고성능 산화물 TFT 응용을 위한 용액공정 기반 Al-Y-O 박막 증착 및 특성 분석

Abstract

본 연구에서는 비정질 실리콘 반도체 대비 고 이동도를 달성하면서도 투명한 성질을 가지는 산화물 반도체를 이용하여 연구를 진행하였다. low cost와 다양한 조성비를 손쉽게 제작할 수 있는 인쇄기반 공정 중 용액 공정 방법을 이용하여 고유전체박막을 형성하여 우수한 소자 특성을 갖는 a-IZO TFTs를 제작하는 연구 하였다. 본 연구에서는 얇은 두께에서도 우수한 절연특성과 소자 성능을 보장하기 위하여 삼성분계 alloying을 통한 양이온 비율 최적화를 달성하였다. 이때 얇은 두께에서 누설전류밀도를 최소화하기 위한 절연 박막 물질 선정에 있어서, 넓은 밴드 갭과 high-k를 갖는 두 가지 물질을 선택하는 전략을 설정하였다. 첫째로, 9 eV를 갖는 넓은 밴드 갭 특성을 갖는 Al2O3 와 ∼20 의 high-k 값을 갖는 Y2O3의 cation alloying effect를 활용하였다. 둘째로는 절연 박막에서 요구되는 매끄러운 표면특성과 고밀도 박막 특성을 위해 최적화된 박막의 비율선정이다. 최적화된 Al0.4Y1.6O3 유전박막의 절연 특성을 확인하기위해 금속-유전체-금속 (MIM) capacitor를 제작하여 k = 19.5, 두께 37nm를 측정하였으며 Jg-E 커브에서 누설전류밀도는 1.1×10-8로 매우 우수한 절연특성을 확인하였다. 용액공정기반 Al0.4Y1.6O3 유전박막 a-IZO TFTs를 제작하여 μSAT = 52.9 cm2/Vs, S.S facot는 0.19V/decade, ION/OFF 비율 3.6×106의 우수한 소자 성능을 갖추었다. 또한 Al2-xYxO3 박막의 엄격한 미세구조 분석을 위해 high-resolution Transmission Electron Microscopy (HR-TEM)을 활용하여 Al0.4Y1.6O3 박막이 nanoscale grain 구조를 확인하였고, Al 이온(0.45Å)과 Y 이온(0.88Å)의 이온반경 차이와 최적의 비율을 활용하여 박막밀도향상과 뛰어난 표면특성을 갖출 수 있었다.