[보고서]산화물 기반 고성능, 고신뢰성 투명 박막 트랜지스터의 구현을 위한 새로운 박막재료 성장기술 및 소자 공정기술 개발

산화물 기반 고성능, 고신뢰성 투명 박막 트랜지스터의 구현을 위한 새로운 박막재료 성장기술 및 소자 공정기술 개발
Development of novel thin film materials and device fabrication technologies for oxide-based transparent thin film transistors with high performance and reliability 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	한양대학교 HanYang University
보고서유형	최종보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2012-12
과제시작연도	2011
주관부처	교육과학기술부 Ministry of Education and Science Technology(MEST)
등록번호	TRKO201300011996
과제고유번호	1345154748
사업명	중견연구자지원
DB 구축일자	2013-08-26
키워드	산화물박막 트랜지스터.투명 반도체 박막.투명 전자소자.마스크 절감 소자 설계.그레이톤 마스크.TFT 공정기술.전계효과 이동도.광투과율.저온 공정.Oxide thin films.Transparent electronic devices.Oxide-TFTs.Mask-reduction method.Gray-tone mask.High-mobility oxide thin films.Optical transmittance.Stress effects.Degradation mechanism.
DOI	https://doi.org/10.23000/TRKO201300011996

초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 연구에서는 투명 박막 트랜지스터(thin film transistor, TFT)를 구성하는 산화물(oxide) 기반의 채널(channel) 반도체층, 게이트(gate) 절연체층 및 소스/드레인(source/drain) 전극 도전체층 등 각 단위 박막재료의 우수한 물성 확보를 위한 박막 성장기술 개발 및 소자 제작공정의 최적화를 위한 새로운 mask-level 저감기술 개발 등에 대한 체계적인 연구를 수행하고, 이를 통하여 차세대 평판 디스플레이의 구동 소자로서 상용화가 가능한 산화물 기반 고성능, 고신뢰성 투명 박막 트랜지스터를 구현하였다.
연구결과
본 연구에서 도출된 주요 연구개발 내용을 요약하면 아래와 같다.
● 고이동도 채널층 박막 개발을 위한 산화물 박막 성장 및 도핑 기술
● 다양한 방법을 통한 산화물 박막의 캐리어 농도 제어 기술
● 산화물 기반 저저항 투명 전극 물질 개발
● 다양한 구조의 산화물 기반 투명 TFT 설계 최적화
● GTM(gray-tone mask) 개념을 이용한 Oxide-TFT 제조공정 단순화 기술
● 다양한 산화물 박막재료를 이용한 투명 TFT의 제작 및 특성평가 기술
● 산화물 박막 기반 투명 TFT의 소자 특성에 대한 신뢰성 향상 기술
● 산화물 박막 TFT array 제작 및 상용화 기술
본 연구의 수행을 통하여 지난 3년간 도출된 주요 성과를 요약하면 다음과 같다.
● 10편의 SCI 논문(Applied Physics Letters, IEEE Electron Device Letterss 등) 게재를 통한 산화물 기반 차세대 투명 디스플레이 구동용 TFT 연구의 독자적 이론 정립
● 산화물 투명 TFT 제작 관련 국내특허 2건 출원·등록을 통한 지적재산권 확보 및 산업체(LG Display) 연계 상용화 기반 구축
● 디스플레이 및 반도체 분야의 공학박사 4명 배출 등 석·박사 전문인력 양성
연구결과의 활용계획
본 연구에서 개발한 산화물 기반 투명 박막 트랜지스터는 기존의 실리콘 기반 박막 트랜지스터와 비교하여 낮은 제작온도에서도 우수한 전기적 특성 및 가시광선 영역에서의 높은 광투과율을 가질 수 있기 때문에 차세대 디스플레이로 각광받고 있는 플렉서블(flexible) 디스플레이 뿐 아니라 LCD 및 OLED 등의 새로운 구동소자로서 탁월한 성능을 확보할 수 있으며, 나아가 기존의 실리콘 기반 반도체 소자와는 차별화된 투명 CMOS-IC, Sensor, Smart Windows 및 LED 등과 같은 다양한 투명 전자소자/부품 분야의 세계시장을 개척할 것으로 기대된다. 특히, 본 연구에서 개발한 2개의 포토마스크를 이용한 박막 트랜지스터 공정기술은 기존의 실리콘 기반 박막 트랜지스터가 현재 사용하고 있는 3~5개 포토마스크 공정에 비하여, 제조단가 및 제조시간을 획기적으로 개선함으로써 생산효율의 향상에 기여하는 바가 매우 클 것으로 기대된다.

Abstract ▼

Purpose & contents
The purpose of this project is to develop novel thin film materials and device fabrication technologies for oxide-based transparent thin film transistors with high performance and reliability.
Result
The main results obtained through this project are as follows:
● Deposition of high-mobility oxide thin films
● Enhancement of electrical properties of oxide thin films via various methods, such as injection of additive gases, plasma post-treatment, and thermal annealing
● Deposition and characterization of oxide-based transparent electrode thin films
● Fabrication of oxide-based TFTs
● Development of mask-reduction technology for oxide-TFTs using a GTM method
● Investigation of degradation mechanisms in oxide-TFTs
● Development of fabrication technology for oxide-TFT arrays
The main achievements of this project are as follows:
● Publication of 10 SCI papers (in Applied Physics Letters, IEEE Electron Device Letters, etc.)
● Registration of 2 domestic patents
● 3 Ph. D. students and 5 M. S. students are produced.
Expected Contribution
The issue performed in this project is thought to be essential for the implementation of oxide-based transparent displays and the results achieved through this project, such as low-temperature deposition and property enhancement technologies of oxide thin films, a novel mask reduction method for transparent-oxide TFTs, and reliability enhancement methods, will be extensively utilized in related industrial fields.

목차 Contents

중견연구자지원사업(핵심연구) 최종보고서 ... 1
목차 ... 3
연구계획 요약문 ... 4
연구결과 요약문 ... 5
한글요약문 ... 5
SUMMARY ... 6
연구내용 및 결과 ... 7
1. 연구개발과제의개요 ... 7
2. 국내외 기술개발 현황 ... 9
3. 연구수행 내용 및 결과 ... 13
4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 64
5. 연구결과의 활용계획 ... 66
6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 71
7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 74
8. 공동연구책임자 대표적 연구실적 ... 75
9. 참고문헌 ... 76
10. 연구성과 ... 77
11. 기타사항 ... 86

표/그림 (71)

표 기존의 실리콘 기반 TFT 및 산화물을 이용한 Oxide-TFT의 소자별 장단점 비교
표 LG전자의 IGZO AMOLED panel 시제품 (SID '07) (a) 소자 구동용 산화물 TFT의 구조, (b) 3.5'' QCIF + full-color AMOLED panel의 데모 이미지
표 삼성전자의 15'' XGA AMLCD 시제품 (SID '08) (a) Staggered bottom gate 구조의 IGZO TFT, (b) 15'' XGA AMLCD의 panel 데모 이미지
표 Si-based TFT-array의 표준공정(5-mask)
표 TFT-array의 mask-level 저감개발추이
표 Variation in the thickness of ZnO films as a function of (a) in-situ gas addition and (b) plasma post-treatment.
표 Variation in the resistivity of ZnO films as a function of (a) in-situ gas addition and (b) plasma post-treatment.
표 Transmittance spectra of ZnO flims: (a) in-situ (O2/H2), and (b) Ar and Ar+H plasma post-treatment.
표 Plot of (αhν)2 vs. photon energy for ZnO films: (a) in-situ gas addition and (b) plasma post-treatment.
$X-ray diffraction patterns of ZnO films.$ 표 X-ray diffraction patterns of ZnO films.
표 AFM images of ZnO films: (a) as-grown, (b) Ar plasma-treated, (c) Ar+H plasma-treated.
표 Schematic diagram of a-IZO TFT structure and the equivalent resistance components.
표 Resistivities of a-IZO films as a function of Ar-plasma and H2-plasma posttreatments.
표 Transfer characteristics of a-IZO TFTs that were (a) Ar-plasma-treated and (b) H2-plasma-treated.
표 The width-normalized on-resistances (measured at VDS=10V and VGS=20V) of a-IZO TFTs: (a) Ar-plasma treatment and (b) H2-plasma treatment.
표 XPS spectra for O 1 s in a-IZO films: (a) as-deposited (i.e., non-treated), (b) Ar-plasmatreated, and (c) H2-plasma-treated.
표 Effects of Ar- and H2-plasma treatments on optical transmittances of a-IZO films. The inset represents the average transmittance.
표 Comparison of device parameters estimated from a-IZO TFTs (non-treated, Ar-plasmatreated, and H2-plasma-treated).
표 Relative strength of chemical components estimated from XPS O 1 s spectra of a-IZO films.
표 Transfer characteristics of a-IGZO TFTs with different power in rf sputtering method.
표 O1s peak deconvolution of XPS spectra for IGZO films with different power (a) at 0 min, (b) 0.7 min, and (c) 1.6 min of sputtering time. The dashed lines indicate O1s binding energy of peak I at 30 W depending on XPS sputtering time
표 The evolutions of ΔVth in a-IGZO TFT at 30 and 60W in rf power under thermal stress from 298 to 353 K.
표 Subgap DOSs with rf power in sputtering method extracted by MFM method. The dash line indicates the energy of (EC –0.4 eV).
표 Relative strength of chemical components estimated from XPS O 1 s spectra of a-IZO
표 Summarization of XPS depth profile of a-IGZO films deposited at 30, 60, and 90 W of rf power.
표 SIMS profiles for hydrogen in unhydrogenated and hydrogenated ZnO films.
표 Variation in the resistivity of ZnO films as a function of H2 flow rate during deposition
$X-ray diffraction patterns of ZnO films as a function of H2 flow rate during deposition.$ 표 X-ray diffraction patterns of ZnO films as a function of H2 flow rate during deposition.
표 Device characteristics of ZnO-based TFTs as a function of H2 gas addition: (a) transfer curves and (b) drain saturation currents.
표 Schematic description of ZnO atomic structures: (a) without hydrogen and (b) with hydrogen.
표 Variation of transfer curves in TFTs, using (a) ZnO-channel without H2 addition, (b) ZnO-channel with H2 addition of 0.1 sccm, and (c) ZnO-channel with H2 addition of 0.3 sccm, as a function of air-exposure time, VDS: 10 V.
표 XPS spectra for O 1s of unhydrogenated and hydrogenated ZnO films, measured before exposed ((a), (c), and (e)) and after exposed for 24 h ((b), (d), and (f)).
표 Transfer curves of SIZO-TFTs with different Si concentrations.
표 The DOSs of SIZO-TFTs extracted from MFM technique.
표 O 1 s XPS spectra of (a) 1SIZO and (b) 3SIZO films.
표 XPS spectra of SIZO-TFTs with different Si concentrations. (a) Zn 2p3/2 peaks (b) In 3d5/2 peaks, respectively.
표 The evolutions of transfer curves of SIZO-TFTs with different Si concentrations under PBS. (a) ΔVth ∼1.0V for 1SIZO-TFT, (b) ΔVth ∼5.2V for 3SIZO-TFT, respectively.
표 Transfer curves of SIZO-TFTs with different Si concentrations.
표 The DOSs of SIZO-TFTs with different AL thickness extracted from MFM technique.
표 (a) Transfer curves and (b) the frequency dependent C-V curves of SIZO-TFTs with different AL thickness.
표 The evolutions of transfer curves of SIZO-TFTs with different AL thickness under TS. (a) ΔVth∼4.28V for 18 nm thick SIZO-TFT, (b) ΔVth ∼4.93V for 31 nm thick SIZO-TFT, and (c) ΔVth ∼4.95V for 40 nm thick SIZO-TFT, respectively.
표 The Ea as a function of Vgs of SIZO-TFTs with AL thickness. The inset shows the FRs depending on AL thickness.
표 The variation of Nit and ΔVth with AL thickness. The inset shows the FRs and ΔVth depending on the Nit.
표 Summarization of electrical properties of SIZO-TFTs with AL thickness.
표 Proposed a-IZO single- or double-channel layer TFT structure.
표 Transfer characteristics of monolayer a-IZO TFT that were O2/Ar mixing ratio varied.
표 ToF-SIMS depth profile of 2-step deposition a-IZO TFT.
표 Transfer characteristics of 2-step deposition a-IZO TFT that were (a) 1-step thickness varied at O2/Ar mixing ratio 0%, (b) 1-step thickness varied at O2/Ar mixing ratio 5%, and (c) 2-step thickness and O2/Ar mixing ratio varied.
표 Current path of 2-step deposition a-IZO TFT: (a) on-state and (b) off-state.
표 Transfer characteristics comparison between 1-step and 2-step deposition a-IZO TFT.
표 Transfer curves of 30 nm thick SIZO- and GIZO-TFT fabricated at their optimized process conditions, respectively.
표 Subgap DOSs in the energy band gap of amorphous SIZO- and GIZO-TFT. DOSs were extracted from MFM technique using C–V measurements with different frequencies.
표 The evolutions of transfer curves of SIZO- and GIZO-TFT under temperature induced stress. (a) The Vth shift is 1.32 V for amorphous SIZO-TFT and (b) Vth shift is 1.51 V for amorphous GIZO-TFT, respectively.
표 The EA as the function of gate voltage for SIZO-TFT and GIZO-TFT, respectively.
표 The variations of electrical properties (a) in Vth and μFE (b) Ion–off ratio and SS for SIZO- and GIZO-TFTs under thermal stress in temperature range from 293 K to 353 K.
표 Summarization of electrical properties for SIZO- and GIZO-TFT.
표 Schematic diagrams for the transparent oxide TFTs. (a) Flat-plane drawing. (b) Cross-sectional drawing between A and A‘ in (a).
표 Optical microscopic image, thickness data obtained from the measurement between A and A‘ and the cross-sectional shape at each processing phase. (a) After GTM process, (b) after O2 plasma ashing, and (c) after IZO etching.
표 Electrical characteristics of the transparent oxide TFTs. (a) Output characteristics and (b) transfer characteristics.
표 Comparison of transmittances measured from SiO2/glass and IZO/IGZO/SiO2/glass. The inset shows the actual image of the bare glass and transparent-oxide TFTs constructed on a 20 × 30-mm
표 본 연구들 통하여 제안된 대한민국 등록특허 10-1051586의 대표도
표 중국의 희토류 수출 쿼터량 및 국제시장 수요량 (단위 : 톤)
표 인듐 금속의 연도별 가격 변동 추이
표 열처리를 통한 ITO 박막의 구조 변화
표 플라스틱 기판의 한계 온도
표 ZnO 박막의 원자 구조 및 결함들의 에너지 대역
표 IGZO-TFT의 산소 흡착에 따른 특성 불안정성의 사례
표 Sputtering으로 증착된 ITO 박막의 반복적인 기계적 자극에 의한 표면형상 변화 (crack 발생)
표 Crack 발생에 의한 ITO 박막의 표면 저항 변화
표 산화물 기반 박막 트랜지스터 개발에 대한 국내외 연구결과
표 산화물 박막 기반 투명 전극 개발에 대한 국내외 연구결과

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