본 연구에서는 IZO를 활성층으로 하고 $HfSiO_x$를 절연층으로 한 TFT에 대하여 그 성능을 측정하였다. $HfSiO_x$는 $HfO_2$ target과 Si target을 co-sputtering 하여 증착하였으며 RF power를 달리 하여 네 가지의 $HfSiO_x$박막을 제작하였다. 공정의 간소화를 위해 게이트 전극을 제외한 모든 층들은 RF-magnetron sputtering system과 shadow mask만을 이용하여 증착하였으며 공정의 간소화를 위해 어떠한 열처리도 하지 않았다. 네 가지 $HfSiO_x$ 박막의 구조적 변화를 X-ray diffraction(XRD), atomic force microscopy(AFM)을 통해 분석하였고, 그 전기적 특성을 확인하였다. 박막 내 $HfO_2$와 Si의 조성비에 따라 그 특성이 현저히 차이가 남을 확인하였다. $HfO_2$(100W)-Si(100W)의 조건으로 증착한 $HfSiO_x$ 박막을 절연층으로 한 소자의 특성이 전류 점멸비 5.89E+05, 이동도 2.0[$cm^2/V{\cdot}s$], 문턱전압 -0.5[V], RMS 0.263[nm]로 가장 좋은 결과로 나타났다. 따라서 $HfSiO_x$ 박막 내의 적절한 $HfO_2$와 Si의 조성비가 계면의 질을 향상시킴은 물론, $HfO_2$자체의 trap이나 defect를 효과적으로 줄여 줌으로써 소자의 성능 향상에 중요한 요소라 판단된다.
본 연구에서는 IZO를 활성층으로 하고 $HfSiO_x$를 절연층으로 한 TFT에 대하여 그 성능을 측정하였다. $HfSiO_x$는 $HfO_2$ target과 Si target을 co-sputtering 하여 증착하였으며 RF power를 달리 하여 네 가지의 $HfSiO_x$ 박막을 제작하였다. 공정의 간소화를 위해 게이트 전극을 제외한 모든 층들은 RF-magnetron sputtering system과 shadow mask만을 이용하여 증착하였으며 공정의 간소화를 위해 어떠한 열처리도 하지 않았다. 네 가지 $HfSiO_x$ 박막의 구조적 변화를 X-ray diffraction(XRD), atomic force microscopy(AFM)을 통해 분석하였고, 그 전기적 특성을 확인하였다. 박막 내 $HfO_2$와 Si의 조성비에 따라 그 특성이 현저히 차이가 남을 확인하였다. $HfO_2$(100W)-Si(100W)의 조건으로 증착한 $HfSiO_x$ 박막을 절연층으로 한 소자의 특성이 전류 점멸비 5.89E+05, 이동도 2.0[$cm^2/V{\cdot}s$], 문턱전압 -0.5[V], RMS 0.263[nm]로 가장 좋은 결과로 나타났다. 따라서 $HfSiO_x$ 박막 내의 적절한 $HfO_2$와 Si의 조성비가 계면의 질을 향상시킴은 물론, $HfO_2$자체의 trap이나 defect를 효과적으로 줄여 줌으로써 소자의 성능 향상에 중요한 요소라 판단된다.
In this work, we investigated the enhanced performance of IZO-based TFTs with $HfSiO_x$ gate insulators. Four types of $HfSiO_x$ gate insulators using different diposition powers were deposited by co-sputtering $HfO_2$ and Si target. To simplify the processing sequen...
In this work, we investigated the enhanced performance of IZO-based TFTs with $HfSiO_x$ gate insulators. Four types of $HfSiO_x$ gate insulators using different diposition powers were deposited by co-sputtering $HfO_2$ and Si target. To simplify the processing sequences, all of the layers composing of TFTs were deposited by rf-magnetron sputtering method using patterned shadow-masks without any intentional heating of substrate and subsequent thermal annealing. The four different $HfSiO_x$ structural properties were investigated x-ray diffraction(XRD), atomic force microscopy(AFM) and also analyzed the electrical characteristics. There were some noticeable differences depending on the composition of the $HfO_2$ and Si combination. The TFT based on $HfSiO_x$ gate insulator with $HfO_2$(100W)-Si(100W) showed the best results with a field effect mobility of 2.0[$cm^2/V{\cdot}s$], a threshold voltage of -0.5[V], an on/off ratio of 5.89E+05 and RMS of 0.26[nm]. This show that the composition of the $HfO_2$ and Si is an important factor in an $HfSiO_x$ insulator. In addition, the effective bonding of $HfO_2$ and Si reduced the defects in the insulator bulk and also improved the interface quality between the channel and the gate insulator.
In this work, we investigated the enhanced performance of IZO-based TFTs with $HfSiO_x$ gate insulators. Four types of $HfSiO_x$ gate insulators using different diposition powers were deposited by co-sputtering $HfO_2$ and Si target. To simplify the processing sequences, all of the layers composing of TFTs were deposited by rf-magnetron sputtering method using patterned shadow-masks without any intentional heating of substrate and subsequent thermal annealing. The four different $HfSiO_x$ structural properties were investigated x-ray diffraction(XRD), atomic force microscopy(AFM) and also analyzed the electrical characteristics. There were some noticeable differences depending on the composition of the $HfO_2$ and Si combination. The TFT based on $HfSiO_x$ gate insulator with $HfO_2$(100W)-Si(100W) showed the best results with a field effect mobility of 2.0[$cm^2/V{\cdot}s$], a threshold voltage of -0.5[V], an on/off ratio of 5.89E+05 and RMS of 0.26[nm]. This show that the composition of the $HfO_2$ and Si is an important factor in an $HfSiO_x$ insulator. In addition, the effective bonding of $HfO_2$ and Si reduced the defects in the insulator bulk and also improved the interface quality between the channel and the gate insulator.
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제안 방법
[10] 이렇게 형성된 결정구조의 경우 반도체층과 절연층 사이, 게이트 전극과 절연층 사이의 계면에 높은 charge trap density를 가지게 하는 심각한 결점을 가지게 한다. 따라서 본 연구에서는 이를 보완하여 특성을 향상 시키고자 Si를 HfO2와 co-sputtering 하여 HfSiOx 박막을 제작하여 절연층으로 사용하였다. Si의 경우 HfO2 박막내에서 산소와 결합을 통해 phase를 안정화하는 역할을 한다고 알려져 있다.
RF power source는 RFPMT(REPG-300A)을 사용하였다. 먼저, ITO(Indium Tin Oxide)가 코팅된 유리기판 위에 면저항을 최소화하기 위해 photo-lithography 공정을 통해 원하는 ITO의 패턴을 형성하였다. 그리고 절연층을 Si과 HfO2를 co-sputtering을 이용하여 200[nm] 두께로 증착하였다.
0×10-3 [torr]로 유지하여 증착 하였으며, 챔버 내 가스 분위기는 Ar : 2 sccm에 O2 : 5 sccm으로 유지하였다. 상기의 조건을 유지하면서 절연층인 HfSiOx 박막 내 HfO2와 Si의 조성비에 따른 소자의 특성 분석을 위하여 HfO2(250W) - Si(100W), HfO2(180W) - Si(100W), HfO2(100W) - Si(100W), HfO2(85W) - Si(50W)로 RF power를 4가지로 달리하였다. 반도체 층은 4가지의 절연층 위에 IZO(Indium Zinc Oxide) 물질을 target으로 50[W]의 RF power로 20[nm]두께로 증착하였다.
이번 연구에서 고유전 물질인 HfO2를 이용하되, 자체적으로 가지고 있는 단점들을 보완하고자 Si을 co-sputtering하여 HfSiOx를 절연층으로 제작하였다. 총 네 가지의 조건으로 절연층을 제작하였으며 절연층의 구조적 특성과 그 절연층을 기반으로 한 소자의 전기적 특성을 분석해보았다.
O2 가스를 사용하지 않음으로써 IZO 내에 최대의 산소결핍자리를 유발함으로써 전극층의 역할을 부여하였다. 제작 된 소자는 그림 1.에 나타내었으며 절연층의 구조적 분석을 위하여 XRD (X-ray Diffraction), AFM (atomic force microscopy)을 통해 분석하였고, 반도체 파라미터 분석기를 이용하여 네 가지 소자의 전기적 특성을 확인하였다.
초기 진공도를 3×10-6 [torr]로 설정하였고, 공정 진공도는 2.0×10-3 [torr]로 유지하여 증착 하였으며, 챔버 내 가스 분위기는 Ar : 2 sccm에 O2 : 5 sccm으로 유지하였다.
를 절연층으로 제작하였다. 총 네 가지의 조건으로 절연층을 제작하였으며 절연층의 구조적 특성과 그 절연층을 기반으로 한 소자의 전기적 특성을 분석해보았다. 네 가지의 절연층 모두 XRD 분석결과 비정질 상태로 확인되었다.
대상 데이터
이러한 이유로 산화물 TFT 소자에 고유전체 박막을 게이트 절연층으로 한 연구결과가 많이 발표되었다.[7,8] 본 연구에서는 고유전 물질인 HfO2를 이용하여 절연막으로 사용하였다. 많은 고유전 물질 중에서도 HfO2는 높은 유전상수(∼25), 상대적으로 낮은 누설전류, 낮은 합성온도, 높은 밴드갭(5.
상기의 조건을 유지하면서 절연층인 HfSiOx 박막 내 HfO2와 Si의 조성비에 따른 소자의 특성 분석을 위하여 HfO2(250W) - Si(100W), HfO2(180W) - Si(100W), HfO2(100W) - Si(100W), HfO2(85W) - Si(50W)로 RF power를 4가지로 달리하였다. 반도체 층은 4가지의 절연층 위에 IZO(Indium Zinc Oxide) 물질을 target으로 50[W]의 RF power로 20[nm]두께로 증착하였다. 초기 진공도를 2×10-6 [torr], 공정 진공도는 2.
본 실험을 위해 제작된 소자는 공정의 간소화를 위하여 별도의 열처리를 가하지 않았고 또한, 모든 층을 Sputter 장치만을 이용하여 증착하였다. 제조사는 대기하이텍이며, 모델명은 Co-Sputtering system이다.
본 실험을 위해 제작된 소자는 공정의 간소화를 위하여 별도의 열처리를 가하지 않았고 또한, 모든 층을 Sputter 장치만을 이용하여 증착하였다. 제조사는 대기하이텍이며, 모델명은 Co-Sputtering system이다. RF power source는 RFPMT(REPG-300A)을 사용하였다.
성능/효과
네 가지의 절연층 모두 XRD 분석결과 비정질 상태로 확인되었다. 다만, HfO2와 Si의 조성비에 따라 그 전기적 특성이 확연하게 차이가 났으며, 이번 실험에서 HfO2(100W)-Si(100W)의 조건으로 증착한 HfSiOx의 절연층을 기반으로 한 소자의 특성이 전류 점멸비 5.89E+05, 이동도 2.0[cm2/V.s],문턱전압 -0.5[V], RMS 0.26[nm]로 가장 좋은 결과로 나타났다. 이와 같은 결과를 미루어 보았을 때 HfSiOx의 절연층에서 HfO2와 Si의 조성비가 소자의 성능에 있어서 중요한 요소가 된다는 것을 알 수 있다.
즉, HfSiOx 박막을 절연층으로 하는 소자에 있어서 HfO2와 Si의 조성비가 중요한 역할을 한다고 말할 수 있다. 따라서 HfO2의 취약점인 defect나 trap등을 Si과의 결합을 통해서 효과적으로 줄였다고 판단된다.[13]
마지막으로 HfO2(180W) - Si(100W), HfO2(100W)-Si(100W)를 절연층으로 한 두 개의 소자는 네 가지의 소자들 중 가장 좋은 특성을 나타냈다. 두 가지 소자에 사용된 HfO2의 target에 인가된 RF power는 다르나 비슷한 증착율을 가지고 있는 것으로 보아 두 소자의 절연층 모두 HfO2와 Si의 조성비에서 큰 차이가 나지 않을 것으로 판단된다.
이렇게 RMS 값이 낮아진 이유는 대략 두 가지로 생각할 수 있다. 첫째, 증착 시 target에 걸린 RF power 줄어들면서 target으로부터 떨어진 입자 자체가 작아져 표면의 거칠기를 줄였다고 할 수 있다. 두 번째는 각 target의 RF power 변화로 인해 HfO2와 Si의 조성 비율이 적절하게 조성되어 효과적인 결합할 수 있게 된 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고유전체 박막을 게이트 절연층으로 사용하는 경우의 문제점은?
[1∼2] 그 중에서도 산화물 TFT 소자의 좋은 특성을 얻기 위해서는 게이트 절연층의 역할이 아주 중요하다. 고유전 박막을 절연막으로 사용할 경우 Band Gap이 작아 게이트 누설전류를 증가시키는 결과를 가져오고 소자의 전하 이동도를 저하시키는 단점들이 보고되어지고 있다.[3∼6] 하지만 일반적으로 고유전체 박막을 게이트 절연층으로 TFT에 적용하게 되면 게이트와 채널사이의 전하충전용량을 증가시킴으로써 구동전압을 감소시키는데 매우 효과적이며, 게이트 스윙특성을 개선시킬 수 있는 이점이 있다.
고유전 박막을 게이트 절연층으로 TFT에 적용하면 어떤 장점이 있는가?
고유전 박막을 절연막으로 사용할 경우 Band Gap이 작아 게이트 누설전류를 증가시키는 결과를 가져오고 소자의 전하 이동도를 저하시키는 단점들이 보고되어지고 있다.[3∼6] 하지만 일반적으로 고유전체 박막을 게이트 절연층으로 TFT에 적용하게 되면 게이트와 채널사이의 전하충전용량을 증가시킴으로써 구동전압을 감소시키는데 매우 효과적이며, 게이트 스윙특성을 개선시킬 수 있는 이점이 있다. 특히 모바일 디스플레이와 같은 배터리에 의해 전원이 공급되는 디바이스는 필연적으로 소비전력을 감소시켜야 한다는 점에서 고유전체 박막은 필수적이라 할 수 있다.
산화물 반도체의 장점은?
현재 상용화 되어있는 Si기반 TFT에 비해 높은 전자의 이동도, 가시영역에서의 투명성, 공정의 간소화 등 여러 가지 이점이 있는 산화물 반도체를 적용한 TFT에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.[1∼2] 그 중에서도 산화물 TFT 소자의 좋은 특성을 얻기 위해서는 게이트 절연층의 역할이 아주 중요하다.
참고문헌 (13)
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L Khomenkova, C Dufour, P-ECoulon, C Bonafos and F Gourbilleau, "High-k Hf-based layers grown by RF magnetron sputtering", Nanotechnology, vol. 21, pp. 095704, 2010.
D.G. Lee, S. W. Do, J. S. Lee and Y. H. Lee, "Electrical Characterization of $HfO_{2}$ /Hf/Si(sub) Films Grown by Atomic Layer Deposition", Ieek, vol. 29, pp. 535, 2006.
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