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Impact of laser annealing for CVD grown MoS2 thin film transistors in top gate structure
Dong Jae Kwon 대구경북과학기술원 대학원 2021 국내석사
본 논문은 새로운 레이저 어닐링 방법인 게이트 어닐링 (Gate Annealing)을 처리했을 때, 상부 게이트 구조에서 화학적 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition)으로 성장시킨 이황화 몰리브덴(Molybdenum disulfide ; MoS2) 박막 트랜지스터의 전기적 특성 변화에 대한 연구이다. 전이금속 칼코젠화합물 (Transition Metal Dichalcogenides ; TMDs)은 2차원 반도체 물질로 주목받고 있으며, 그 중 이황화 몰리브덴은 상대적으로 넓은 밴드갭 때문에 각광받는 전자 재료이다. 이황화 몰리브덴을 증착하는 방법에는 다양한 공정 방법이 있으며, 대면적 공정에 적용하기 위해서는 화학적 기상 증착법이 필수적이다. 하지만 이 공정은 낮은 전기적 이동도로 인하여 전기적 특성이 좋지 않아서, 이를 개선하기 위한 한 가지 접근법으로 열 어닐링(thermal annealing) 방법이 제안되었다. 열처리 효과에 의한 전기적 특성을 분석하기 위해서는 Contact 영역과 interface 영역을 분리해서 연구할 필요가 있는데, 기존의 열 어닐링 방법은 전체적인 열처리로 인하여 특정 영역에 대한 변화를 관찰하기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 국부적인 열처리를 위해서 레이저 어닐링(Laser Annealing)이 제안되었으며, 레이저 어닐링이 interface 영역에 미치는 영향을 관찰하였다. 특히 화학적 기상 증착법으로 성장시킨 MoS2와 원자층 증착법 (Atomic Layer Deposition)을 이용한 Al2O3는 trap이 비교적 많이 형성될 수 있어서 interface 품질이 좋지 못하다. 이러한 문제 때문에, interface 영역에서의 직접적인 열처리가 필요하며, 본 논문에서 게이트 어닐링이 interface 영역에 미치는 영향을 조사하였다. 그 결과, interface trap을 효과적으로 줄임으로써 interface 품질을 향상시킬 수 있었고, 전기적 특성 변화를 관찰할 수 있었다. 전기적 특성 변화에는 전체 전기적 저항이 30.8% 감소하고, 전계 효과 이동도가 22.34% 증가하였으며, 문턱 전압이 negative shift하였으며, subthreshold swing이 12.36% 감소하는 것을 확인하였다. 줄어든 interface trap은 XPS 결과의 MoO3의 정량분석을 통하여 그 가능성을 확인할 수 있었다. 또한 Y-Function method를 이용하여 접촉 저항의 영향 없이 고유 이동도(intrinsic mobility)를 추출하였으며, 그 결과 게이트 어닐링을 통하여 52.8% 증가했음을 확인할 수 있다. 또한, 전체 저항과 채널 저항을 추출하여 비교해보았을 때, 게이트 어닐링을 통해서 모두 감소한 것을 확인할 수 있으며 전체 저항에서 채널 저항이 가지는 비중이 줄었음을 확인할 수 있다. 결론적으로 게이트 어닐링 방식은 inter-face trap을 줄여 Al2O3/MoS2 interface를 개선할 수 있는 효과적인 방법이다. Transition Metal Dichalcogenides (TMDs) are promising electronic materials due to their mechanical, electrical, and optical properties. Among them, Molybdenum disulfide (MoS2) is the most actively studied ma-terial due to the n-type semiconducting property in 2H phase, high carrier mobility, and tunable bandgap. MoS2 is mainly deposited by the mechanical exfoliation method using scotch tape, Physical Vapor Deposition (PVD), and Chemical Vapor Deposition (CVD). Especially, CVD is the preferred deposition method due to the thick-ness controllability of layer and large-scale process. However, the electrical properties of the CVD grown MoS2 thin film transistors (TFTs) are relatively poor such as low field-effect mobility and high subthreshold swing. One of the approaches to improve these properties is thermal annealing, which uses a furnace to perform the overall thermal treatment. In order to investigate the reason why electrical properties are improved through thermal annealing, it is necessary to analyze the contact region and interface region separately. For this purpose, compared to conventional thermal annealing, which affects all parts, laser annealing is beneficial to local heat treatment. Consequently, this study investigates the effect of laser annealing on the interface region. Because the interface quality is poor due to CVD-grown MoS2 and ALD-deposited Al2O3, a new laser annealing method called “Gate Annealing(GA)” is proposed to study the change of the interface area. Through the proposed method, it is confirmed that the change of electrical characteristics that the interface quality can be improved by effectively reducing traps. The reduced interface traps enhance the electrical char-acteristics such as decreased total electrical resistance, slightly increased the field-effect mobility, increased the on/off current ratio, decreased subthreshold swing, and negative shift of threshold voltage. These changes are supported by the quantitative analysis of MoO3 in the XPS results that GA can reduce resides. Besides, in the analysis using the Y-Function Method (YFM), intrinsic mobility is significantly increased compared to field-effect mobility. It can be seen that the GA method affects the improvement of interface quality. As a result, GA is a method that can contribute to electrical characteristics by improving the Al2O3/MoS2 interface by reducing the interface traps.
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