의 방법으로 형성할 수 있으므로, 그 공정이 용이하고 평탄성도 우수해진다.

Claims (26)

  1. 기판 상에 게이트 전극을 형성하는 단계와,
    상기 기판 상의 전면에 상기 게이트 전극을 덮는 게이트 절연막을 형성하는 단계와,
    상기 게이트 절연막 상에 상기 게이트 전극의 일부와 오버랩하는 반도체층을 형성하는 단계와,
    상기 반도체층 양측에 소스/드레인 전극을 각각 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 게이트 절연막을 형성하는 단계에서,
    상기 게이트 절연막은 X 기능기를 가지는 실리콘 알콕사이드와 Y 기능기를 가지는 금속 알콕사이드를 포함하는 졸-겔 복합재료로 형성되며,
    상기 X 기능기 및 상기 Y 기능기 각각은 아크릴레이트 기(acrylate group), 에폭시 기(epoxy group), 옥세탄 기(oxetane group) 및 하기와 같은 이중결합 또는 삼중결합을 가진 기능기로 구성되는 그룹 중에서 적어도 어느 하나로 선택되는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터의 제조방법.
    Figure 112013018508358-pat00012
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 알콕사이드의 금속은 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 이트륨(Y), 알루 미늄(Al), 하프늄(Hf), 칼슘(Ca) 또는 마그네슘(Mg) 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 알콕사이드는 7이상의 유전상수를 가지는 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 졸-겔 복합재료에 물 또는 알코올의 촉매를 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 졸-겔 복합재료는 상기 실리콘 알콕사이드와 상기 금속 알콕사이드가 졸 형태로 반응하여, 상기 X 기능기와 상기 Y 기능기에 의해 서로 가교결합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 졸-겔 복합재료는 유/무기 하이브리드 타입의 재료인 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘 알콕사이드와 상기 금속 알콕사이드의 함량비에 따라 상기 졸-겔 복합재료의 유전율, 투과도가 달라지는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 게이트 절연막을 형성하는 단계는
    프린팅 방법, 코팅법 또는 도포법 중 어느 하나의 방법을 이용하여, 상기 기판 상에, 상기 졸-겔 복합재료와 용매의 혼합물을 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 게이트 절연막을 형성하는 단계는
    상기 기판 상에 코팅된 졸-겔 복합재료를 경화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터의 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체층은 비정질 실리콘으로 형성하는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터의 제조방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체층은 펜탄센(pentacene) 계 또는 티오펜(thiophene) 계 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터의 제조방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 기판 상에 게이트 전극 및 게이트 배선을 형성하는 단계와,
    상기 기판 상의 전면에 상기 게이트 전극 및 게이트 배선을 덮는 게이트 절연막을 형성하는 단계와,
    상기 게이트 절연막 상에 상기 게이트 전극의 일부와 오버랩하는 반도체층을 형성하는 단계와,
    상기 반도체층 양측에 소스/드레인 전극을 각각 형성하고 이와 동시에 상기 게이트 배선에 수직교차하는 데이터 배선을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 게이트 절연막을 형성하는 단계에서,
    상기 게이트 절연막은 X 기능기를 가지는 실리콘 알콕사이드와 Y 기능기를 가지는 금속 알콕사이드를 포함하는 졸-겔 복합재료로 형성되고,
    상기 X 기능기 및 Y 기능기 각각은 아크릴레이트 기(acrylate group), 에폭시 기(epoxy group), 옥세탄 기(oxetane group) 및 하기와 같은 이중결합 또는 삼중결합을 가진 기능기로 구성되는 그룹 중에서 적어도 어느 하나로 선택되는 것을 특징으로 하는 TFT 어레이 기판의 제조방법.
    Figure 112013018508358-pat00013
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 금속 알콕사이드의 금속은 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 이트륨(Y), 알루미늄(Al), 하프늄(Hf), 칼슘(Ca) 또는 마그네슘(Mg) 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 TFT 어레이 기판의 제조방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 금속 알콕사이드는 7이상의 유전상수를 가지는 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 TFT 어레이 기판의 제조방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 졸-겔 복합재료는 상기 실리콘 알콕사이드와 상기 금속 알콕사이드가 졸 형태로 반응하여, 상기 X 기능기와 상기 Y 기능기에 의해 서로 가교결합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 TFT 어레이 기판의 제조방법.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 실리콘 알콕사이드와 금속 알콕사이드의 함량비에 따라 상기 졸-겔 복합재료의 유전율, 투과도가 달라지는 것을 특징으로 하는 TFT 어레이 기판의 제조방법.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 게이트 절연막을 형성하는 단계는
    프린팅 방법, 코팅법 또는 도포법 중 어느 하나의 방법을 이용하여, 상기 기판 상에, 상기 졸-겔 복합재료와 용매의 혼합물을 코팅하는 단계; 및
    상기 기판 상에 코팅된 졸-겔 복합재료를 경화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 TFT 어레이 기판의 제조방법.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 반도체층은 비정질 실리콘으로 형성하는 것을 특징으로 하는 TFT 어레이 기판의 제조방법.
  21. 제 14 항에 있어서,
    상기 반도체층은 펜탄센(pentacene) 계 또는 티오펜(thiophene) 계 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 TFT 어레이 기판의 제조방법.
  22. 삭제
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 졸-겔 복합재료에 포함된 상기 실리콘 알콕사이드와 상기 금속 알콕사이드의 함량비는 1:1인 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터의 제조방법.
  24. 제 9 항에 있어서,
    상기 졸-겔 복합재료를 경화하는 단계는,
    상기 기판 상에 코팅된 졸-겔 복합재료를 70℃에서 가경화하는 단계; 및
    상기 가경화된 졸-겔 복합재료를 300℃에서 완전경화하는 단계를 포함하는 박막트랜지스터의 제조방법.
  25. 제 14 항에 있어서,
    상기 졸-겔 복합재료에 포함된 상기 실리콘 알콕사이드와 상기 금속 알콕사이드의 함량비는 1:1인 것을 특징으로 하는 TFT 어레이 기판의 제조방법.
  26. 제 19 항에 있어서,
    상기 졸-겔 복합재료를 경화하는 단계는,
    상기 기판 상에 코팅된 졸-겔 복합재료를 70℃에서 가경화하는 단계; 및
    상기 가경화된 졸-겔 복합재료를 300℃에서 완전경화하는 단계를 포함하는 TFT 어레이 기판의 제조방법.
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