Low-k dielectric film is currently of great interest for inter/intra level dielectric (ILD) of integrated circuit(IC) or passivation layer of liquid crystal display - thin film transistor (LCD-TFT). Low-k dielectric film used in IC causes improved device performance and high speed because it decreases fatal weak points such as capacitive coupling, RC time delay, and power dissipation in interconnect structure. Moreover, low-k passivation layer used in LCD-TFT enables its high quality and large size. It is because LCD-TFT using low-k passivation layer is able to stretch ITO pixel electrode above the gate. Extension of the ITO pixel electrode increases aperture ratio, brightness and contrast ratio of active matrix LCD (AMLCD). Materials which are currently used as a passivation layer of flat panel displays are $SiO_2$ or SiNx. Dielectric constant of these materials is 3.9 and 7 respectively. Materials with k<3 are being introduced recently in order to get advantages of low-k passivation layer.
Organic-inorganic hybrid materials (hybrimers) based on sol-gel derived oligosiloxane have been researched for diverse optical application like optical waveguides and microlenses because they exhibit high transparency, good thermal stability and low optical loss/birefringence as well as simple processibility by combining characteristics of both inorganics and organics. Moreover, the characteristics like dielectric constant or refractive indices of the hybrimers are easily controllable according to variation of inorganic or organic composition to be applied both in optics and electronics. However, the hybrimers were limited only in optical applications since low condensation degree(CD) of oligosiloxane in the hybrimers cause lack of insulating characteristic to be used in electronics. Thus, synthesis of highly condensed oligosiloxane should be required for the hybrimers to be applied as a dielectric coating layer in electronic application.
In this study, we fabricated highly condensed fluorinated methacrylate hybrid material (FM hybrimer) for passivation layer in LCD-TFT. The highly condensed FM hybrimer was well synthesized, and its composition was controlled to achieve proper characteristics of passivation layer. Moreover, the FM hybrimer is appropriate for low temperature process of LCD-TFT because it is made in low temperature. The highly condensed FM hybrimer is photo-patternable due to its high photo-sensitivity. Therefore, FM hybrimer can be used as a passivation layer in LCD-TFT without additional etching process in general LCD process temperature. In optimized condition, the FM hybrimer dielectric film shows good electrical property, which can be considered as a candidate of low-k passivation layer in LCD-TFT.
최근 집적 회로 (integrated circuit, IC)의 층간 절연막(inter/intra layer dielectric)과 액정 디스플레이 박막 트랜지스터 (liquid crystal display - thin film transistor, LCD-TFT)의 passivation layer로서 저유전율 박막의 관심이 집중되고 있다. 현재 사용되고 있는 SiO2 또는 SiNx 박막은 유전상수가 각각 3.9, 7로서 너무 높아 여러 단점을 지니고 있다. 층간 절연막으로 사용되는 저유전율 박막은 이전 소자에서 문제시 되었던 배선 사이에 발생하는 기생 정전 용량, RC 시간 지연, 전력 소모 등을 감소시켜 소자의 고속화 및 고집적화를 가능하게 한다. 따라서 집적 회로 층간 절연막으로서 저유전율 박막의 도입은 작동 소자의 신호 지연을 예방하여 우수한 특성을 가지며 소형화된 반도체 소자를 얻을 수 있다. 또한 능동 행렬 액정 디스플레이(active matrix LCD)의 passivation layer 로서 저유전율 박막의 사용은 기존 제품에 비해 우수한 화면 품질과 대면적을 기대할 수 있다. 왜냐하면 기존의 passivation layer를 사용하는 LCD-TFT는 metal-line인 indium tin oxide(ITO) 화소 전극과 gate 간의 기생 정전 용량으로 인해 ITO를 gate위로 확장시킬 수 없는 반면 낮은 유전상수를 가지는 저유전율 박막의 LCD-TFT는 기생 정전 용량을 감소시켜, ITO를 연장시킬 수 있기 때문이다. 이는 AMLCD의 개구율(aperture ratio)을 증가시켜 대면적, 고휘도, 고효율의 화면을 가능하게 한다. 따라서 저유전율 박막은 반도체, TFT-LCD 같은 무한한 가능성을 가진 최첨단 산업의 성능 향상에 중요한 역할을 하여 미래 전자산업에 필수적인 부분이 될 것으로 생각된다.
현재 연구되고 있는 저유전율 박막은 크게 3가지 기준에 의해 분류된다. 박막의 재료에 따라 무기 유전박막과 유기 유전박막으로 나뉘고, 박막공정 방법에 따라 진공 증착방식과 용액기반 방식으로 나뉘며, 유전상수에 따라 고유전 재료, 저유전 재료, 초저유전 재료로 나뉜다. 무기 유전박막의 경우 저 누설전류, 고 절연 파괴전압, 유기용매에 대한 안정성 등 전기적, 화학적 특성이 우수하지만 유기 유전박막에 비해 높은 유전상수를 가지며, 고온공정과 진공장비 이용 등으로 인하여 제조 단가가 높고 플라스틱과 같은 기판을 이용할 수 없다는 단점이 있다. 또한 유전박막의 patterning을 하기 위한 추가공정이 요구되어 제작 가격을 증가시키는 단점이 있다. 대표적인 무기 유전박막으로는 $SiO_2$ 와 SiNx가 있다. 유기 유전박막은 저온공정과 용액 공정이 가능하여 생산 비용이 낮고, 무기 유전박막에 비해 유전상수가 낮다. 반면 유기 유전박막 형성 시 사용되는 용매에 의해 화학적 안정성이 떨어지고, 낮은 절연 파괴전압으로 인하여 두꺼운 막이 사용되어야 한다는 단점이 있다. 또한 낮은 열 안정성과 같은 물리적 특성의 약점 역시 유전박막으로 사용되기 위해 보완되어야 하는 단점들이다.
진공 증착방식에 이용되는 장비는 Atomic Layer Deposition (ALD), Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD), Pulsed Laser Deposition (PLD), rf sputtering 등이 있다. 진공 증착방식으로 형성된 박막은 전기적인 특성이 좋고 낮은 온도에서 제작이 가능하다는 장점이 있다. 하지만 제작하는 장비의 가격이 비싸고 수율이 좋지 않은 단점이 있다. 용액 공정을 이용한 증착 방법은 spin coating, dip coating, ink-jet printing 등이 있다. 이러한 방법을 이용한 증착은 진공 증착 방식에 비해 전기적인 특성은 떨어지지만 경제적으로 제작할 수 있고, 쉽고 간단한 방법이며 roll-to-roll 공정이나 ink-jet printing 같은 방법을 이용하면 printing process가 가능하므로 대량 생산에 유리한 장점이 있다.
유전박막에 사용되는 재료는 k>3인 고유전 재료, 2.5
