[논문]산화물 TFT 소자 신뢰성 열화기구

정재경

문제 정의

본 기고에서는 대형 OLED용 Standard Backplane으로 자리를 잡고 있는 IGZO 산화물 반도체 소자의 전기 적 신뢰성에 대한 논의를 진행하기로 한다. 특히 2018년 2 월 삼성디스플레이에서도 IGZO 기반 QD OLED TV 사업화 전략을 발표하였기 때문에 산화물 반도체 신뢰성 주제는 시의 적 절한 것으로 판단된다.

가설 설정

⑻ 보호막이 없는 소자에서는 NBIS에의한 열화가 현저하게 관찰되는 반면에 보호막이 형성된 소자에서는 NBIS 열화가 크게 감소한다. PBTS 신뢰성과 마찬가지로 NBTS 및 NBIS 신뢰성의 열화기구로 i) hole trapping model과 ii) oxygen photo-desorption model은 extrinsic mechanism에 해당한다. 즉 우수한 게이트 절연체와 보호막 소재 및 공정 개발을 통해 상당 부분 문턱 전압 열화를 방지할 수 있다

제안 방법

본 기고에서는 OLED TV 제품에 탑재되고 있는IGZO TFT 소자의 신뢰성 열화 메커니즘을 PBTS, NBTS 및 NBIS로 구분하여 살펴보았다. Extrinsic 원인으로 제안된 전하트랩핑, 주입 및 외기 환경 기인성 열화의 경우 고품위 게이트 절연체 및 보호막을 개발하여 많은 신뢰성이 개선이 진행되었다.
이에 대한 해결책으로 이동도는 낮지만 (lOcmWs) 신뢰성이 우수한 IGZO 채널층을 IZO(or ITO) 상부에 증착하여 IGZO/IZO(or ITO) 이중 채널 구조를 형성하는 방법이 제안되었다[그림 12].⑵] 이 경우 50cm²/Vs 이상의 이동도와 0V 근처의 문턱전압을 갖으면서 동시에 우수한 PBTS, NBTS 신뢰성 특성을 나타낼 수 있다.

성능/효과

구분하여 살펴보았다. Extrinsic 원인으로 제안된 전하트랩핑, 주입 및 외기 환경 기인성 열화의 경우 고품위 게이트 절연체 및 보호막을 개발하여 많은 신뢰성이 개선이 진행되었다. Intrinsic 원인계로 지목되고 있는 Vo 및 Q 모델의 경우 수소 불순물의 상관관계까지 고려한 bi-stability 관점에서 심층적인 실험적 및 이론적 접근이 동시에 진행되고 있다.
Shallow donor와 Acceptor-like trap 상태의 bi- stability를 보일 수 있음을 발표하였다.UN 임계전자 농도 이 하에서 는 즉 낮은 Ef조건에서는 Shallow donor 상태가 안정하므로 이때 Ho는 FV상태로 존재하면서 자유전자를 전도대에 기여할 수 있다[그림 10 (a), (c) 및그림 11].
두 번째 모델은 산화물 반도체 표면에 흡착된 산소 이온이 빛에 의해 광탈착되는 과정에서 반도체 층에 남게 되는 자유전자가 문턱전압의 열화를 일으킨다는 것인데, 이는 채널 보호막이 없는샘플과 있는 샘플에서 NBIS 신뢰성이 현저하게 차이가 난다는 실험결과로부터 확인될 수 있다[그림 7].⑻ 보호막이 없는 소자에서는 NBIS에의한 열화가 현저하게 관찰되는 반면에 보호막이 형성된 소자에서는 NBIS 열화가 크게 감소한다.
예를 들어 Etch Stopper(ES) 구조에서 고품위의 ES층을 형성하여 산소 혹은 수분의 반응성을 억제시킬 수 있었으며 이 결과 PBTS 신뢰성을 획기적으로개선시킬 수 있었다. 또한 게이트 절연층 및 계면에 서의 전하 트랩핑에서 발생하는 PBTS 문턱전압 불안정성은 계면 정합성이 우수하고 Conduction Band Off-set이 큰 SiO₂박막을 적용함으로써 상당부분 억제시킬 수 있었다. 이러한 이유에서 비정질 실리콘 반도체의 게이트 절연체로 사용되었던 우수한 양산성을 갖는 SiNx는 OLED 제품용 산화물 TFT에서는 거의 사용되고 있지 않다.
〔"I 그러나 이와 같은 양이온 최적화 방법은 산소공공을 감소시키기 때문에 전자농도 역시 감소하게 되어 전계 이동도가 감소하는 문제점을 않고 있다 이는 산화물 반도체의 전도기구가 Percolation Conduction에 따르기 때문이다. 본 연구실에서는 양이온은 고정된 상태에서 음이온의 구성원소인 산소 원자 혹은 분자를 후처리를 통해 효과적으로 주입하며 이동 도의 저하 없이 광신뢰성을 개선시킬 수 있음을 발표하였다. [15] 또한 오존이나 산소 플라즈마와 같은 후처리 공정을 통해서도 비슷한 NBIS 신뢰성을 획기적으로 개선할 수 있음도 확인하였다.
농도에 의존하게 된다. 즉 채널의 전자농도가 증가하면 이동도는 증가하고 문턱 전압은 음의 방향으로 급격한 이동을 보이게 된다 이와 같이 기존의 인듐 함유량이 많은 IZO 혹은 ITO 채널층을 사용하게 되면 이동 도의 증가 및 문턱 전압의 급격한 음의 방향으로의 이동은 문제점으로 지적되었다.

후속연구

이 러한 관점에서 IZTO와 같은 새로운 사성분계 물질 및 이중 채널 구조와 같은 신구조에 대한 연구가 관심을 모으고 있다. 궁극적으로 금속산화물 반도체는 현재 가장 우수한 성능을 보여주는 폴리 실리콘 TFT에 대응 가능한 수준이 되어야 모바일 제품에서 TV까지를 포함하는 차세대디스플레이 backplane에 폭 넓게 적용될 수 있을 것이다 따라서 현재 PMOS LTPS 양산수준인 전계 이동도 80cmWs 이상을 목표로 새로운 채널 소재 및 소자 구조에 대한 연구 및 개발이 필요하다.
최근에는 PPC 현상이 완벽하게 제거하기 위하여 음이온자리에 질소를 alloying하여 ZnON과 같은 질산화물 반도체에 대한 관심이 증가하고 있다, 口9, 20] 특히 대면적, 초고해상도 OLED 구동에 유리한 초고이동도 (>50cmWs) 달성이 가능하면서 광전신뢰성이 우수한 장점이 있다. 현재는 금속 Zn 타겟을이용한 reactive sputtering을 주로 入]용하고 있어 단일 스퍼터링 타겟 제작의 이슈와 Dark PBTS/NBTS 신뢰성의 이슈가 있지만 향후 다양한 음이온 조성조합 개념의 연구가 의미 있을 것으로 판단된다.

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