High-k 게이트 절연막과 열처리 공정 최적화를 통한 고성능, 고신뢰성의 InGaZnO 투명 박막 트랜지스터에 관한 연구 A Study of transparent InGaZnO thin-film transistors with High-k gate insulators and optimization of annealing proxess원문보기
본 연구에서는 스퍼터링 방법을 이용하여 InGaZnO (IGZO) thin-film-transistor (TFT)를 제작하고 열처리 온도에 따른 특성 평가와 기존의 SiO2 게이트 절연막 대신 고유전 (high-k) 게이트 절연막을 이용하여 고성능, 고신뢰성의 IGZO-TFT를 구현하였다. 또한 IGZO pseudo-MOSFET이라는 구조를 처음 제안하여 그에 대한 구조와 특성을 평가하였다. 열처리 온도가 600 oC일 때, 제작된 IGZO 소자는 낮은 subthreshold swing값, 높은 유효 전계 이동도, 106 이상의 온/오프 전류비, 그리고 낮은 계면 트랩 준위를 가지는 우수한 트랜지스터 특성을 보였다. 하지만 열처리 온도가 700 oC 이상이 되면 In-O의 결합이 끊어질만한 충분한 에너지를 가져 캐리어 농도를 담당하는 In의 부재로 구동 전류값이 감소하게 된다. 또한 700 oC 이상의 온도에서 IGZO ...
본 연구에서는 스퍼터링 방법을 이용하여 InGaZnO (IGZO) thin-film-transistor (TFT)를 제작하고 열처리 온도에 따른 특성 평가와 기존의 SiO2 게이트 절연막 대신 고유전 (high-k) 게이트 절연막을 이용하여 고성능, 고신뢰성의 IGZO-TFT를 구현하였다. 또한 IGZO pseudo-MOSFET이라는 구조를 처음 제안하여 그에 대한 구조와 특성을 평가하였다. 열처리 온도가 600 oC일 때, 제작된 IGZO 소자는 낮은 subthreshold swing값, 높은 유효 전계 이동도, 106 이상의 온/오프 전류비, 그리고 낮은 계면 트랩 준위를 가지는 우수한 트랜지스터 특성을 보였다. 하지만 열처리 온도가 700 oC 이상이 되면 In-O의 결합이 끊어질만한 충분한 에너지를 가져 캐리어 농도를 담당하는 In의 부재로 구동 전류값이 감소하게 된다. 또한 700 oC 이상의 온도에서 IGZO 박막의 결정화가 진행됨에 따라 결정립계에 의해 이동하는 전자들이 트랩되어 이동도는 낮아지고 히스테리시스 값은 증가하게 된다. 또한 high-k 게이트 절연막의 효과를 알아보기 위해 다양한 high-k 게이트 절연막을 갖는 IGZO 트랜지스터의 전기적, 신뢰성 평가도 실시하였다. ZrO2 물질을 게이트 절연막으로 사용한 소자는 여러 후보군들 중에서 전기적 특성과 신뢰성 평가에서 상대적으로 모두 우수한 특성을 나타내었다. 추가적으로 high-k 물질 위에 적층된 완충층의 효과를 알아보기 위해 Si3N4 게이트 절연막 위에 완충층 역할을 하는 SiO2 게이트 절연막을 적층시키고 SiO2 완충층 두께에 따른 전기적, 신뢰성 특성을 평가하였다. SiO2 완충층의 두께가 10 nm 일 때, 훌륭한 전기적 특성을 확인하였지만 빛과 온도, 그리고 음의 게이트 전압 스트레스 평가에서 큰 문턱 전압 변화율을 나타내었다. SiO2 완충층의 두께가 20 nm 일 때, 뛰어난 전기적 특성과 스트레스 인가 후 상대적으로 가장 적은 문턱 전압 변화율을 나타내어 최적화된 완충층 두께를 확인할 수 있었다. 최종적으로 투명 박막 트랜지스터를 제작 하기 위해 유리 기판을 사용하여 Ta2O5 게이트 절연막을 갖는 top-gate 구조의 완전 투명 IGZO-TFT 소자를 구현하였다. 최종 제작된 소자는 가시광 영역에서 80 % 이상의 투과율을 보이고 91.2 [mV/dec]의 subthreshold swing값, 13.2 [cm2/V•s]의 유효 전계 이동도, 105 이상의 온/오프 전류비를 보여 투명 디스플레이의 고성능 스위칭 TFT 소자로써의 역할을 충분할 할 수 있음을 증명하였다.
본 연구에서는 스퍼터링 방법을 이용하여 InGaZnO (IGZO) thin-film-transistor (TFT)를 제작하고 열처리 온도에 따른 특성 평가와 기존의 SiO2 게이트 절연막 대신 고유전 (high-k) 게이트 절연막을 이용하여 고성능, 고신뢰성의 IGZO-TFT를 구현하였다. 또한 IGZO pseudo-MOSFET이라는 구조를 처음 제안하여 그에 대한 구조와 특성을 평가하였다. 열처리 온도가 600 oC일 때, 제작된 IGZO 소자는 낮은 subthreshold swing값, 높은 유효 전계 이동도, 106 이상의 온/오프 전류비, 그리고 낮은 계면 트랩 준위를 가지는 우수한 트랜지스터 특성을 보였다. 하지만 열처리 온도가 700 oC 이상이 되면 In-O의 결합이 끊어질만한 충분한 에너지를 가져 캐리어 농도를 담당하는 In의 부재로 구동 전류값이 감소하게 된다. 또한 700 oC 이상의 온도에서 IGZO 박막의 결정화가 진행됨에 따라 결정립계에 의해 이동하는 전자들이 트랩되어 이동도는 낮아지고 히스테리시스 값은 증가하게 된다. 또한 high-k 게이트 절연막의 효과를 알아보기 위해 다양한 high-k 게이트 절연막을 갖는 IGZO 트랜지스터의 전기적, 신뢰성 평가도 실시하였다. ZrO2 물질을 게이트 절연막으로 사용한 소자는 여러 후보군들 중에서 전기적 특성과 신뢰성 평가에서 상대적으로 모두 우수한 특성을 나타내었다. 추가적으로 high-k 물질 위에 적층된 완충층의 효과를 알아보기 위해 Si3N4 게이트 절연막 위에 완충층 역할을 하는 SiO2 게이트 절연막을 적층시키고 SiO2 완충층 두께에 따른 전기적, 신뢰성 특성을 평가하였다. SiO2 완충층의 두께가 10 nm 일 때, 훌륭한 전기적 특성을 확인하였지만 빛과 온도, 그리고 음의 게이트 전압 스트레스 평가에서 큰 문턱 전압 변화율을 나타내었다. SiO2 완충층의 두께가 20 nm 일 때, 뛰어난 전기적 특성과 스트레스 인가 후 상대적으로 가장 적은 문턱 전압 변화율을 나타내어 최적화된 완충층 두께를 확인할 수 있었다. 최종적으로 투명 박막 트랜지스터를 제작 하기 위해 유리 기판을 사용하여 Ta2O5 게이트 절연막을 갖는 top-gate 구조의 완전 투명 IGZO-TFT 소자를 구현하였다. 최종 제작된 소자는 가시광 영역에서 80 % 이상의 투과율을 보이고 91.2 [mV/dec]의 subthreshold swing값, 13.2 [cm2/V•s]의 유효 전계 이동도, 105 이상의 온/오프 전류비를 보여 투명 디스플레이의 고성능 스위칭 TFT 소자로써의 역할을 충분할 할 수 있음을 증명하였다.
In this thesis, the effects of annealing temperature and high-k gate insulators on the InGaZnO thin-film transistor (IGZO-TFT) were investigated and high-performance fully transparent top-gate IGZO-TFT was successfully fabricated. Also, the IGZO pseudo metal-oxide-semiconductor field effect transist...
In this thesis, the effects of annealing temperature and high-k gate insulators on the InGaZnO thin-film transistor (IGZO-TFT) were investigated and high-performance fully transparent top-gate IGZO-TFT was successfully fabricated. Also, the IGZO pseudo metal-oxide-semiconductor field effect transistor (pseudo-MOSFET) structure was proposed and evaluated. In case of the annealing temperature is 600 oC, the IGZO device exhibited excellent electrical characteristics such as low subthreshold swing (SS) value, high field effect mobility (μFE), low interface trap density (Nit), and high on/off current ratio. However, the transfer characteristics of the IGZO device deteriorated when the annealing temperature exceeded 700 ◦C. The decreased drain current and μFE are explained based on indium deficiency by diffusion of its atoms in the channel layer and grain-boundary trapping of mobile carriers. Meanwhile, electrical and reliability characteristics of the IGZO pseudo-MOSFET with various high-k gate insulators was estimated. The IGZO device using ZrO2 gate insulators showed the largest dielectric constant and excellent characteristics in terms of both electrical and reliability. Additionally, the IGZO-TFT with a stacked Si3N4/SiO2 gate insulators were fabricated and evaluated electrical and reliability of the devices with various thickness of a SiO2 buffer layer. Excellent electrical properties were obtained for a device with 10-nm-thick SiO2 buffer layer of a NO stacked gate insulators. The threshold voltage (Vth) shift of a device, however, was drastically increased because of its thin SiO2 buffer layer which highlighted bias and light-induced hole trapping into the Si3N4 layer. As a results, the IGZO-TFT with a 20-nm-thick SiO2 buffer layer exhibited improved electrical characteristics and device reliability Finally, fully transparent top-gate IGZO-TFT with Ta2O5 gate insulators was fabricated by using glass substrate. Transmittance of the IGZO-TFT remains as high as 80 % in visible light region and it is showed superior properties in terms of SS value of 91.2 [mV/dec], μFE of 13.2 [cm2/V•s], and high on/off current ratio. Therefore, high performance fully transparent IGZO-TFT was realized successfully applying next-generation display technology.
In this thesis, the effects of annealing temperature and high-k gate insulators on the InGaZnO thin-film transistor (IGZO-TFT) were investigated and high-performance fully transparent top-gate IGZO-TFT was successfully fabricated. Also, the IGZO pseudo metal-oxide-semiconductor field effect transistor (pseudo-MOSFET) structure was proposed and evaluated. In case of the annealing temperature is 600 oC, the IGZO device exhibited excellent electrical characteristics such as low subthreshold swing (SS) value, high field effect mobility (μFE), low interface trap density (Nit), and high on/off current ratio. However, the transfer characteristics of the IGZO device deteriorated when the annealing temperature exceeded 700 ◦C. The decreased drain current and μFE are explained based on indium deficiency by diffusion of its atoms in the channel layer and grain-boundary trapping of mobile carriers. Meanwhile, electrical and reliability characteristics of the IGZO pseudo-MOSFET with various high-k gate insulators was estimated. The IGZO device using ZrO2 gate insulators showed the largest dielectric constant and excellent characteristics in terms of both electrical and reliability. Additionally, the IGZO-TFT with a stacked Si3N4/SiO2 gate insulators were fabricated and evaluated electrical and reliability of the devices with various thickness of a SiO2 buffer layer. Excellent electrical properties were obtained for a device with 10-nm-thick SiO2 buffer layer of a NO stacked gate insulators. The threshold voltage (Vth) shift of a device, however, was drastically increased because of its thin SiO2 buffer layer which highlighted bias and light-induced hole trapping into the Si3N4 layer. As a results, the IGZO-TFT with a 20-nm-thick SiO2 buffer layer exhibited improved electrical characteristics and device reliability Finally, fully transparent top-gate IGZO-TFT with Ta2O5 gate insulators was fabricated by using glass substrate. Transmittance of the IGZO-TFT remains as high as 80 % in visible light region and it is showed superior properties in terms of SS value of 91.2 [mV/dec], μFE of 13.2 [cm2/V•s], and high on/off current ratio. Therefore, high performance fully transparent IGZO-TFT was realized successfully applying next-generation display technology.
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