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문제 정의
- 본 연구에서는 다결정 산화물 박막트랜지스터를 제작하여 그 특성을 분석하고 소자 신뢰성 측면에서 비결정 산화물 트랜지스터의 소자 신뢰성과 비교하여 비결정 및 다결정 산화물 박막트랜지스터의 소자 신뢰성에 영향을 주는 요인에 대해 분석하였다.
가설 설정
- 6. Extracted TFT parameters of (a) amorphous and (b) Nc-embedded-IGZO TFTs as constant current stress time.
제안 방법
- IGZO는 In:Ga:Zn=1:1:1 몰비를 가지는 타겟을 사용하였다. a-IGZO를 형성한 후 퍼니스 열처리 장비에서 공기분위기에서 400℃와 700℃로 각각 3시간 씩 열처리 하였다. 소스-드레인은 Ta을 스퍼터링 방법으로 200 nm 두께로 음영마스크를 이용하여 패턴을 형성하였다.
- 소스-드레인은 Ta을 스퍼터링 방법으로 200 nm 두께로 음영마스크를 이용하여 패턴을 형성하였다. 각 샘플의 결정 구조를 X선 회절 측정 방법으로 분석하였고 이때 측정에 사용한 샘플은 같은 기판위에 IGZO 박막을 200 nm 증착 한 후 각각 퍼니스 열처리 창치에서 트랜지스터 제작 방법과 동일한 조건으로 열처리하여 사용하였다.
- 또한, 두 샘플의 결정상을 확인하기 위해 X선 회절 패턴을 이용하여 분석하였다. 그리고 좀 더 정확한 결정성을 확인하기 위해 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 회절 패턴을 측정하여 확인하였다.
- 상온에서 전기적 특성에 관한 측정은 게이트 전압을 변화시키면서 드레인 전류를 측정하였다. 드레인 전압을 5.1 V로 고정시킨 상태에서 게이트 전압을 30V에서 -30 V까지 0.2 V 단위로 감소시키면서 측정하였다. 소자 신뢰성 측정은 정전류 스트레스 방법을 사용하였다.
- 이번 실험에서 스트레스로 가한 50 μA는 일반적인 OLED 소자의 필요한 전류가 수 μA가 되기 때문에 그보다 가혹한 조건을 선택하였다. 또한, 두 샘플의 결정상을 확인하기 위해 X선 회절 패턴을 이용하여 분석하였다. 그리고 좀 더 정확한 결정성을 확인하기 위해 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 회절 패턴을 측정하여 확인하였다.
- 마지막으로, 두 소자의 소자 신뢰성을 비교하기 위해 정전류 스트레스를 측정하였다. 정전류 바이어스 스트레스 측정 결과는 그림 4에 나타내었다.
- 상온에서 전기적 특성에 관한 측정은 게이트 전압을 변화시키면서 드레인 전류를 측정하였다. 드레인 전압을 5.
- 이 결과를 뒷받침하기 위해 케패시턴스-전압 (capa citance-voltage) 분석을 통해 박막 내의 자유전자농도를 측정하였다. 측정 결과 Nc-embedded-IGZO의 경우는 5.
- 정전류 스트레스 방법의 경우 드레인에 50 μA가 흐를 때 게이트에 전압을 가할 수 있게 장비를 설정하고 일정 시간 동안 (1 s∼105 s) 스트레스를 가한 후 드레인 전압 5.1 V에 대해 앞에서 언급한 전기적 특성 측정 방법으로 측정하였다.
- 지금까지 a-IGZO 박막을 이용하여 퍼니스 열처리를 통해 고상결정화법으로 Nc-embedded-IGZO 트랜지스터를 형성하고 a-IGZO 트랜지스터와 비교 분석하였다. Nc-embedded-IGZO의 경우 결정화 과정에서 반도체와 게이트산화물 계면에서 In의 양이 줄어들었고 반도체 내의 결함이 증가하였다.
- 이것은 밴드테일에서의 DOS의 양이 신뢰성에 직접적인 원인이 아님을 나타낸다. 하지만, 본 연구에서 나타난 결과는 Nc-embedded-IGZO 트랜지스트레스 전후의 DOS 변화량을 측정하여 비교 분석하였다.
대상 데이터
- 스퍼터링 증착 시 음영마스크 (Shadow mask)를 이용하여 패턴을 형성하였고, 이 때 사용된 증착 파워는 450 W, 증착 압력은 1 mTorr, 아르곤 (Ar)/산소 (O2) 비율은 65/35였다. IGZO는 In:Ga:Zn=1:1:1 몰비를 가지는 타겟을 사용하였다. a-IGZO를 형성한 후 퍼니스 열처리 장비에서 공기분위기에서 400℃와 700℃로 각각 3시간 씩 열처리 하였다.
- 그림 1(b)는 제작 공정에 대한 순서를 모식도로 나타내었다. 이번 실험에서 사용한 기판은 n+로 도핑 된 Si 기판이다. 이 Si 기판은 유리기판과는 다르게 별도의 게이트 전극을 형성할 필요가 없이 기판 자체를 n+로 도핑 하여 게이트로 사용할 수 있어 샘플 제작을 간단히 진행할 수 있다.
이론/모형
- a-IGZO를 형성한 후 퍼니스 열처리 장비에서 공기분위기에서 400℃와 700℃로 각각 3시간 씩 열처리 하였다. 소스-드레인은 Ta을 스퍼터링 방법으로 200 nm 두께로 음영마스크를 이용하여 패턴을 형성하였다. 각 샘플의 결정 구조를 X선 회절 측정 방법으로 분석하였고 이때 측정에 사용한 샘플은 같은 기판위에 IGZO 박막을 200 nm 증착 한 후 각각 퍼니스 열처리 창치에서 트랜지스터 제작 방법과 동일한 조건으로 열처리하여 사용하였다.
- 2 V 단위로 감소시키면서 측정하였다. 소자 신뢰성 측정은 정전류 스트레스 방법을 사용하였다. 정전류 스트레스 방법의 경우 드레인에 50 μA가 흐를 때 게이트에 전압을 가할 수 있게 장비를 설정하고 일정 시간 동안 (1 s∼105 s) 스트레스를 가한 후 드레인 전압 5.
- 이렇게 준비된 Si 기판을 세정한 후 열산화 방법으로 실리콘 산화물 (SiO2)을 100 nm를 형성하였다. 이렇게 준비된 기판 위에 직류 마그네트론 스퍼터링 (DC magnetron sputtering) 방법을 이용해서 a-IGZO 박막을 50 nm 두께로 증착하였다. 스퍼터링 증착 시 음영마스크 (Shadow mask)를 이용하여 패턴을 형성하였고, 이 때 사용된 증착 파워는 450 W, 증착 압력은 1 mTorr, 아르곤 (Ar)/산소 (O2) 비율은 65/35였다.
성능/효과
- 하지만, 이 결과만 놓고 보면 S-factor의 결정적인 증가가 벌크 트랩에 의한 것인지 아니면 계면 트랩에 의한 것인지 알기 어렵다. 결과적으로 보면 박막의 결정화에 의해 형성된 결정 경계면에 형성되는 결함들의 수가 많아지고 또한 SIMS 결과에서 나타난 계면에서의 In양의 감소로 인한 계면의 변화가 모두 영향을 준 것으로 보인다.
- 또한, 표 1에서 문턱전압의 경우 Nc-embedded IGZO 트랜지스터가 a-IGZO 트랜지스터의 경우보다 음의 방향으로 약 4 V 이동한 것으로 나타났다 (0.03 V에서 -3.6 V로). 이러한 문턱전압의 음의 방향으로 이동은 이전 연구 결과를 살펴보면 반도체내의 자유전자농도가 증가하면 나타나는 현상으로 여겨진다.
- 최근 졸겔법 (Sol-gel)으로 제작한 IGZO 박막의 경우 인듐의 조성에 따라 결정화가 되는 온도가 달라진다는 것을 보여주었는데, 인듐의 양이 증가할수록 결정화 온도가 증가하는 것으로 나타났다 [18]. 본 연구에서는 인듐의 조성 변화에 대한 결과는 아니지만, 상기 연구결과에 비추어 볼 때 결정질 IGZO 박막에 대한 결정성 원인을 간접적으로 유추할 수 있다.
- 이는 Nc-embedded-IGZO 트랜지스터의 정전류 스트레스에 의한 소자 신뢰성이 결정화에 의해 소자 특성의 열화가 발생했음에도 소자 열화가 스트레스로 인한 소자 신뢰성에는 영향을 미치지 않는다는 것을 나타낸다. 오히려 소자 신뢰성이 향상된 결과를 보였다.
- Nc-embedded-IGZO의 경우 결정화 과정에서 반도체와 게이트산화물 계면에서 In의 양이 줄어들었고 반도체 내의 결함이 증가하였다. 이러한 결함의 증가로 전계 효과 이동도는 9.67 cm2/Vs에서 2.37 cm2/Vs으로, S-fator는 0.19 V/decade에서 0.83 V/decade로 a-IGZO 박막트랜지스터에 비해 저하되는 결과를 보였다. 하지만, Nc-embedded-IGZO의 박막 내부 및 산화물 반도체와게이트 산화물 사이의 계면에서 트랩 증가로 인한 소자 특성 저하에도 불구하고 정전류 신뢰성 측정 결과 문턱전압의 변화가 0.
- 또한 앞선 a-IGZO의 신뢰성에 관한 논문에서 밴드 테일에 형성되는 억셉터 역할을 하는 에너지 준위가 낮으면 신뢰성이 향상된다고 보고하였다 [16]. 이를 뒷받침하기 위해, 두 샘플에 대한 density of states (DOS)를 계산한 결과, 스트레스를 가하기전 두 샘플의 DOS값은 a-IGZO 트랜지스터가 Nc-embedded-IGZO 트랜지스터에 비해 밴트테일에서 한자리 수 이상 더 적은 값을 보였다. 이것은 밴드테일에서의 DOS의 양이 신뢰성에 직접적인 원인이 아님을 나타낸다.
- 측정 결과 Nc-embedded-IGZO의 경우는 5.2×1017 cm-3의 값을 보였으며 이는 a-IGZO 의 자유전자농도인 3.5×1017 cm-3 값보다 높게 나타났다.
- 여기서 사용한 트랜지스터의 채널의 폭(W)은 1,000 μm, 길이(L)은 150 μm이며, Ci는 게이트산화물의 단위면 적당 정전용량이다. 표 1에서 보듯이 Nc-embedded-IGZO 트랜지스터의 이동도가 a-IGZO 트랜지스터에 비해 9.67 cm2/Vs에서 2.37 cm2/Vs로 감소한 것을 확인할 수 있다. 더욱이 Nc-embedded-IGZO 트랜지스터의 S-factor와 Ion/off 비의 경우도 0.
- 83 V/decade로 a-IGZO 박막트랜지스터에 비해 저하되는 결과를 보였다. 하지만, Nc-embedded-IGZO의 박막 내부 및 산화물 반도체와게이트 산화물 사이의 계면에서 트랩 증가로 인한 소자 특성 저하에도 불구하고 정전류 신뢰성 측정 결과 문턱전압의 변화가 0.19 V로 a-IGZO 트랜지스터의 1.20 V보다 6배 정도 향상되었다. 이는 Nc-embedded-IGZO 박막의 경우에 높은 온도에서 열처리하는 과정에서 a-IGZO에 비해 반도체와 게이트 산화막 계면에 형성되는 트랩이 감소하여 정전류 스트레스를 가했을 때 계면 전하의 증가량이 적은 결과이다.
- 또한 a-IGZO 박막을 결정화 하는 과정에서 박막 내부의 성분 변화가 일어난다는 사실은 앞선 연구에서 보고되었다 [19]. 하지만, 아직까지 소자 특성의 저하 원인에 대한 구체적인 결과를 보고한 사례가 없기에 Nc-embedded-IGZO의 성능 저하의 원인을 파악하기 위해 secondary ion mass spectrometry (SIMS) 측정을 실시하였고 이를 통해 Zn, Ga의 변화는 거의 없이 In의 양이 반도체와 게이트부도체 사이 계면에서 a-IGZO에 비해 현저히 줄어드는 결과를 확인할 수 있었다(결과를 이 논문에는 싣지 않음). 이러한 In의 양의 변화가 이동도의 저하로 나타났다고 보여진다.
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