New application of deep-UV irradiation for amorphous InGaZnO (a-IGZO) based transistor and diode

Title
New application of deep-UV irradiation for amorphous InGaZnO (a-IGZO) based transistor and diode
Author
Myeong-Ho Kim
Alternative Author(s)
김명호
Advisor(s)
최덕균
Issue Date
2018-08
Publisher
한양대학교
Degree
Doctor
Abstract
최근 새롭고, 더 빠르고, 향상된 기능을 갖는 전자기기에 대한 관심이 많아짐에 따라 이와 관련된 다양한 device에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 그 중, 유연한 device 관련 연구는 기존 전자기기와 비교하였을 때 rollable, foldable 등 과 같이 자유로운 형태 변화 및 보다 더 많은 영역으로의 응용을 가능하게하기 때문에 큰 관심을 받고 있다. Zinc oxide (ZnO) 기반의 산화물 반도체는 silicon 대비 leakage current 가 매우 낮고 mobility 가 빠르기 때문에 display back-plane 내 TFT 소자의 silicon 기반 active layer를 대체 할 수 있는 가장 유력한 후보로 잘 알려져 있으며, 이를 기반으로 유연한 TFT 소자에 관한 연구가 활발히 진행 중이다. 또한, TFT 이외의 소자 측면에서 보았을 때, 산화물 반도체의 낮은 leakage current 는 다이오드, 센서, 차세대 메모리 내 선택 소자 등과 같은 다양한 분야 내 에서도 매우 유리하게 작용될 수 있으므로 산화물 반도체를 기반으로 한 응용 확대 연구의 필요성이 최근 주목받고 있다. 따라서 본 논문에서는 산화물 반도체를 기반으로 한 TFT, 다이오드 소자 제작 및 그 특성에 대해 논하고자 한다. 본 논문에서 가장 핵심적으로 다루고자 하는 부분은 산화물 반도체 기반 TFT 와 다이오드 소자를 제작함에 있어 n+ doping 공정 및 산화물 반도체/절연체 계면 조절을 목적으로 185, 254 nm 파장대를 갖는 deep-UV 를 이용한 것이다. 사실, 산화물 TFT 에 deep-UV를 조사하는 기술은 이미 많은 연구자들에 의해 보고가 되어있으며, 기존 보고된 deep-UV 조사법은 주로 sputter process 로 증착 된 산화물 박막을 보다 더 낮은 온도에서 activation 시키거나 solution process 로 제작 된 산화물 박막을 보다 더 치밀하게 하는 목적으로 이용된다. 하지만 본 논문에서 논하고자 하는 부분은 기존 deep-UV 조사법과 비교했을 때 그 목적이 확연히 구분되며 새로운 것이다. 우선, a-IGZO 박막의 비저항을 조절 하는 목적으로 deep-UV 조사법을 이용 하였다. 상온, 상압, 대기 분위기에서 a-IGZO 박막에 deep-UV 를 조사하였을 때, deep-UV 조사 에너지가 증가함에 따라 a-IGZO 박막의 비저항이 매우 큰 폭으로 감소하는 것을 확인하였다. 이러한 결과의 원인을 oxygen deficiency 생성 및 수소 도핑 측면에서 관찰하였다. 그 결과 deep-UV 가 갖는 높은 에너지에 의해 a-IGZO 박막 내 oxygen deficiency 가 생성되거나 대기 중 존재하는 물 분자 해리를 통해 생성되는 수소 radical 에 의한 도핑 효과가 확인되었다. 추가적으로 이러한 deep-UV 효과는 Al_(2)O_(3) passivation layer 를 a-IGZO 상부에 형성시켰을 때 반영구 적인 것을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 a-IGZO 박막에 대한 deep-UV 조사법을 다양한 소자 측면으로 확대 하였으며, 그 중 첫 번째로 self-aligned coplanar TFT 내 n+ doping 영역을 형성하는 것으로 deep-UV 조사법을 응용하였다. Deep-UV 조사법을 통해 self-aligned coplanar TFT를 제작 한 후 그 특성을 평가해 본 결과 TFT 소자의 스위칭 특성, 유효채널 감소영역 및 contact 저항 측면에서 다른 방법으로 제작 된 self-aligned coplanar TFT 보다 좋은 특성을 나타냈다. 또한 다양한 스트레스 환경에서 deep-UV 조사법으로 제작된 TFT 소자의 신뢰성 및 n+ doping 영역의 신뢰성을 평가해 본 결과 매우 긍정적인 결과를 보였다. 이러한 결과는 deep-UV 조사를 통해 self-aligned coplanar TFT 내 효과적으로 n+ doping 층이 형성 되었으며, n+ doping 층의 전기적 특성 또한 다양한 스트레스 환경에서 매우 안정적이 라는 것을 의미한다. 다음으로, a-IGZO/SiO_(2)의 계면 특성을 조절 하는 목적으로 deep-UV 조사법을 활용하였다. ITO/a-IGZO/SiO_(2)/ITO 구조의 소자를 제작 후, deep-UV 조사 전 상 하부 two-terminal 구조로 전기적 특성을 평가하였을 때 단순 절연체의 특성을 확인할 수 있었다. 하지만, deep-UV를 조사 한 후 같은 방법으로 전기적 특성을 평가하였을 때 leakage current 가 매우 낮고 on/off ratio 가 매우 큰 다이오드 특성을 나타냈다. 이러한 결과의 원인을 판단하기 위해 deep-UV 조사 전/후 각각의 구성 layer 가 이루는 계면층을 확인한 결과, deep-UV 조사 후 a-IGZO/SiO_(2) 계면에서 확연하게 눈에 띄는 inter-layer층이 생성된 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 deep-UV 조사법에 의해 a-IGZO/SiO_(2) 계면에 형성 된 inter-layer 층이 ITO/a-IGZO/SiO_(2)/ITO 구조를 갖는 소자의 다이오드 특성 구현에 결정적인 역할을 한다고 말할 수 있다. 결과적으로, 본 논문에서는 상온, 상압, 대기 중에서 진행되는 deep-UV 조사라는 매우 간단한 방법으로 a-IGZO 박막의 비저항을 손쉽게 조절 할 수 있었고, 이를 통해 매우 효과적으로 self-aligned coplanar 구조의 TFT를 제작할 수 있었다. 추가적으로, deep-UV 조사를 통해 기존 산화물 다이오드와는 메커니즘 적으로 차별성 있는 새로운 방식의 산화물 다이오드를 성공적으로 제작 할 수 있었다. 따라서 산화물 반도체에 대한 deep-UV 조사법의 새로운 응용 방법을 논한 본 논문은 디스플레이 및 전자 소자관련 기술 트렌드의 빠른 변화를 가져올 것으로 기대된다.
In recent, a researches about various electronics to satisfy desire of customer have been actively conducted. Among them, the research about flexible electronics is prime concern because it is possible not only change the shape of electronics but also widens the application range of the electronics. However, to date, most of electronic devices are based on silicon material, which has non-flexibility characteristics. For this reason, it need to find for new materials to overcome such a problem. Zinc oxide (ZnO) based oxide semiconductor is known to be one of the candidates because of its wide range of application such as electronics and optoelectronics. Especially, it has proven itself as an attractive material for active layer of oxide TFT in display back-plane due to its transparency in visible light region, low leakage current, and high mobility. Additionally, the research about application of oxide semiconductor to diode, sensors, and memories is also prime concern because these applications could be considered as one of the key technologies to satisfy the desire for consumer in various electronics. Therefore, the main purpose of this thesis is to discuss the fabrication technique and electrical characteristics of oxide based TFT and diode. The most critical part of this thesis is to apply deep-UV with 185 and 254 nm wavelength to fabricate the oxide based TFT and diode. Actually, there have been several reports on the application of deep-UV irradiation in oxide based TFTs. The deep-UV irradiation for oxide TFTs is commonly utilized in the low temperature activation of sputter-processed a-IGZO and densification of solution-processed a-IGZO. However, the purpose of the deep-UV technique applied in this thesis is clearly distinguished for the conventional method. First, the deep-UV technique was used to control the resistivity of a-IGZO film. After the deep-UV irradiation on the a-IGZO film, the resistivity of the a-IGZO film drastically decreased from 9.4 x 10^(7) to 6.6 x 10^(-3) Ω cm. This result means that the deep-UV irradiation can be an effective technique to reduce the resistivity of a-IGZO film at room temperature. The origin of the deep-UV effect was closely related to oxygen deficiency creation and hydrogen incorporation because it has high photon energy to break M-O bonds and water molecule. Additionally, the resistivity of deep-UV irradiated a-IGZO film showed good stability even after 3 years –10 month air-aging. Based on this result, the deep-UV technique was applied to make n+ doping region in self-aligned coplanar a-IGZO TFT. The self-aligned coplanar a-IGZO TFT fabricated by deep-UV irradiation showed good switching properties, low contact resistance and channel length modulation. The good switching property and low contact resistance were attributed to the high doping capability of the deep-UV n+ doping technique. Additionally, stability behavior of the TFTs was evaluated under various operation conditions. During the stress, the devices showed good stability behavior under all of the stress conditions. Additionally, the electrical characteristics of the n+ doping region formed by deep-UV irradiation showed also good stability under PBTS. Finally, the deep-UV technique was also applied to control interface between a-IGZO and SiO_(2) layer. The device showed rectifying characteristics with low leakage current and high on/off ratio after the deep-UV irradiation. It was confirmed that the origin of the result was attributed to the inter-layer between a-IGZO and SiO_(2) generated by deep-UV irradiation by TEM analysis. Therefore, it implies that the inter-layer act as stepping stone to rectifying behavior and it is clearly distinguished from all previous oxide semiconductor based diode. Consequently, in this thesis, the resistivity of the a-IGZO film can be easily controlled and thus the self-aligned coplanar a-IGZO TFT was fabricated by the very simple deep-UV irradiation. Additionally, the MOIM structured oxide diode that has new conduction mechanism was successfully fabricated by the deep-UV technique. Therefore, it was expected that the new application of the deep-UV technique for the oxide semiconductors can bring about rapid change in technology trends in the industries of display and electronics.
URI
http://dcollection.hanyang.ac.kr/common/orgView/000000106913http://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/75721
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GRADUATE SCHOOL[S](대학원) > MATERIALS SCIENCE & ENGINEERING(신소재공학과) > Theses (Ph.D.)
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