[논문]소스 및 드레인 전극 재료에 따른 비정질 InGaZnO 박막 트랜지스터의 소자 열화

이기훈; 강태곤; 이규연; 박종태

doi:10.6109/jkiice.2017.21.1.82

소스 및 드레인 전극 재료에 따른 비정질 InGaZnO 박막 트랜지스터의 소자 열화
Hot carrier induced device degradation in amorphous InGaZnO thin film transistors with source and drain electrode materials 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.21 no.1, 2017년, pp.82 - 89

이기훈 (Department of Electronic Engineering, Incheon National University) , 강태곤 (Department of Electronic Engineering, Incheon National University) , 이규연 (Department of Electronic Engineering, Incheon National University) , 박종태 (Department of Electronic Engineering, Incheon National University)

초록
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본 연구에서는 소스 및 드레인 전극 재료에 따른 소자 열화를 분석하기 위해 Ni, Al, 및 ITO를 소스 및 드레인 전극 재료로 사용하여 InGaZnO 박막 트랜지스터를 제작하였다. 전극 재료에 따른 소자의 전기적 특성을 분석한 결과 Ni 소자가 이동도, 문턱전압 이하 스윙, 구동전류 대 누설전류 비율이 가장 우수하였다. 소스 및 드레인 전극 재료에 따른 소자 열화 측정결과 Al 소자의 열화가 가장 심한 것을 알 수 있었다. InGaZnO 박막 트랜지스터의 소자 열화 메카니즘을 분석하기 위하여 채널 폭과 스트레스 드레인 전압을 다르게 하여 문턱전압 변화를 측정하였다. 그 결과 채널 폭이 넓을수록 또 스트레스 드레인 전압이 높을수록 소자 열화가 많이 되었다. 측정결과로부터 InGaZnO 박막 트랜지스터의 소자 열화는 큰 채널 전계와 주울 열의 결합 작용으로 발생함을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, InGaZnO thin film transistors with Ni, Al and ITO source and drain electrode materials were fabricated to analyze a hot carrier induced device degradation according to the electrode materials. From the electrical measurement results with electrode materials, Ni device shows the best electrical performances in terms of mobility, subthreshold swing, and $I_{ON}/I_{OFF}$. From the measurement results on the device degradation with source and drain electrode materials, Al device shows the worst device degradation. The threshold voltage shifts with different channel widths and stress drain voltages were measured to analyze a hot carrier induced device degradation mechanism. Hot carrier induced device degradation became more significant with increase of channel widths and stress drain voltages. From the results, we found that a hot carrier induced device degradation in InGaZnO thin film transistors was occurred with a combination of large channel electric field and Joule heating effects.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Ni, Al 및 ITO를 소스 및 드레인 전극 재료로 이용한 a-IGZO 소자를 제작하여 소자의 전기적 특성과 소자 열화를 분석하므로 열화 메카니즘을 제시한다.

가설 설정

서론에서 서술한 것과 같이 소자열화 메카니즘에 대한 여러 이론이 보고되었으나 본 연구에서는 소자열화 메카니즘으로 큰 채널 전계와 드레인 전류에 의한 주울 열로 채널 전자가 에너지를 충분히 얻어 IGZO와 산화층 사이의 전위 장벽을 넘어 산화층에 포획되는 것으로 가정하였고 이를 측정을 통해 증명하였다. Joule열이 소자 열화에 여향을 미치는 것은 채널 폭에 따른 △V_TH로부터 알 수 있다.

제안 방법

IGZO 박막은 몰 비가 In₂O₃:Ga₂O₃:ZnO =1:1:1인 스퍼터링 타겟을 사용하여 RF 스퍼트링 방법으로 두께 10nm의 InGaZnO 산화물 반도체 층을 증착하였다. 그리고 일반적인 열처리 방법으로 600도에서 30분간 열처리를 하였다. 사진식각 방법으로 채널 영역을 정의한 후에 습식 에칭으로 채널외의 InGaZnO을 식각하고 스퍼터링으로 두께 70nm의 Ni, Al 및 ITO를 소스 및 드레인 전극으로 증착하였다.
또 채널 전계가 소자 열화의 한 원인임을 증명하기 위하여 스트레스 게이트 전압을 일정하게 하고 스트레스 드레인 전압을 다르게 하여 소자의 △V_TH를 측정하였다[10]. 그림 10은 스트레스 V_GS =15V, V_DS =20V에서 스트레스 시간에 따른 I_DS -V_GS 전달특성 곡선으로 V_DS = 1.
그러므로 정확하게 소자 열화를 비교 평가하기 위해서는 진성 트랜지스터에 인가되는 스트레스 전압을 같게 해야 한다. 본 연구에서는 진성 트랜지스터에 인가되는 전압을 추출한 결과 스트레스 전압 (15V) 전압에 비해 소스 및 드레인 직렬 정항에 인가되는 전압이 작으므로 모든 소자에 15V의 동일한 전압을 인가하여 소자 열화를 비교하였다. 그림6으로부터 ITO 소자에 비해 Ni 소자의 소자 열화가 심한 것은 스트레스 전압에서 드레인 전류가 크기 때문이다.
그리고 일반적인 열처리 방법으로 600도에서 30분간 열처리를 하였다. 사진식각 방법으로 채널 영역을 정의한 후에 습식 에칭으로 채널외의 InGaZnO을 식각하고 스퍼터링으로 두께 70nm의 Ni, Al 및 ITO를 소스 및 드레인 전극으로 증착하였다. 그리고 사진식각 방법으로 전극 영역을 정의한 후에 리프트-오프 방법으로 다른 부분의 메탈층을 식각하였다.
소스 및 드레인 전극 재료에 따른 a-IGZO TFTs의 소자의 전기적 특성을 분석하기 위하여 먼저 소스 및 드레인의 직렬저항 (R_SD) 과 유효 채널길이 (L_eff) 를 TLM (Transmission Line Method)을 이용하여 추출하였다[20]. TLM에 의하면 낮은 드레인 전압에서 트랜지스터의 총 채널 저항(R_T)은 식 (1)과 같이 R_SD와 진성 채널 저항(intrinsic resistance: R_ON)의 합으로 구성된다.
소스와 드레인 전극으로 Ni, Al 및 ITO를 사용하여 a-IGZO 소자를 제작한 후 소자의 전기적 특성과 소자 열화 메카니즘을 분석하였다. Ni를 전극 재료로 사용한 소자의 전기적 특성이 가장 우수하였다.
그림 1은 본 연구에서 사용한 a-IGZO TFTs 소자로서 p-형 불순물이 아주 높게 도핑된 실리콘을 하부 게이트인 BG 구조이다. 열산화 방법으로 두께가 100nm인 SiO₂를 게이트 절연층으로 성장하였다. IGZO 박막은 몰 비가 In₂O₃:Ga₂O₃:ZnO =1:1:1인 스퍼터링 타겟을 사용하여 RF 스퍼트링 방법으로 두께 10nm의 InGaZnO 산화물 반도체 층을 증착하였다.
소스와 드레인 전극을 크기는 190um x 250um 이다. 전기적 특성 분석은 Agilent B1500A 반도체 파라미터 분석기를 사용하였고 게이트와 드레인에 높은 양의 전압을 인가하면서 측정 시간마다 스트레스를 중지하고 드레인 전류를 측정하였다. 측정에 사용된 소자의 게이트 길이는 5um로 일정하고 채널 폭은 5um, 10um 및 20um이다.

대상 데이터

열산화 방법으로 두께가 100nm인 SiO₂를 게이트 절연층으로 성장하였다. IGZO 박막은 몰 비가 In₂O₃:Ga₂O₃:ZnO =1:1:1인 스퍼터링 타겟을 사용하여 RF 스퍼트링 방법으로 두께 10nm의 InGaZnO 산화물 반도체 층을 증착하였다. 그리고 일반적인 열처리 방법으로 600도에서 30분간 열처리를 하였다.
그림 1은 본 연구에서 사용한 a-IGZO TFTs 소자로서 p-형 불순물이 아주 높게 도핑된 실리콘을 하부 게이트인 BG 구조이다. 열산화 방법으로 두께가 100nm인 SiO₂를 게이트 절연층으로 성장하였다.
그리고 사진식각 방법으로 전극 영역을 정의한 후에 리프트-오프 방법으로 다른 부분의 메탈층을 식각하였다. 소스와 드레인 전극을 크기는 190um x 250um 이다. 전기적 특성 분석은 Agilent B1500A 반도체 파라미터 분석기를 사용하였고 게이트와 드레인에 높은 양의 전압을 인가하면서 측정 시간마다 스트레스를 중지하고 드레인 전류를 측정하였다.
전달 특성곡선을 나타낸 것이다. 소자의 채널 길이는 5um이며 채널 폭은 20um이다. Hot carrier 스트레스 전압은 V_DS =V_GS =15V이다.
전기적 특성 분석은 Agilent B1500A 반도체 파라미터 분석기를 사용하였고 게이트와 드레인에 높은 양의 전압을 인가하면서 측정 시간마다 스트레스를 중지하고 드레인 전류를 측정하였다. 측정에 사용된 소자의 게이트 길이는 5um로 일정하고 채널 폭은 5um, 10um 및 20um이다.

이론/모형

사진식각 방법으로 채널 영역을 정의한 후에 습식 에칭으로 채널외의 InGaZnO을 식각하고 스퍼터링으로 두께 70nm의 Ni, Al 및 ITO를 소스 및 드레인 전극으로 증착하였다. 그리고 사진식각 방법으로 전극 영역을 정의한 후에 리프트-오프 방법으로 다른 부분의 메탈층을 식각하였다. 소스와 드레인 전극을 크기는 190um x 250um 이다.

성능/효과

소스와 드레인 전극으로 Ni, Al 및 ITO를 사용하여 a-IGZO 소자를 제작한 후 소자의 전기적 특성과 소자 열화 메카니즘을 분석하였다. Ni를 전극 재료로 사용한 소자의 전기적 특성이 가장 우수하였다. Al 소자의 열화가 가장 많이 되었는데 이는 스트레스 시간이 증가할수록 드레인 전류에 의한 Joule 열 발생이 증가하여 Al과 IGZO 계면에 Al₂O₃ 생성이 많아지고 이로 인해 R_SD가 증가하기 때문이다.
는 Al 소자, ITO 소자, Ni 소자 순으로 작은 것을 알 수 있다. 전체적으로 Ni 소자가 다른 소자보다 소자의 전기적 특성이 우수함을 알 수 있다. Al 소자가 다른 소자보다 특성이 좋지 않는 것은 타 연구의 결과처럼 Al과 IGZO 계면에서 Al₂O₃ 계면 산화물이 생성된 것으로 사료된다[6].
Al 소자의 열화가 가장 많이 되었는데 이는 스트레스 시간이 증가할수록 드레인 전류에 의한 Joule 열 발생이 증가하여 Al과 IGZO 계면에 Al₂O₃ 생성이 많아지고 이로 인해 R_SD가 증가하기 때문이다. 채널 폭이 클수록 또 스트레스 드레인 전압 높을수록 소자 열화가 많이 되는 것을 알 수 있었다. 측정결과로부터 IGZO 소자 열화는 주울 열과 채널 전계의 결합 작용으로 발생한다고 사료되어진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전극 재료에 따른 소자의 전기적 특성을 분석한 결과 Ni 소자가 무엇이 가장 우수하였는가?	본 연구에서는 소스 및 드레인 전극 재료에 따른 소자 열화를 분석하기 위해 Ni, Al, 및 ITO를 소스 및 드레인 전극 재료로 사용하여 InGaZnO 박막 트랜지스터를 제작하였다. 전극 재료에 따른 소자의 전기적 특성을 분석한 결과 Ni 소자가 이동도, 문턱전압 이하 스윙, 구동전류 대 누설전류 비율이 가장 우수하였다. 소스 및 드레인 전극 재료에 따른 소자 열화 측정결과 Al 소자의 열화가 가장 심한 것을 알 수 있었다.
	Ni, Al, 및 ITO를 소스 및 드레인 전극 재료로 사용하여 InGaZnO 박막 트랜지스터를 제작한 이유는?	본 연구에서는 소스 및 드레인 전극 재료에 따른 소자 열화를 분석하기 위해 Ni, Al, 및 ITO를 소스 및 드레인 전극 재료로 사용하여 InGaZnO 박막 트랜지스터를 제작하였다. 전극 재료에 따른 소자의 전기적 특성을 분석한 결과 Ni 소자가 이동도, 문턱전압 이하 스윙, 구동전류 대 누설전류 비율이 가장 우수하였다.
	채널 폭이 넓을수록 또 스트레스 드레인 전압이 높을수록 소자 열화가 많이 되었다는 결과로 부터 무엇을 알 수 있었는가?	그 결과 채널 폭이 넓을수록 또 스트레스 드레인 전압이 높을수록 소자 열화가 많이 되었다. 측정결과로부터 InGaZnO 박막 트랜지스터의 소자 열화는 큰 채널 전계와 주울 열의 결합 작용으로 발생함을 알 수 있었다.

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