고효율 박막 트랜지스터를 위한 산화아연 기반의 산화물 반도체 개발 = Development of zinc oxide-based semiconductors for high efficiency thin film transistor

국문 초록 (Abstract)

최근, 평판 디스플레이 (Flat Panel Display (FPD))는 panel의 박막화, 사이즈의 대면적화뿐만 아니라 해상도에 있어서도 기존의 Full High Definition (FHD, 1920 x 1080 pixels)에서 Ultrahigh Definition (UHD, 3840 x 4320 pixels) 및 Super Hi-Vision (SHV, 7680 x 4320 pixels)급 이상으로 고 해상도 panel에 대한 개발의 요구와 관심이 높아지고 있다. 특히 77인치 이상의 대형 Liquid Crystal Display (LCD) panel에서 high resolution (>UHD) 및 high frequency (>240 Hz)의 성능을 구현하기 위해서는 high field-effect mobility (μFE, > 10 cm2/Vs), low resistive capacitive (RC) delay 및 bias나 illumination에 대한 구동 소자인 박막 트랜지스터 (TFT, Thin-Film Transistor) 의 신뢰성 확보가 요구된다.
TFT의 채널층으로서 비정질 실리콘 (a-Si, Amorphous Silicon) 또는 저온 다결정 실리콘 (LTPS, Low-Temperature Polycrystalline Silicon) 등이 고려되어 왔다. 그러나, a-Si TFT 전하 이동도가 1.0 cm2/Vs 이하에 불과하기 때문에 고이동도가 요구되는 대면적, 고해상도 응용제품으로의 적용의 한계에 도달하고 있다. a-Si TFT의 한계를 극복하기 위해서 연구 개발된 LTPS TFT의 경우 80 cm2/Vs 이상의 전하 이동도 덕분에 초고해상도 제품 구현이 가능하기 때문에 고급 패널을 구현이 가능하다. 그러나 LTPS 기술의 경우 결정화 공정과 채널/전극 오믹 접합 (Ohmic contact) 구현을 위한 이온 주입에 따른 제조원가 상승과, 결정화 공정 시간이 오래 걸려 대형 TFT 공정 생산성이 현저히 낮은 한계점을 안고 있다. 이를 극복하기 위해, 2000년도 중 후반부터 산화물 화합물 반도체를 TFT 채널층에 적용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 특히 이에 후보로 거론되는 물질로는 산화아연 기반의 물질로 IGZO (Indium-Gallium-Zinc-Oxide)가 연구의 주를 이루고 있는 상황이다. 하지만 IGZO 산화물 반도체 역시 기술의 원천 특허 및 재료의 가격적 측면 등의 문제점을 안고 있으며, 산화물 반도체를 기반으로 제작되는 TFT의 경우 아직까지 소자의 이동도 개선 및 장기 신뢰성 확보 등의 단점을 쉽게 극복하지 못하고 있는 실정이다. 특히, bias 또는 illumination에 대한 신뢰성 확보 및 RC delay 해결을 통해 고효율의 산화아연 기반의 반도체 개발은 극복해야 할 과제가 여전히 많이 남아 있는 분야라고 할 수 있다.
따라서, 본 연구에서는 이러한 배경을 바탕으로 ZnO 기반 산화물 반도체를 제작하여 고이동도 및 고신뢰성 확보를 통한 고효율의 TFT를 개발하는데 그 목적을 뒀다. 이를 위해 우선, DC 마그네트론 스퍼터링 장비를 이용하여 ZnO TFT를 제작, 최적화하였고 산소 플라즈마 처리를 통해 채널과 SiNx 절연층 계면의 결함을 줄여 그 특성을 향상시킬 수 있었다. 또한, S/D 저항을 줄이기 위해 여러가지 금속을 S/D으로 도입하였고, TFT S/D series resistance, intrinsic field effect mobility (μFEi), transfer length (LT), and effective contact resistance (RCeff)를 추출하여 반도체층과 S/D 사이의 관계를 분석했다.
ZnO TFT는 외부에 노출됐을 경우, 공기 중의 수분이나, 산소에 의해 특성이 변하게 되고 이를 방지할 수 있는 passivation layer가 필수이다. Passivation layer 적용을 통한 효과를 알아보기 위해 PEALD로 Al2O3, TiO2 박막을 증착하여 passivation layer 특성을 파악했고, TiO2, Al2O3 단일막 구조보다는 TiO2/Al2O3의 다층막 구조 순으로 passivation layer 특성이 우수해지는 것을 파악했다. 연구된 passivation layer를 TFT위에 증착하였고, 그 특성을 살펴본 결과, TFT의 전이특성 변화가 ALD 증착공정 중의 플라즈마에 의한 damage에 의해 발생한 것을 알아냈으며, 우수한 수분투과방지특성을 지닌 보호막을 TFT에 적용했을 때 소자특성을 향상 시킨다는 것을 파악했다. 또한 bias stress에 의한 동작 전압의 변화는 단순한 전자 이동에 의한 것이 아니라, 이온화된 H2O가 반도체 표면에서 absorption/desorption 됨에 따라서도 변화하는 것을 알아냈다.
최종적으로 본 연구에서는 IGZO TFT에 전자빔(electron beam)을 조사하여 S/D contact resistance 특성 향상을 통해서 신뢰성 향상과 소자 특성을 향상시키는 시도를 해보았다. S/D region에 국소적으로 전자빔 조사를 한 IGZO TFT의 경우, 산소결핍에 의해서 전기전도도가 향상될 뿐만 아니라, 표면거칠기의 증가로 인해 전자빔 조사 후 증착된 Cu와 IGZO 채널층과의 결합을 증가시켜 S/D contact resistance가 감소한 것을 알 수 있었고, TFT의 소자 특성 향상을 관찰할 수 있었다. 특히 본 실험을 통해 TFT의 신뢰성은 채널/전극의 contact resistance에 의해 그 특성이 좌우된다는 것을 파악할 수 있었다. 이를 통해서 전자빔 조사의 에너지와 조사선량을 적절하게 조절함에 따라서 IGZO 채널층과 metal electrode의 contact resistance 감소를 통한 성능 향상이 가능하다는 것을 밝혀 냈다. 본 연구에 사용된 저 저항의 Cu S/D contact resistance, 낮은 수분투과율의 passivation layer에 적용 가능한 전자빔 조사를 통해서 제작된 IGZO TFT는 향후, 대면적, 고해상도의 LCD 패널의 제작에 있어 우수한 소자 특성뿐만 아니라 공정 단축, 생산성의 향상 및 제조원가의 절감 등의 효과를 기대할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• CONTENTS
• PAGE
• 국문요지 …………………………………………………… I
• CONTENTS …………………………………………………… III
• LIST OF TABLES ……………………………………………… VI
• LIST OF FIGURES …………………………………………… VII
• 1. INTRODUCTION …………………………………………… 1
• 2. LITERATURE REVIEW AND TECHNICAL BACKGROUND ………………………………………………………………… 3
• 2.1. Semiconductor materials for TFT applications ………………………………………………………………… 3
• 2.1.1. Amorphous Si-TFTs ………………………………… 3
• 2.1.2. Polycrystalline Si-TFTs ………………………… 4
• 2.1.3. Oxide-based semiconductors ……………………… 7
• 2.2. ZnO-based TFT applications ………………………… 11
• 2.2.1. n-type ZnO semiconductors for TFT channel materials ……………………………………………………… 11
• 2.2.2. p-type ZnO semiconductors for TFT channel materials ……………………………………………………… 19
• 2.2.3. Amorphous oxide semiconductors ………………… 20
• 2.3. Electrical contacts to ZnO-based semiconductors …………………………………………………………………… 24
• 2.3.1. Schottky contacts to ZnO ………………………… 25
• 2.3.2. Ohmic contacts to ZnO……………………………… 25
• 2.4. Electrical instability in ZnO-based TFTs ……… 27
• 2.4.1. Instability of ZnO-based TFTs ………………… 27
• 2.4.2. Density of states (DOSs) of ZnO-based TFTs … 30
• 3. EXPERIMENTAL TOOLS AND TECHNIQUES ………………… 31
• 3.1. Thin film deposition and processing …………… 31
• 3.1.1. Sputtering ………………………………………… 31
• 3.1.2. Atomic layer deposition ………………………… 32
• 3.1.3. Post-deposition Annealing ……………………… 32
• 3.1.4. Electron-beam Irradiation ……………………… 33
• 3.2. Thin film characterization ………………………… 33
• 3.2.1. Conductivity, mobility, and carrier concentration …………………………………………………………………… 33
• 3.2.2. Characterization of thin film properties …… 34
• 3.3. Device characterization …………………………… 35
• 3.3.1. DC current-voltage ………………………………… 35
• 3.3.2. TFT device performance parameters extraction …………………………………………………………………… 35
• 4. RESULTS AND DISCUSSION ………………………………… 37
• 4.1. Application of DC magnetron sputtering for ZnO-based semiconductor thin film transistors …………………… 37
• 4.1.1. ZnO-based semiconductor thin film transistors fabricated by DC magnetron sputtering at room temperature …………………………………………………………………… 37
• 4.1.2. Fabrication and characterization of hafnium-zinc-tin oxide (HZTO) thin film transistors ……………… 46
• 4.1.3. Origin of bias stability improvement in hafnium doped zinc tin oxide thin film transistors …………… 56
• 4.2. Improvement in device performance and bias instability of ZTO-based thin film transistors …… 62
• 4.2.1. An Investigation of contact resistance between metal electrode and amorphous zinc-tin oxide thin film transistors …………………………………………………… 62
• 4.2.2. The influence Mo source/drain electrode contact resistance in amorphous ZTO thin film transistors …………………………………………………………………… 69
• 4.2.3. The influence of Al2O3/TiO2 passivation layer on the device performance of amorphous ZTO thin-film transistors …………………………………………………… 73
• 4.2.4. Effects of zirconium doping on the characteristics of tin oxide thin film transistors …………………… 80
• 4.3. Application of electron beam irradiation on amorphous IGZO thin film transistors ………………… 87
• 4.3.1. Optimization of amorphous IGZO thin film transistors process ………………………………………… 88
• 4.3.2. Improvement in carrier transporting properties of amorphous IGZO thin film transistors by electron beam irradiation …………………………………………………… 91
• 5. CONCLUSION AND RECOMMENDATION FOR FUTURE WORK
• …………………………………………………………………… 98
• 5.1. Conclusions …………………………………………… 98
• 5.2. Recommendation for future work …………………… 99
• 5.2.1. Solution based TFTs ……………………………… 99
• 5.2.2. p-type oxide semiconductors …………………… 100
• 5.2.3. Stability …………………………………………… 100
• REFERENCES …………………………………………………… 101
• ABSTRACT ……………………………………………………… 116