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문제 정의
- 따라서 높은 전계 효과 이동도와 낮은 SS(subthreshold swing) 값을 갖는 TFT의 제조도 중요하지만, 좋은 안정성 또한 중요하다. 본 연구에서는 NBS(negative bias stress)와 NBIS(negative bias illumination stress), PBS(positive bias stress)신뢰성을 측정하였다. NBS와 NBIS 측정 시 VG = −20~20 V, VD = −10 V의 전압을 인가하였고, 스트레스 시간은 3600초이며 광원의 조도는 1500 lux로 설정하였다.
제안 방법
- 6 kV(primary), 4.37 kV(secondary), 5 nA의 Cs+ 이온 빔을 이용하였으며, 래스터크기는 200 μm × 200 μm, 분석 면적은 63 μm(Φ) 이다.
- ITZO 박막 내의 불순물 함량을 분석하기 위하여 SIMS (secondary ion mass spectroscope)를 통해 ITZO 박막과 절연막 및 계면의 수소 관련 불순물인 H와 OH, H2O 함량을 비교 분석하였다. Fig.
- 다음으로 DC sputtering과 3인치 ITZO 타겟을 이용하여 채널(channel) 층을 증착하였다. ITZO박막의 조건은 반응 가스인 Ar과 O의 비가 5:5 sccm, DC power는 1.09 W/cm2 로 모두 동일하며 RF sputtering을 이용하여 소오스 및 드레인인 ITO를 증착하여 TFT를 제작하였다. 모든 TFT의 구조는 bottom gate 구조이며, 쉐도우 마스크 (shadow mask)를 이용하여 패터닝(pattering) 하였다.
- substrate B와 C는 A에 비해 다층 구조로 이루어져 있으며, substrate B와 C에서 rough-ness가 A에 비해 상대적으로 높게 측정되었다. Rough-ness 증가의 원인을 분석하기 위해 PI 층이 포함된 sub-strate C 기판 위에 ITZO TFT를 증착 하고, FIB(focusion beam)를 이용하여 시편을 제작하였다. 그 후, TEM(transmission electron microscope)으로 단면을 촬영하였다.
- 고분자 기판과 PECVD 절연막 구조에 따른 ITZOTFT의 특성을 분석하기 위해 세 종류의 device를 제작하였다. Fig.
- Rough-ness 증가의 원인을 분석하기 위해 PI 층이 포함된 sub-strate C 기판 위에 ITZO TFT를 증착 하고, FIB(focusion beam)를 이용하여 시편을 제작하였다. 그 후, TEM(transmission electron microscope)으로 단면을 촬영하였다. 촬영한 TEM 이미지를 Fig.
- 다음으로 DC sputtering과 3인치 ITZO 타겟을 이용하여 채널(channel) 층을 증착하였다. ITZO박막의 조건은 반응 가스인 Ar과 O의 비가 5:5 sccm, DC power는 1.
- 1000 ℃ 이상의 고온에서 성장시킨 SiO2는 고온에 취약한 플렉서블 TFT 제작에 적용할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 PECVD를 이용하여 350 ℃ 의 보다 낮은 공정 온도로 SiOx/SiNx 절연막을 증착 하고 ITZO TFT를 제작하였다. 그 결과 PI 기판 위에 PECVD로 제작한 절연막과 ITZO 계면에서 많은 수소 관련 불순물이 검출되었으며, ITZO channel 층 내에 더 많은 산소 공공이 형성된 것을 확인하였다.
- 5 eV인 C 1s peak을 이용하여 보정하였다. 또한, 트랜지스터 구조내 수소 관련 불순물의 분포는 이차 이온 질량 분석(SIMS)을 이용하여 분석하였다. 6 kV(primary), 4.
- 09 W/cm2 로 모두 동일하며 RF sputtering을 이용하여 소오스 및 드레인인 ITO를 증착하여 TFT를 제작하였다. 모든 TFT의 구조는 bottom gate 구조이며, 쉐도우 마스크 (shadow mask)를 이용하여 패터닝(pattering) 하였다. Table 1에서는 각 device의 구조와 재료를 나타내었다.
- 본 연구에서는 서로 다른 적층 구조를 가지는 기판 위에 직류 스퍼터링(DC sputtering)법을 이용하여 In-SnZn-O(ITZO) 반도체 층과 고주파 스퍼터링(RF Sputtering) 법을 이용하여 ITO 소오스 및 드레인(Source & Drain, S/D)을 각각 증착하여 박막 트랜지스터를 제조하였다.
- 박막 내 산소의 결합 상태를 분석하기 위해 단파장의 Al Ka X 선 source를 이용한 X선 광전자분광법(XPS)을 실시하였다. 분석 전 각 박막의 표면 오염을 제거하기 위해 30초 간 Ar+ 이온 빔으로 sputtering을 실시하였다. 모든 peak은 표준 결합 에너지가 284.
- 세 기판 위에 동일한 조건으로 증착된 ITZO 박막을 XPS(X-ray photoelectron spectroscope)를 통해 화학적 조성비(Table 3)와 O 1s peak spectra(Fig. 5)를 분석하였다.
- 본 연구에서는 서로 다른 적층 구조를 가지는 기판 위에 직류 스퍼터링(DC sputtering)법을 이용하여 In-SnZn-O(ITZO) 반도체 층과 고주파 스퍼터링(RF Sputtering) 법을 이용하여 ITO 소오스 및 드레인(Source & Drain, S/D)을 각각 증착하여 박막 트랜지스터를 제조하였다. 이를 이용하여 기판 종류 및 절연막 증착 방법, 적층 구조 차이 등에 따른 ITZO 박막 트랜지스터의 물리적 특성과 전기적 특성 변화 등을 분석하고 플렉서블 디스플레이 적용 가능성을 평가하였다. XPS 분석에서, PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition)를 이용해 절연막을 증착한 유리 및 PI(polyimide) 기판을 사용하였을 때, thermal SiO2 절연막을 제조한 rigid 기판 대비 ITZO 내 산소 공공의 비율이 증가하는 것을 확인하였다.
- 차세대 디스플레이로 각광받고 있는 플렉서블 디스플레이 적용을 위하여 PI 기판 위에 제조한 ITZO TFT의 특성을 분석하였다. 1000 ℃ 이상의 고온에서 성장시킨 SiO2는 고온에 취약한 플렉서블 TFT 제작에 적용할 수 없다.
대상 데이터
- 고분자 기판과 PECVD 절연막 구조에 따른 ITZOTFT의 특성을 분석하기 위해 세 종류의 device를 제작하였다. Fig. 1에서 볼 수 있듯이 device A는 thermal SiO2 / P++ - Si(substrate A) 기판을 사용하였으며 device B는 SiOx / SiNx / Cu / Ti / SiOx / Glass(substrate B), device C는 SiOx / SiNx / Cu / Ti / SiOx / PI / Glass(substrate C) 기판을 사용하여 박막트랜지스터(TFT)를 제작하였다. 이때, 유연한 고분자 기판으로 사용한 PI가 TFT의 특성에 어떤 영향을 미치는지 비교 분석하기 위하여 device B 구조에 추가적으로 도입하였다.
이론/모형
- 박막 내 산소의 결합 상태를 분석하기 위해 단파장의 Al Ka X 선 source를 이용한 X선 광전자분광법(XPS)을 실시하였다. 분석 전 각 박막의 표면 오염을 제거하기 위해 30초 간 Ar+ 이온 빔으로 sputtering을 실시하였다.
성능/효과
- 5-6) 일반적으로 n-type의 산화물 반도체에서 산소 공공은 전자를 trap하기 때문에 전기적 특성의 저하를 초래한다. ITZO 박막 내의 조성비는 기판에 관계없이 유사한 비율을 가지지만 substrate A에 비해 substrate B와 C에서 산소 공공의 비가 상대적으로 높아진 것을 확인하였다.
- 1 V(linear region)의 드레인 전압(VD)에서 측정한 기판에 따른 ITZO TFTs의 transfer curve이며, 추출한 주요 전기적 특성 수치를 나타내었다. XPS O 1s peak spectra 분석 결과에서 보듯, device B와 C에서 상대적으로 증가한 산소 공공 sub-peak으로 인하여 전기적 특성 열화가 발생하였다. 일반적으로 박막 내 산소 공공이 증가 하면 donor 작용으로 인하여 캐리어 농도가 증가하고 전기전도도가 증가하게 된다.
- 이를 이용하여 기판 종류 및 절연막 증착 방법, 적층 구조 차이 등에 따른 ITZO 박막 트랜지스터의 물리적 특성과 전기적 특성 변화 등을 분석하고 플렉서블 디스플레이 적용 가능성을 평가하였다. XPS 분석에서, PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition)를 이용해 절연막을 증착한 유리 및 PI(polyimide) 기판을 사용하였을 때, thermal SiO2 절연막을 제조한 rigid 기판 대비 ITZO 내 산소 공공의 비율이 증가하는 것을 확인하였다. 또한 고분자 기판을 이용한 박막 트랜지스터의 전기적 특성과 안정성이 rigid 기판을 이용한 트랜지스터에 비해 현저히 떨어지는 것을 확인하였다.
- 3과 Table 2에 나타내었다. substrate B와 C는 A에 비해 다층 구조로 이루어져 있으며, substrate B와 C에서 rough-ness가 A에 비해 상대적으로 높게 측정되었다. Rough-ness 증가의 원인을 분석하기 위해 PI 층이 포함된 sub-strate C 기판 위에 ITZO TFT를 증착 하고, FIB(focusion beam)를 이용하여 시편을 제작하였다.
- 그 결과 PI 기판 위에 PECVD로 제작한 절연막과 ITZO 계면에서 많은 수소 관련 불순물이 검출되었으며, ITZO channel 층 내에 더 많은 산소 공공이 형성된 것을 확인하였다.
- XPS 분석에서, PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition)를 이용해 절연막을 증착한 유리 및 PI(polyimide) 기판을 사용하였을 때, thermal SiO2 절연막을 제조한 rigid 기판 대비 ITZO 내 산소 공공의 비율이 증가하는 것을 확인하였다. 또한 고분자 기판을 이용한 박막 트랜지스터의 전기적 특성과 안정성이 rigid 기판을 이용한 트랜지스터에 비해 현저히 떨어지는 것을 확인하였다.
- 그 후, TEM(transmission electron microscope)으로 단면을 촬영하였다. 촬영한 TEM 이미지를 Fig. 4에 도시하였으며, 분석 결과 상대적으로 증가한 roughness는 전극으로 사용한 Cu 층에 의한 것임을 확인하였다.
- 그러나 산소 공공이 너무 많을 경우, 전자를 trapping하게 되어 이동도가 감소할 수 있다. 특히 PI를 포함한 device C는 상대적으로 수소 관련 불순물 함량이 높기 때문에 더 많은 불순물이 ITZO 로 확산되고, 결과적으로 더 많은 산소 공공이 형성되어 전자를 trapping 함으로써 전기적 특성이 가장 크게 저하되었다. 9)
- 이는 PECVD를 이용한 SiOx와 SiNx 절연막이 thermal SiO2 절연막 보다 치밀하지 못하여 불순물이 ITZO 에서 절연막으로 더 쉽게 확산되는 것으로 보인다. 특히 substrate B와 C를 비교하였을 때, PI가 포함될 경우 ITZO/절연막 계면과 절연막 내의 수소 관련 불순물 함량이 증가하는 것을 확인하였다. 이는 PI가 자체적인 수소 관련 불순물을 함유하고 있기 때문이며, 제작 과정 중에 이들이 절연막 및 계면으로 확산된 것으로 볼 수 있다.
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