In modern times, Inter layer dielectric(ILD) of inter circuit(IC) in most electronics and display industry is working on developing the low constant materials of passivation layers. The SiO2, SiNx thin film, which is currently used as an inorganic thin film material, has a dielectric constant of 3.9 and 3.7, respectively, and have various disadvantages. The low dielectric constant interlayer dielectric reduces the parasitic capacitance, RC time delay, power consumption, etc. generated between electrodes, which make it possible to increase the device speed and integration. In particular, the low dielectric passivation layer in display device can extend the metal line transparent ITO over the gate by reducing the parasitic capacitance between the conventional ITO pixel electrode and the gate electrode. As a result, the aperture ratio of the active matrix(AM) liquid crystal display(LCD) or the AM organic light emitting diode(OLED) is increased, resulting high contrast ratio with high brightness and an advantage in terms of power consumption. Therefore, the development of a low dielectric constant thin film is considered to a key material essential for improving the electrical characteristics of the oxide TFT device, which is attracting attention as a material in future large size and high resolution displays.
Materials that are studied as low-k thin film materials are classified into inorganic, organic and high porous oxidized materials. In addition, low-k materials could classified in two ways: solution process and vacuum process. First, inorganic thin film materials have excellent electrical and chemical properties such as low leakage current, high breakdown voltage and stability to organic solvents, but have a higher dielectric constant than organic and porous materials. On the other hand, organic materials have a low manufacturing cost due to low temperature and solution processes and they have a lower dielectric constant than inorganic thin films. However, due to harmful from chemicals caused breakdown voltage, need to thicker film than other materials and vulnerable to mechanical stress. High porosity materials have investigated due to its much low dielectric constant, but they have disadvantages such as low uniformity to make large scale.
In recent years, siloxane based materials, whose exhibit high optical properties, relatively high thermal stability, low dielectric properties and low cost solution process fabrication method, have been investigated to various applications. In particular, the inorganic-organic hybrid material which is synthesized by sol-gel process is chemically bonded between inorganic and organic strongly on a molecular basis. So it is possible to develop the materials that improve the properites of both organic and inorganic materials such as control the dielectric constant, refractive index, surface energy by changing the type of precursor of metal alkoxide or organic group to the appropriate group or by changing the process.
In this study, the fabrication and characteristics of low dielectric films for passivation layer of oxide TFT using inorganic-organic hybrimer was studed. I synthesized high condensation fluorinated epoxy-phenyl oligo-siloxane resin and fabricate the hybrimer with low-k. Synthesis process was processed by solution process at low temperauture less than $80\circ C$. Passivation layer was fabricated from fluorinated epoxy-phenyl hybrimer with low dielectric constant less than 2.9. The fabricated hybrimer passivation layer exhibits also high transparency, high thermal stability, low leakage current and improve the electrical performance including bias stability of oxide TFT.
현대의 대부분의 전자기기에 들어 있는 집적회로 (intergrated circuit, IC)의 층간절연막(inter layer dielectric)과 디스플레이를 포함한 정보용 소자의 패시베이션 층으로서 저유전율 특성을 향상시키려는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 현재 사용되고 있는 무기박막 재료인 SiO2 또는 SiNx 박막은 유전 상수가 각각 3.9, 3.7로 높아 여러 단점을 지니고 있다. 저유전율 층간 절연막은 배선 사이에 발생하는 기생 정전 용량과 RC 시간 지연, 전력 소모 등을 감소시키는 효과를 내어 소자의 고속화 및 고집적화가 가능하다. 또한 디스플레이용 저유전율 패시베이션 층은 기존의 TFT 내 Indium tin oxide(ITO) 화소 전극과 gate 간의 기생 정전 용량을 감소시켜 metal line인 ITO를 gate 위로 연장할 수 있다. 이로 인해 Aactive Matrix(AM) Liquid Crystal Display(LCD)나 AM Organic Light Emitting Diode(OLED)의 개구율(aperture ratio)을 증가시켜 고휘도의 밝은 이미지를 얻을 수 있고, 전력소모 면에서도 유리하게 된다. 따라서 저유전율 박막의 개발은 미래의 대면적, 고화질 디스플레이 내 소재로 주목 받고 있는 산화물 TFT의 소자의 전기적 특성 향상에 반드시 필요한 핵심 소재라 생각된다.
저유전율 박막 물질로 연구되고 있는 재료는 크게 무기 재료류, 유기 재료, 고다공성 산화물류로 나뉘며, 박막 공정 방법에 따라 진공 증착 방식과 용액 기반 방식으로 나뉜다. 무기 박막 재료는 저 누설전류, 고 절연 파괴전압, 유기 용매에 대한 안정성 등 전기적, 화학적 특성이 우수하지만 유기 재료나 고 다공성 박막에 비해 높은 유전상수를 가지며, 고온 공정과 진공 장비로 인한 제조과정 상의 고비용으로 인해 단가가 높고, 고온 공정으로 증착되므로 향후 플렉서블 기판으로 사용되는 폴리머 기판의 낮은 열안정성에 치명적인 단점이 있다. 유기 재료의 경우 저온공정과 용액공정이 가능하므로 제조 비용이 낮으며, 유전상수가 무기 박막의 경우보다 낮다는 장점이 있으나 용매에 의한 화학적 안정성, 낮은 절연 파괴전압으로 인해 막의 두께가 상대적으로 두꺼워야하는 단점을 가지고, 기계적 특성 역시 무기 박막에 비해 떨어진다. 고다공성 산화물은 아주 낮은 유전율 특성을 가지지만, 대면적화와 제조과정에서의 균일성이 떨어지는 단점이 있다.
최근 많이 연구되고 있는 실리콘 기반의 polysilsequoxane 재료는 저유전 특성을 가지면서 열안정성이 비교적 높고, 용액 공정이기 때문에 공정 가격이 낮은 장점이 있다. 이 외에도 유-무기 하이브리드 재료는 솔-젤 공정을 기반으로 제조되어 무기 재료와 유기 재료가 서로 분자 단위에서의 화학 결합으로 새로운 특성을 복합 재료로 무기재료에서 나타나는 열 안정성, 강도 등의 장점과 유기 재료에서 나타나는 유연성과 낮은 유전 특성을 동시에 나타나는 재료이다. 솔-젤 공정을 이용한 하이브리머 재료는 전구체인 금속 알콕사이드의 종류나 유기 그룹을 쓰임새에 알맞은 그룹으로 치환시키거나 공정 방법의 변화로 유전상수, 굴절률, 표면에너지 등과 같은 물리적, 화학적 특성을 제어할 수 있다.
따라서 본 연구에서는 솔-젤 공정을 이용한 올리고실록산(Oligo-siloxane) 기반의 유-무기 하이브리드 재료를 사용한 박막 트랜지스터 패시베이션용 저유전박막을 제조 및 특성에 대해 연구하였다. 낮은 유전 특성을 지닌 페닐기를 가진 재료와 불화 재료를 이용하여 고축합 에폭시 하이브리머 합성에 성공하였고, 조성 변화를 통해 passivation layer에 적합한 특성을 분석하였다. 제조 단가가 낮은 용액 공정으로 진행되었으며, 전체 공정 온도가 100도 이하로 진행되어 산화물 TFT의 저온 공정 적용에 적합하게 설계되었다. 2.9 이하의 저유전 특성을 가진 에폭시 하이브리머를 이용하여 제조된 passivation layer는 높은 투명도, 열 안정성, 낮은 누설 전류를 가져 고이동도, 높은 소자 균일성을 가져 기존의 실리콘 기반 TFT를 대체할 산화물 TFT물 TFT의 passivation layer로 이용되기에 적합한 특성을 나타내었다.
