[논문]다양한 Passivation 물질에 따른 IGZO TFT Stability 개선 방법

김재민; 박진수; 윤건주; 조재현; 배상우; 김진석; 권기원; 이윤정; 이준신

doi:10.4313/jkem.2020.33.1.6

Abstract ▼ AI-Helper

Thin film transistors (TFTs) with large-area, high mobility, and high reliability are important factors for next-generation displays. In particular, thin transistors based on IGZO oxide semiconductors are being actively researched for this application. In this study, several methods for improving th...

Thin film transistors (TFTs) with large-area, high mobility, and high reliability are important factors for next-generation displays. In particular, thin transistors based on IGZO oxide semiconductors are being actively researched for this application. In this study, several methods for improving the reliability of a-IGZO TFTs by applying various materials on a passivation layer are investigated. In the literature, inorganic SiO2, TiO2, Al2O3, ZTSO, and organic CYTOP have been used for passivation. In the case of Al2O3, excellent stability is exhibited compared to the non-passivation TFT under the conditions of negative bias illumination stress (NBIS) for 3 wavelengths (R, G, B). When CYTOP passivation, SiO2 passivation, and non-passivation devices were compared under the same positive bias temperature stress (PBTS), the Vth shifts were 2.8 V, 3.3 V, and 4.5 V, respectively. The Vth shifts of TiO2 passivation and non-passivation devices under the same NBTS were -2.2 V and -3.8 V, respectively. It is expected that the presented results will form the basis for further research to improve the reliability of a-IGZO TFT.

주제어

표/그림 (4)

그림 Fig. 1. Energy van diagram under NBIS conditions of IGZO.
그림 Fig. 2. I-V Characteristic curves of Al₂O₃ passivation on NBIS conditions of R, G, and B wavelengths of a-IGZO [11].
그림 Fig. 3. Vth movement characteristics over time of three IGZO TFT devices with CYTOP, SiO₂, and non passivation [13].
그림 Fig. 4. Vth shift of IGZO TFT device under NBTS condition with or without TiO_X passivation.

AI 본문요약
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문제 정의

현재 연구 및 산업에서 가장 많이 사용되고 있는 a-IGZO 산화물 반도체의 bias stress 조건과 더불어 다양한 환경적 요소에 의하여 소자의 특성이 변하게 되는 다양한 원인을 확인하고 이를 해결하기 위해 passivation 측면에 초점을 맞춰 진행된 많은 연구들을 정리해 보았다. 사용된 물질로는 SiO₂, Al₂O₃, TiO₂의 무기물과 CYTOP의 유기물이 passivation 물질로써 사용되었다.

제안 방법

본 논문에서는 evaporator와 Cr, Al 물질을 이용하여 gate, source, drain 전극 배선을 진행하였으며, sputtering을 이용하여 50 nm 두께의 IGZO 채널 층을 제작하였다. Spin coating, atomic layer deposition, plasma enhanced chemical vapor deposition 장비를 이용하여 CYTOP, SiO₂, Si₃N₄, Al₂O₃, TiO₂ 게이트 절연 막 및 passivation을 제작하였으며, annealing을 통한 열처리 후 I-V transfer 측정을 통하여 신뢰성을 측정하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 evaporator와 Cr, Al 물질을 이용하여 gate, source, drain 전극 배선을 진행하였으며, sputtering을 이용하여 50 nm 두께의 IGZO 채널 층을 제작하였다. Spin coating, atomic layer deposition, plasma enhanced chemical vapor deposition 장비를 이용하여 CYTOP, SiO₂, Si₃N₄, Al₂O₃, TiO₂ 게이트 절연 막 및 passivation을 제작하였으며, annealing을 통한 열처리 후 I-V transfer 측정을 통하여 신뢰성을 측정하였다.
현재 연구 및 산업에서 가장 많이 사용되고 있는 a-IGZO 산화물 반도체의 bias stress 조건과 더불어 다양한 환경적 요소에 의하여 소자의 특성이 변하게 되는 다양한 원인을 확인하고 이를 해결하기 위해 passivation 측면에 초점을 맞춰 진행된 많은 연구들을 정리해 보았다. 사용된 물질로는 SiO₂, Al₂O₃, TiO₂의 무기물과 CYTOP의 유기물이 passivation 물질로써 사용되었다. 먼저 Al₂O₃에서는 NBIS에 대한 stability뿐만 아니라 조사된 빛의 파장에 따른 영향을 연구하였으며, 광 여기를 감소시키는 Al₂O₃의 특성 때문에 non-passivation TFT 소자에 반해 월등한 안정성을 나타내었다.

성능/효과

2 V의 Vth 이동을 나타냈으며, 수분, 빛 등의 외부 환경적 요인으로부터 채널 층을 보호하는 역할을 수행할 수 있음을 확인할 수 있었다. CYTOP 유기물 passivation층 또한 외부 환경과 채널 층 간의 상호작용을 억제하며, PBTS 하에서 SiO₂ passivation 및 non-passivation과 비교하였을 때 각 2.8 V, 3.3 V, 4.5 V의 Vth 이동을 보며 우수한 특성을 나타내었다. 이러한 결과를 통해 a-IGZO TFT의 다양한 환경에 의한 소자의 특성이 개선되면서 산화물 반도체의 적용 범위가 더욱더 확장될 것으로 예상한다.
먼저 Al₂O₃에서는 NBIS에 대한 stability뿐만 아니라 조사된 빛의 파장에 따른 영향을 연구하였으며, 광 여기를 감소시키는 Al₂O₃의 특성 때문에 non-passivation TFT 소자에 반해 월등한 안정성을 나타내었다. TiO₂ 또한 NBTS 조건하에 passivation 유/무 에 따라 -3.8 V와 -2.2 V의 Vth 이동을 나타냈으며, 수분, 빛 등의 외부 환경적 요인으로부터 채널 층을 보호하는 역할을 수행할 수 있음을 확인할 수 있었다. CYTOP 유기물 passivation층 또한 외부 환경과 채널 층 간의 상호작용을 억제하며, PBTS 하에서 SiO₂ passivation 및 non-passivation과 비교하였을 때 각 2.
사용된 물질로는 SiO₂, Al₂O₃, TiO₂의 무기물과 CYTOP의 유기물이 passivation 물질로써 사용되었다. 먼저 Al₂O₃에서는 NBIS에 대한 stability뿐만 아니라 조사된 빛의 파장에 따른 영향을 연구하였으며, 광 여기를 감소시키는 Al₂O₃의 특성 때문에 non-passivation TFT 소자에 반해 월등한 안정성을 나타내었다. TiO₂ 또한 NBTS 조건하에 passivation 유/무 에 따라 -3.

후속연구

5 V의 Vth 이동을 보며 우수한 특성을 나타내었다. 이러한 결과를 통해 a-IGZO TFT의 다양한 환경에 의한 소자의 특성이 개선되면서 산화물 반도체의 적용 범위가 더욱더 확장될 것으로 예상한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비정질 폴리머는?	에 의한 유기 전계 효과 트렌지스터의 게이트 유전체로 사용되었다. 이 비정질 폴리머는 고도의 발수 성과 발 유성, 내 화학성을 가진 투명한 절연체로서 플렉서블 디스플레이용으로 이용할 수 있었다 [16,17]. a-IGZO TFT의 전기적 특성은 채널층의 후면으로부터 쉽게 영향을 받을 수 있는데, 극성이 낮은 유기 절연체는 외부 환경과 산화물 표면 간의 상호작용을 억제하여 균일한 비극성 및 결함이 없는 후면 인터페이스 영역을 제공할 수 있다 [14,15].
	현재 주로 사용되는 TFT 소재의 장단점은?	이러한 OLED 구현을 위하여 디스플레이 백 플레인 용 구동 소자인 TFT 소재 개발이 필수적이다. 현재까지 널리 이용 중인 비 정질 실리콘(a-Si) TFT의 경우 대형화 및 저비용은 가능하지만, 낮은 이동 도로 인해 고해상도 및 고속 구동용 소자로서는 적합하지 않으며, 폴리 실리콘(poly-Si) TFT 의 경우 이동 도는 높으나 ELA 공정 등이 추가되어 공정이 복잡하고 고비용의 도핑 공정이 필요한 단점이 있다. 이에 비해 산화물 반도체를 채널 층으로 사용하는 연구가 활발히 진행 중이다.
	산화물 반도체의 장점은?	산화물 반도체는 결정 질 실리콘보다는 연구된 기간이 짧지만, 단기간에 반도체 물질을 새로운 영역의 문을 열 수 있을 만큼의 우수한 전기적 특성을 보여주며, 디스플레이 핵심 소자인 박막 트랜지스터에 사용이 가능한 물질로 촉망받고 있다. 이러한 산화물 반도체의 가장 큰 이점은 낮은 온도에서 다양한 Passivation 물질에 따른 IGZO TFT Stability 개선 방법의 박막 형성과 화합물임에도 불구하고 매우 부드러운 표면과 비 정질 물질이기 때문에 전기적 특성이 분자의 배열을 따르지 않아 전기적 특성 또한 우수한 편이다. 이러한 산화물 반도체의 채널 층 후면은 산화물 TFT의 신뢰성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있는데, 이는 공기 중 습도와의 반응으로 인해 전도 경로가 형성되기 때문이다.

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