[논문]비정질 인듐-갈륨-아연 산화물 기반 박막 트랜지스터의 NBIS 불안정성 개선을 위한 연구동향

윤건주; 박진수; 김재민; 조재현; 배상우; 김진석; 김현후; 이준신

doi:10.4313/jkem.2019.32.5.371

비정질 인듐-갈륨-아연 산화물 기반 박막 트랜지스터의 NBIS 불안정성 개선을 위한 연구동향
Research Trends for Improvement of NBIS Instability in Amorphous In-Ga-ZnO Based Thin-Film Transistors 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.32 no.5, 2019년, pp.371 - 375

윤건주 (성균관대학교 전자전기컴퓨터공학과) , 박진수 (성균관대학교 전자전기컴퓨터공학과) , 김재민 (성균관대학교 전자전기컴퓨터공학과) , 조재현 (성균관대학교 전자전기컴퓨터공학과) , 배상우 (삼성전자 Foundry 개발QA그룹) , 김진석 (삼성전자 Foundry 개발QA그룹) , 김현후 (두원공과대학교 디스플레이공학과) , 이준신 (성균관대학교 전자전기컴퓨터공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Developing a thin-film transistor with characteristics such as a large area, high mobility, and high reliability are key elements required for the next generation on displays. In this paper, we have investigated the research trends related to improving the reliability of oxide-semiconductor-based thin-film transistors, which are the primary focus of study in the field of optical displays. It has been reported that thermal treatment in a high-pressure oxygen atmosphere reduces the threshold voltage shift from -7.1 V to -1.9 V under NBIS. Additionally, a device with a $SiO_2/Si_3N_4$ dual-structure has a lower threshold voltage (-0.82 V) under NBIS than a single-gate-insulator-based device (-11.6 V). The dual channel structure with different oxygen partial pressures was also confirmed to have a stable threshold voltage under NBIS. These can be considered for further study to improve the NBIS problem.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Schematic energy band diagram to explain the trapping or/and injection of a photo induced hole carrier.
그림 Fig. 2. Threshold voltage shift in the NBIS condition of the O₂ annealed device at different pressures. The ΔVth shift of the 0.2 atm, 0.5 atm, and 10 atm device are -7.1 V, -4.5 V and -1.9 V, respectively [13].
그림 Fig. 3. The transfer characteristics for the (a) Si₃N₄, (b) SiO₂, and (c) SiO₂/Si₃N₄ as gate insulator as a function of the NBIS time [20].
그림 Fig. 4. The ΔVth shift of the Si₃N₄, SiO₂, and SiO₂/Si₃N₄ gate insulator are -11.6 V, -2.1 V and -0.82 V [20].
그림 Fig. 5. (a) Schematic diagram of device with dual IGZO active layer. (b) Compare the oxygen-poor layer and oxygen-rich layer thickness of each device.
그림 Fig. 6. (a) Evaluation of the transfer characteristics for (a) device A, (b) device B, and (c) device C as a function of applied NBIS times.

AI 본문요약
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문제 정의

차세대 디스플레이는 전기적 특성에서의 높은 신뢰성을 요구하기 때문에 빛에 의해 열화되는 비정질 IGZO 박막의 특성을 개선하기 위한 연구가 끊임없이 이어지고 있다. 본 논문에서는 비정질 IGZO TFT가 negative bias illumination stress (NBIS)에서의 불안정성을 야기하는 원인과 문제를 개선하기 위해 제안된 기술들을 소개한다.
현재 연구 및 산업에서 가장 많이 사용되고 있는 비정질 IGZO 산화물 반도체의 NBIS 환경에서 특성이 열화되는 원인을 확인하고 이를 해결하기 위해 진행된 많은 연구들을 정리해 보았다. 게이트 절연층에 사용되는 물질, 채널층을 이중으로 적층하는 소자의 구조적 변화 등 음의 게이트 전압 바이어스 하에서 광을 조사 시 임계전압이 음의 방향으로 이동하는 특성을 개선하기 위한 다양한 방법의 연구가 계속해서 진행 중이다.

제안 방법

이를 방지하기 위한 방법으로, 홀 배리어역할이 가능하도록 높은 에너지 레벨을 갖는 게이트 절연막을 적용한 많은 연구가 진행되고 있다. 두 번째로 산소 공공(oxygen vacancy, V_O)의 여기에 의한 신뢰성 저하가 제안되었다. 활성층의 deep state에 존재하는 중성 산소 공공이 V_O²⁺로 여기되는 과정에서 전도대에 기여되는 자유 전자 때문에 임계전압이 음의 방향으로 이동한다 [11].
또한 O₂ 어닐링을 통해 비정질 IGZO 채널 내의 산소 공공 농도를 감소시켜 신뢰성이 개선됨을 역시 확인할 수 있다. 산소 분압이 낮은 비정질 IGZO와 산소 분압이 높은 비정질 IGZO의 이중 채널구조는 채널 내 산소 공공의 양을 줄여 NBIS 환경에서의 신뢰성을 확보하는 동시에 고이 동도를 얻어냈다. 이러한 결과를 통해 산화물 반도체가 빛에 의해 열화되는 특성이 개선되면 산화물 반도체의 적용 범위는 계속해서 확장될 것으로 예상한다.
이번 논평에서 진행된 실험은 비정질 IGZO 채널 층의 경우 주로 스퍼터링 기술에 의해 진행되었다. 채널 층의 경우 기존의 비정질 IGZO 단일 층 외에 이중구조와 같은 구조적 변화를 통해 소자특성을 개선하는 실험이 진행되었고, 게이트 절연층은 ALD, PECVD 등의 증착 장비를 이용하여 소자를 제작 후 NBIS 환경에서의 불안정성을 확인하고 열을 가하는 후처리 공정,두 물질을 적층한 구조적 변화 같은 방법을 적용하여 특성을 개선하는 방식으로 진행되었다.

성능/효과

기존 단일 a-IGZO 채널층 구조의 소자는 NBIS 환경에서 임계전압이 음의 방향으로 8.5 V만큼 이동했고, 서로 다른 산소분압을 가지는 a-IGZO 이중 채널 층을 적용한 구조에서는 6.8 V, 3.2 V로 NBIS에 따른 임계전압의 변화가 점차 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 그림 6에 나타난 바와 같이 이중 채널층에서 산소분압이 높은 층의 체적비율을 증가시킴에 따라 임계전압의 변화가 감소하게 되는 것을 말하고, 결과적으로 산소분압이 높은 층이 백 채널 영역을 보호하는 역할을 하여 개선된 안정성을 얻을 수 있다.
이와 같은 원리로 SiO₂/Si₃N₄ 이중층 구조를 적용하여 더 높은 신뢰성을 얻을 수 있었다. 또한 O₂ 어닐링을 통해 비정질 IGZO 채널 내의 산소 공공 농도를 감소시켜 신뢰성이 개선됨을 역시 확인할 수 있다. 산소 분압이 낮은 비정질 IGZO와 산소 분압이 높은 비정질 IGZO의 이중 채널구조는 채널 내 산소 공공의 양을 줄여 NBIS 환경에서의 신뢰성을 확보하는 동시에 고이 동도를 얻어냈다.
SiO₂, Si₃N₄, Al₂O₃와 같은 우수한 게이트 절연체 또는 채널 보호층을 사용하여 소자를 제작할 경우 대기와의 반응을 원천적으로 차단함으로써 빛에 대한 소자의 열화를 상당 부분 억제한다. 이중구조의 절연층 SiO₂/Si₃N₄를 적용하였을 때 임계전압이 음의 방향으로 이동하는 현상이 현저하게 줄어드는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

산소 분압이 낮은 비정질 IGZO와 산소 분압이 높은 비정질 IGZO의 이중 채널구조는 채널 내 산소 공공의 양을 줄여 NBIS 환경에서의 신뢰성을 확보하는 동시에 고이 동도를 얻어냈다. 이러한 결과를 통해 산화물 반도체가 빛에 의해 열화되는 특성이 개선되면 산화물 반도체의 적용 범위는 계속해서 확장될 것으로 예상한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	NBIS 환경에서 높은 신뢰성을 얻을 수 있는 방법은?	게이트 절연층에 사용되는 물질, 채널층을 이중으로 적층하는 소자의 구조적 변화 등 음의 게이트 전압 바이어스 하에서 광을 조사 시 임계전압이 음의 방향으로 이동하는 특성을 개선하기 위한 다양한 방법의 연구가 계속해서 진행 중이다. 게이트 절연체로 사용된 Si3N4보다 SiO2가 더 높은 에너지 레벨을 갖기 때문에 NBIS 환경에서 특성이 열화되는 메커니즘 중 홀 트랩핑 효과로 인해 임계전압이 음의 방향으로 이동하는 문제를 개선할 수 있다. 이와 같은 원리로 SiO2/Si3N4 이중층 구조를 적용하여 더 높은 신뢰성을 얻을 수 있었다.
	ZnO 박막의 특징은?	산화물 반도체에 대한 연구는 ZnO, SnO2 등의 이성분계로부터 진행되었으며 특히 ZnO는 열처리를 통해 박막 트랜지스터의 활성층으로 사용할 수 있는 특성이 발표되면서 많은 관심을 받았다 [4]. 하지만 ZnO 박막은 증착 과정에서 결정화가 쉽게 발생하여 비정질상을 얻기가 어렵고, 결정립계의 존재로 인해 박막 트랜지스터 소자의 전자 이동도 및 임계전압의 불안정성, 캐리어 농도를 조절하기에 어렵다는 단점이 제기되었다. 이와 같은 문제점을 보완하기 위해서 ZnO에 Al, Ga, In 등을 도핑하여 삼성분계의 산화물 반도체를 만들었고 이후 2004년 말 Hideo Hosono 교수의 연구그룹은 캐리어 농도와 전도도를 개선하기 위해 In과 Ga을 도핑한 비정질 IGZO TFT를 개발하면서 산화물 반도체의 가능성을 알리고 주목을 받게 되었다 [5].
	(a-IGZO) 반도체는 어디에 활용될 수 있는가?	비정질 인듐-갈륨-아연 산화물(a-IGZO) 반도체는 스퍼터와 같은 증착 장비를 이용하여 상온에서 균일한 박막을 얻을 수 있고, 높은 전계 효과 이동도, 양호한 게이트 스윙, 3.4 eV의 넓은 밴드 갭을 가지므로 가시광 영역에 대한 투명함을 보이는 등 액정 디스플레이,투명 디스플레이 및 유기 발광 다이오드 디스플레이와 같은 고급 평면 패널 디스플레이를 위한 백플레인 전자장치에서 채널 재료로서 많은 관심을 끌어왔다 [1-3]. 산화물 반도체에 대한 연구는 ZnO, SnO2 등의 이성분계로부터 진행되었으며 특히 ZnO는 열처리를 통해 박막 트랜지스터의 활성층으로 사용할 수 있는 특성이 발표되면서 많은 관심을 받았다 [4].

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