마이크로파 조사 시간에 따른 InGaZnO 박막 트랜지스터의 전기적 특성 평가 The Effect of Microwave Annealing Time on the Electrical Characteristics for InGaZnO Thin-Film Transistors원문보기
Oxide semiconductor, represented by a-IGZO, has been commercialized in the market as active layer of TFTs of display backplanes due to its various advantages over a-Si. a-IGZO can be deposited at room temperature by RF magnetron sputtering process; however, additional thermal annealing above 300...
Oxide semiconductor, represented by a-IGZO, has been commercialized in the market as active layer of TFTs of display backplanes due to its various advantages over a-Si. a-IGZO can be deposited at room temperature by RF magnetron sputtering process; however, additional thermal annealing above 300℃ is required to obtain good semiconducting properties and stability. These temperature are too high for common flexible substrates like PET, PEN, and PI. In this work, effects of microwave annealing time on IGZO thin film and associated thin-film transistors are demonstrated. As the microwave annealing time increases, the electrical properties of a-IGZO TFT improve to a degree similar to that during thermal annealing. Optimal microwave annealed IGZO TFT exhibits mobility, SS, Vth, and VH of 6.45 ㎠/Vs, 0.17 V/dec, 1.53 V, and 0.47 V, respectively. PBS and NBS stability tests confirm that microwave annealing can effectively improve the interface between the dielectric and the active layer.
Oxide semiconductor, represented by a-IGZO, has been commercialized in the market as active layer of TFTs of display backplanes due to its various advantages over a-Si. a-IGZO can be deposited at room temperature by RF magnetron sputtering process; however, additional thermal annealing above 300℃ is required to obtain good semiconducting properties and stability. These temperature are too high for common flexible substrates like PET, PEN, and PI. In this work, effects of microwave annealing time on IGZO thin film and associated thin-film transistors are demonstrated. As the microwave annealing time increases, the electrical properties of a-IGZO TFT improve to a degree similar to that during thermal annealing. Optimal microwave annealed IGZO TFT exhibits mobility, SS, Vth, and VH of 6.45 ㎠/Vs, 0.17 V/dec, 1.53 V, and 0.47 V, respectively. PBS and NBS stability tests confirm that microwave annealing can effectively improve the interface between the dielectric and the active layer.
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문제 정의
본 논문에서는, 기존의 고온 열처리를 대체하기 위한 방법으로 마이크로파를 이용한 저온 열처리 법을 제안하고, 이를 이용한 IGZO TFT의 전기적 특성 변화에 대해 조사하였다. IGZO 박막의 광학적 특성 평가 결과, 마이크로파 조사 시간이 증가할수록 IGZO 내 tail state와 같은 subgap state가 줄어드는 것을 확인하였다.
본 연구에서는, 저온 열처리 방법으로 마이크로파 열처리를 제안하고 이를 이용한 IGZO TFT의 전기적 특성 변화에 대해 조사하였다. 마이크로파 열처리는 마이크로파 조사 시 재료 내 격자의 진동을 통한 순간적인열 전달을 이용해 기판에 전달되는 열에너지를 최소화 하는 방법으로 잘 알려져 있으며 저온 열처리 방법으로 적합하다.
제안 방법
마이크로파 열처리는 마이크로파 조사 시 재료 내 격자의 진동을 통한 순간적인열 전달을 이용해 기판에 전달되는 열에너지를 최소화 하는 방법으로 잘 알려져 있으며 저온 열처리 방법으로 적합하다.13-15) IGZO 반도체는 sputtering 공정을 통해 증착하였으며 마이크로파 조사 시간을 10분에서 30분까지 변화시켜가며 진행하였다. 마이크로파 조사 시간이 증가 함에 따라 IGZO TFT의 전기적 특성과 신뢰성이 점차 향상되는 것을 확인하였으며 특히 마이크로파를 30분 조사하여 제조한 IGZO TFT는 300 ℃의 온도에서 열처리를 진행한 IGZO TFT보다 우수한 특성을 보였다.
1 (sccm) 비로 고정하였으며, 30 nm의 두께로 증착되었다. IGZO 박막 증착 이후 마이크로파 열처리는 조사 시간을 10분, 20분, 30분 세 조건으로 나누어 진행하였다. 마이크로파 열처리와의 비교를 위한 고온 후열처리의 경우 300 ℃의 온도에서 한 시간 동안 진행하였다.
마이크로파 열처리 및 고온 열처리를 통해 제작한 IGZO TFT의 신뢰성을 평가하기 위해서 negative bias stress (NBS)와 positive bias stress (PBS) 신뢰성을 측정하였다. PBS 신뢰성 측정에서 VG는 20 V, VD는 0.
3는 IGZO TFTs의 pristine 및 마이크로파 열처리, 고온 열처리에 따른 transfer curve를 보여준다. 마이크로파 열처리는 조사 시간에 따라 각각 10 min, 20 min, 30 min으로 표기하였다. Transfer curve는 -30 V부터 30 V의 게이트 전압(VG) 범위에서 측정하였으며, 드레인 전압(VD)은 10 V로 고정하였다.
1에 표기하였다. 제조한 IGZO TFT의 전기적 특성은 HP 4156B semiconductor parameter analyzer를 이용, 외부 빛을 차단하고 상온에서 측정하였다.
1 V로 고정하였다. 측정 시간은 총 3,600초이며, bias stress를 인가하며 600초 간격으로 문턱 전압 변화를 측정하기 위해 transfer curve를 확인하였다. Fig.
대상 데이터
IGZO 박막은 IGZO 타겟(In : Ga : Zn = 1 : 1 : 1 at%)을 이용, 고주파 Radio frequency (RF) sputtering 공정을 통해 증착하였다. 공정 중 RF power, Ar : O2 비는 각각 100 W, 30 : 0.
모든 IGZO TFT는 100 nm 두께의 SiO2 절연 막을 가지는 p++ Si 기판 위에 제조하였으며 소오스 및 드레인 전극은 150 nm 두께의 Al을 thermal evaporation 을 통해 증착하였다. IGZO, Al 전극은 쉐도우 마스크 공정을 이용해 패터닝 하였으며 채널층의 넓이(W)와 길이(L)는 각각 800 μm, 200 μm 이다. 본 연구에서 제조한 IGZO TFT의 개략도를 Fig.
IGZO 박막은 IGZO 타겟(In : Ga : Zn = 1 : 1 : 1 at%)을 이용, 고주파 Radio frequency (RF) sputtering 공정을 통해 증착하였다. 공정 중 RF power, Ar : O2 비는 각각 100 W, 30 : 0.1 (sccm) 비로 고정하였으며, 30 nm의 두께로 증착되었다. IGZO 박막 증착 이후 마이크로파 열처리는 조사 시간을 10분, 20분, 30분 세 조건으로 나누어 진행하였다.
마이크로파 열처리와의 비교를 위한 고온 후열처리의 경우 300 ℃의 온도에서 한 시간 동안 진행하였다. 모든 IGZO TFT는 100 nm 두께의 SiO2 절연 막을 가지는 p++ Si 기판 위에 제조하였으며 소오스 및 드레인 전극은 150 nm 두께의 Al을 thermal evaporation 을 통해 증착하였다. IGZO, Al 전극은 쉐도우 마스크 공정을 이용해 패터닝 하였으며 채널층의 넓이(W)와 길이(L)는 각각 800 μm, 200 μm 이다.
성능/효과
본 논문에서는, 기존의 고온 열처리를 대체하기 위한 방법으로 마이크로파를 이용한 저온 열처리 법을 제안하고, 이를 이용한 IGZO TFT의 전기적 특성 변화에 대해 조사하였다. IGZO 박막의 광학적 특성 평가 결과, 마이크로파 조사 시간이 증가할수록 IGZO 내 tail state와 같은 subgap state가 줄어드는 것을 확인하였다. 특히, 이러한 변화가 본 연구의 최적 조건인 30분의 마이크로파열처리 시에는 기존의 고온 열처리보다 더 우수한 것으로 나타났다.
후 처리를 진행하지 않은 pristine IGZO TFT의 경우, 양의 값으로 크게 치우친 Vth와 매우 낮은 μsat 등 좋지 않은 스위칭 특성을 보인다. 고온 열처리 및 마이크로파 열처리를 진행하는 경우 그 전기적 특성이 월등히 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 마이크로파 열처리의 경우 조사 시간이 10분에서 30분으로 증가함에 따라 점차 전기적 특성이 향상되며, 30분의 조사 시간에서 고온 열처리보다 우수한 전기적 특성을 보여주었다.
마이크로 파 조사 시간이 증가함에 따라 드레인 전류(ID) 값이 증가 하는 경향을 나타낸다. 또한 30분 동안 마이크로파 열처리를 진행한 IGZO TFT의 드레인 전류 값은 고온 열처리를 진행한 경우 보다 높은 ID 값을 보였다. 이는 Fig.
47의 VH와 같은 전기적 특성 보였으며, 이는 고온 열처리를 진행한 IGZO TFT 보다 더 우수한 값이다. 또한 NBS, PBS 와 같은 신뢰성 평가에서, 마이크로파 조사 시간이 증가함에 따라 IGZO 내부 결함및 반도체-절연막 간의 계면 제어를 통해 그 거동이 점차 개선되는 것을 확인하였다. 결론적으로, 저온 공정 방법 중 하나인 마이크로파 열처리는 기존의 고온 열처리를 거의 완벽하게 대체할 수 있었으며, 이를 통해 유연기판 위의 전자 소자 구현을 더 용이하게 할 수 있을 것으로 기대한다.
4 V (NBS)로 나타났다. 마이크로 파 열처리를 진행하는 경우 조사 시간이 증가함에 따라 NBS, PBS 신뢰성은 점차 향상되는 것을 확인하였다. 특히, 30분 동안 마이크로파 열처리를 진행한 IGZO TFT의 신뢰성 테스트 결과는 각각 2.
13-15) IGZO 반도체는 sputtering 공정을 통해 증착하였으며 마이크로파 조사 시간을 10분에서 30분까지 변화시켜가며 진행하였다. 마이크로파 조사 시간이 증가 함에 따라 IGZO TFT의 전기적 특성과 신뢰성이 점차 향상되는 것을 확인하였으며 특히 마이크로파를 30분 조사하여 제조한 IGZO TFT는 300 ℃의 온도에서 열처리를 진행한 IGZO TFT보다 우수한 특성을 보였다.
여기서 α는 흡수 계수, h는 plank 상수, υ는 빛의 진동 수를 나타낸다. 마이크로파 조사 시간이 증가함에 따라 IGZO 박막의 광학 밴드 갭은 후 처리를 진행하지 않은 pristine IGZO 박막 대비 점차 증가하였으며, 30 분의 마이크로파 조사 시간에서는 고온 후열처리 대비 더높은 광학 밴드갭을 가지는 것을 확인하였다. Fig.
투과율은 200 nm 에서 1,000 nm의 범위에서 자외선 가시광선 분광광도계 (UV-vis Spectrometer) 를 사용하여 측정하였다. 측정 결과, 모든 IGZO 박막은 pristine 포함, 후 처리에 관계없이 550 nm의 파장대에서 80 % 이상의 높은 투과도를 보 였다. 특히, 마이크로파 조사 시간이 증가함에 따라 IGZO 박막의 투과율은 점차 증가하였으며 일반적인 300 ℃의 고온 열처리 진행 후에도 증가하는 것을 확인하였다.
마이크로파 조사 시간이 증가함에 따라 IGZO 박막의 흡수 계수는 광학 밴드 갭 범위 내에서 점차 줄어들며, 이를 통해 IGZO 내 존재하는 subgap state가 줄어들었다고 볼 수 있다. 특히, 30분 동안 마이크로파 열처리를 진행하였을 때 나타나는 고온 열처리 대비 높은 광학 밴드 갭 및 밴드갭 범위 내 흡수 계수의 변화는 장시간의 마이크로파 열처리가 IGZO 반도체의 subgap state를 고온 열처리보다 더욱 효과적으로 감소시킨다는 것을 의미한다.
마이크로 파 열처리를 진행하는 경우 조사 시간이 증가함에 따라 NBS, PBS 신뢰성은 점차 향상되는 것을 확인하였다. 특히, 30분 동안 마이크로파 열처리를 진행한 IGZO TFT의 신뢰성 테스트 결과는 각각 2.02 V (PBS), -0.24 V (NBS)로 pristine에 비해 크게 향상되었으며, 고온 열처리를 진행한 경우보다 우수한 특성을 보였다. 이러한 마이크로파 조사를 통한 신뢰성 개선은 Fig.
고온 열처리 및 마이크로파 열처리를 진행하는 경우 그 전기적 특성이 월등히 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 마이크로파 열처리의 경우 조사 시간이 10분에서 30분으로 증가함에 따라 점차 전기적 특성이 향상되며, 30분의 조사 시간에서 고온 열처리보다 우수한 전기적 특성을 보여주었다. 30분 동안 마이크로파 열처리를 진행한 IGZO TFT는 μsat, S.
측정 결과, 모든 IGZO 박막은 pristine 포함, 후 처리에 관계없이 550 nm의 파장대에서 80 % 이상의 높은 투과도를 보 였다. 특히, 마이크로파 조사 시간이 증가함에 따라 IGZO 박막의 투과율은 점차 증가하였으며 일반적인 300 ℃의 고온 열처리 진행 후에도 증가하는 것을 확인하였다. Fig.
IGZO 박막의 광학적 특성 평가 결과, 마이크로파 조사 시간이 증가할수록 IGZO 내 tail state와 같은 subgap state가 줄어드는 것을 확인하였다. 특히, 이러한 변화가 본 연구의 최적 조건인 30분의 마이크로파열처리 시에는 기존의 고온 열처리보다 더 우수한 것으로 나타났다. IGZO TFT의 경우, 30분의 마이크로파 열처리 조건에서 6.
후속연구
또한 NBS, PBS 와 같은 신뢰성 평가에서, 마이크로파 조사 시간이 증가함에 따라 IGZO 내부 결함및 반도체-절연막 간의 계면 제어를 통해 그 거동이 점차 개선되는 것을 확인하였다. 결론적으로, 저온 공정 방법 중 하나인 마이크로파 열처리는 기존의 고온 열처리를 거의 완벽하게 대체할 수 있었으며, 이를 통해 유연기판 위의 전자 소자 구현을 더 용이하게 할 수 있을 것으로 기대한다.
참고문헌 (20)
K. Nomura, H. Ohta, A. Takagi, T. Kamiya, M. Hirano and H. Hosono, Nature, 432, 488 (2004).
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