[논문]서로 다른 소스/드레인 전극물질을 이용한 비정질 In-Ga-Zn-O 박막트랜지스터 성능향상

김승태; 조원주

doi:10.4313/jkem.2016.29.2.69

서로 다른 소스/드레인 전극물질을 이용한 비정질 In-Ga-Zn-O 박막트랜지스터 성능향상
Performance Improvement of Amorphous In-Ga-Zn-O Thin-film Transistors Using Different Source/drain Electrode Materials 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.29 no.2, 2016년, pp.69 - 74

김승태 (광운대학교 전자재료공학과) , 조원주 (광운대학교 전자재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we proposed an a-IGZO (amorphous In-Ga-Zn-O) TFT (thin-film transistor) with off-planed source/drain structure. Furthermore, two different electrode materials (ITO and Ti) were applied to the source and drain contacts for performance improvement of a-IGZO TFTs. When the ITO with a large work-function and the Ti with a small work-function are applied to drain electrode and source contact, respectively, the electrical performances of a-IGZO TFTs were improved; an increased driving current, a decreased leakage current, a high on-off current ratio, and a reduced subthreshold swing. As a result of gate bias stress test at various temperatures, the off-planed S/D a-IGZO TFTs showed a degradation mechanism due to electron trapping and both devices with ITO-drain or Ti-drain electrode revealed an equivalent instability.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

제안 방법

기존의 in-planed S/D a-IGZO TFT는 일반적으로 소스와 드레인 전극이 동일한 물질로 구성되지만, 본 연구에서 제안하는 offplaned S/D a-IGZO TFT는 소스와 드레인 전극에 서로 다른 물질을 쉽게 적용할 수 있다는 장점이 있다. 다양한 전극 물질들 중에 a-IGZO 채널과 안정적인 반응을 가지는 ITO (indium-tin oxide)와 Ti (titanium)가 S/D 전극으로 많이 사용되고 있으므로 본 연구에서는 소스와 드레인 전극에 서로 다른 Ti 또는 ITO를 적용함으로써 S/D 전극 엔지니어링된 a-IGZO TFT의 동작 특성에 미치는 접합의 영향을 평가하여 높은 구동전류와 낮은 누설전류, 그리고 우수한 스위칭 특성을 얻을 수 있는 새로운 구조의 off-planed S/D a-IGZO TFT를 제안하였다. 또한, 다양한 측정 온도에서 게이트 바이어스 스트레스에 의한 불안정성(gate bias stress induced instability) 측정을 통하여 off-planed S/D a-IGZO TFT 소자의 신뢰성을 평가하였다.
추가적으로, a-IGZO TFT가 디스플레이의 구동소자로 사용될 때, 픽셀 휘도에 따라 안정성이 변하므로 신뢰성 평가는 매우 중요하다 [15]. 본 논문에서는 소스와 드레인 전극이 동일 평면상에 위치한 기존의 a-IGZO 박막트랜지스터(in-planed S/D a-IGZO TFT)와는 다르게 소스와 드레인 전극이 서로 다른 평면에 위치한 새로운 구조의 a-IGZO 박막트랜지스터(off-planed S/D a-IGZO TFT)를 제안하고자 한다. 기존의 in-planed S/D a-IGZO TFT는 일반적으로 소스와 드레인 전극이 동일한 물질로 구성되지만, 본 연구에서 제안하는 offplaned S/D a-IGZO TFT는 소스와 드레인 전극에 서로 다른 물질을 쉽게 적용할 수 있다는 장점이 있다.

대상 데이터

본 실험에서는, 1~10 Ω·cm의 비저항을 가지는 (100) p-type 단결정 실리콘 웨이퍼 기판 위에 하부게이트 구조의 상부 소스/드레인 접촉(bottom- gate top-contact)을 가지는 a-IGZO TFT를 제작하였다.

데이터처리

최종적으로, a-IGZO 채널의 결함들을 제거하고 SiO₂ 절연막과의 계면 상태를 개선시키기 위하여 퍼니스에서 질소(N₂) 가스 분위기, 300℃, 30 분의 조건으로 후속 열처리 공정을 실시하였다. 제작된 소자의 전기적인 특성 평가는 Agilent 4156B Precision Semiconductor Parameter Analyzer 장비를 이용하였고, 빛과 외부 환경에 의한 영향을 피하기 위해 암상자 안에서 측정하였다.

성능/효과

따라서, off-planed S/D a-IGZO TFT의 신뢰성은 소스 및 드레인 전극의 재료에 크게 관계가 없음을 알 수 있었다. 결과적으로, 제작된 a-IGZO TFT에서 일함수가 큰 물질이 드레인 전극에 적용되고 일함수가 작은 물질이 소스 전극에 적용되면 소자의 신뢰성에는 영향을 미치지 않고 전기적인 특성을 향상 시킬 수 있었다.
그림 3(b)는 드레인 전압에 따른 구동전류와 누설전류의 비(on/off current ratio)를 나타내며, ITO 드레인 전극이 on/off current ratio가 Ti 드레인 전극보다 약 10 배 정도 높았다. 따라서 제작된 a-IGZO TFT에서 일함수가 큰 물질을 드레인 전극, 일함수가 작은 물질을 소스 전극으로 적용하게 되면 보다 우수한 전기적 특성을 얻을 수 있다는 것을 확인하였다.
또한, 다양한 온도에서 측정한 PBTS 테스트 결과, 신뢰성 평가에서는 ITO와 Ti가 각각 드레인 전극에 적용된 경우 모두 비슷한 안정성을 보였다. 따라서, 본 논문에서 제안한 off-planed S/D a-IGZO TFT는 소스 및 드레인 전극 엔지니어링을 통해서 트랜지스터 소자의 성능을 크게 개선시킬 수 있는 유망한 기술이라고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비정질 실리콘 TFT가 디스플레이 구동소자로 적합하지 않은 이유는?	산화물 반도체 기반의 박막트랜지스터 (thin-film transistor, TFT)는 기존의 비정질 실리콘 (a-Si:H) 기반의 TFT와 비교하여 차세대 디스플레이 구동회로를 구성하기 위한 소자로 최근 많은 관심을 받고 있다[1]. 비정질 실리콘 TFT는 디스플레이 픽셀 회로에 적용될 때 구조가 복잡하고 1 cm2/V·s 이하의 낮은 전자 이동도를 가지기 때문에 디스플레이 구동소자로 적합하지 않다 [2]. 이와 같은 비정질 실리콘 TFT의 문제점을 해결하기 위해 다결정 실리콘 TFT가 제안되었지만, 공정 온도가 높고 소자 특성의 균일도가 떨어지며 누설전류가 크다는 문제가 있다 [3,4].
	박막트랜지스터란?	산화물 반도체 기반의 박막트랜지스터 (thin-film transistor, TFT)는 기존의 비정질 실리콘 (a-Si:H) 기반의 TFT와 비교하여 차세대 디스플레이 구동회로를 구성하기 위한 소자로 최근 많은 관심을 받고 있다[1]. 비정질 실리콘 TFT는 디스플레이 픽셀 회로에 적용될 때 구조가 복잡하고 1 cm2/V·s 이하의 낮은 전자 이동도를 가지기 때문에 디스플레이 구동소자로 적합하지 않다 [2].
	비정질 실리콘 (a-Si:H) 기반의 TFT의 문제를 해결하기 위한 다결정 실리콘 TFT의 단점은?	비정질 실리콘 TFT는 디스플레이 픽셀 회로에 적용될 때 구조가 복잡하고 1 cm2/V·s 이하의 낮은 전자 이동도를 가지기 때문에 디스플레이 구동소자로 적합하지 않다 [2]. 이와 같은 비정질 실리콘 TFT의 문제점을 해결하기 위해 다결정 실리콘 TFT가 제안되었지만, 공정 온도가 높고 소자 특성의 균일도가 떨어지며 누설전류가 크다는 문제가 있다 [3,4]. 따라서, 낮은 임계전압 이하 드레인 누설전류 기울기(subthreshold slope, SS), 낮은 문턱치 전압(threshold voltage, VTH), 높은 온-오프 전류비(on/off current ratio)와 큰 전계효과 이동도(field-effect mobility, μFE)를 가지는 전기적인 특성이 우수하고 저온에서 공정이 가능한 산화물 반도체 기반의 TFT가 차세대 디스플레이 구동 소자로 주목받고 있다 [5-7].

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