A study of Indium Tin Gallium Oxide (ITGO) Semiconductor using PEALD SiO2 passivation layer for Thin-film Transistors

Abstract

산화물 TFT는 기존에 주력으로 사용되고 있는 LTPS TFT 대비 전기적특성, 공정의 간소화로 인한 비용 절감, 그리고 대면적화의 용이성을 만족시킬 수 있는 경쟁력을 갖춘 재료로써 활발히 연구되고 있다. 그 중에서도 Indium-Gallium-Zinc Oxide (IGZO) TFT가 양산에 성공하였고, 연구 역시 가장 널리 진행 중에 있으나, 고해상도를 요구 하는 시장에 맞추기 위해서는 이동도 성능이 더욱 향상 되어야 하는 과제가 남아있다. 따라서 이번 연구에서는 Tin을 도핑하여 전기적 특성을 향상을 목표로 Indium-Tin-Gallium Oxide TFT를 제안하여 공정 최적화 및 passivation layer를 통한 신뢰성 개선 효과를 확인하였다. RF magnetron sputtering 방식을 이용한 ITGO oxide semiconductor film은 현재 양산되어지고 있는 IGZO film에 비해 향상된 electric performance를 갖도록 제조할 수 있었으며, 이상의 결과를 간단히 요약하면 다음과 같다. 1) ITGO film의 XPS peak에 의한 chemical composition을 분석해 보면, oxygen pressure가 40%일 때 oxygen-related defects가 10 으로 높게 나타나는 것으로 분석되었다. 따라서 post heat treatment 공정 시, 이 oxygen vacancies와 관련된 defects의 농도가 증가하며 자유 전자를 방출하여 mobility등의 electrical performance가 향상되는 경향을 보인다. 그러나 이러한 defects가 bias stability에서는 post heat treatment 온도의 증가에 따라 과도한 자유 전자를 방출하게 되어 negative 방향의 Vth 변화를 더 현저하게 나타냄을 확인할 수 있었다. 2) 비저항률은 산소분압이 상승함에 따라 증가하는 양상을 보여주며, 0%의 산소분압일 경우에 가장 낮은 값을 보여주었다. annealing 온도가 300℃의 고정 조건 하에서, 산소분압 0%의 비저항률은 9.05×10-3Ω㎝ 이었고, 20% 일 때는 1.39×10+3Ω㎝, 그리고 40%일 때는 5.65×10+3Ω㎝ 이었다. 3) 산소분압이 상승하면 carrier concentration 및 hall mobility는 저하하는 경향을 나타내었고, 비저항 값의 변화와 비교해보아도 carrier concentration의 감소와 연관되는 것임을 쉽게 알 수 있었다. 4) RF magnetron sputtering 으로 ITGO thin film을 증착 시, 산소분압을 높여서 제작 후 열처리를 하면 여러 전기적 특성이 우수해지지만, bias stress stability에서는 약간 특성이 감소됨을 확인하였다. 이것은 대부분 높은 산소분압에서는 음이온 손상에 의한 절연막 계면에서의 trap 형성을 주요 원인으로 보고 있다. 그러므로 semiconductor layer를 증착할 때, interface에 trap 형성을 최소화 하는 공정의 연구가 더 필요하다.이번 연구에서 제안한 ITGO film이 현재 양산 중이면서 가장 활발히 연구되어지는 IGZO film 보다 우수한 전기적 특성을 낼 수 있는 가능성과 그에 따른 공정 조건을 확인하였다. 또한, 전체 공정을 400℃ 이하로 구현함으로써 향후 flexible Display와 같이 저온 공정이 필요한 new application 의 적용 가능성도 확인 하였다.; The oxide thin-film transistor (TFT) has been actively studied as a material that has a competitive capability to meet needs from current display market. It has many outstanding characteristics such as the electric characteristics, cost reduction due to the simplicity of the process, and easiness of implementation for large-area compared with the low temperature poly silicon (LTPS) TFT which is used mainly as the display market. Among them, Indium-Gallium-Zinc Oxide (IGZO) TFT has succeeded in mass production, and research is also proceeding most widely. However, the electrical mobility has to be further improved in order to meet the market demanding, such as high resolution and fast response time. Therefore, in this study, we proposed the Indium-Tin-Gallium Oxide TFT with the aim of improving the electrical characteristics by doping Tin, and confirmed the reliability improvement through optimized process recipe and a proper passivation layer. ITGO oxide semiconductor film using RF magnetron sputtering method could be fabricated to have improved electric performance compared to IGZO film which is mass produced at present, and showed optimum electrical characteristics when oxygen partial pressure was 40%. In order to prevent the degradation of stability from the outside atmosphere by depositing 100-nm-thick SiO2 passivation layer through PEALD and finding the optimum post-heat treatment temperature of 400℃. According to these optimized conditions, the following electrical characteristics were obtained. The threshold voltage, field-effect mobility, and subthreshold swing value showed -2.64V, 54.79 cm2/Vs, and 0.24V/decade, respectively. In this way, the ITGO film proposed in this study is now in mass production, and the possibility of obtaining electrical characteristics superior to the most actively studied IGZO film and the process conditions therefor are confirmed. In addition, by implementing the entire process at 400℃ or less, it is confirmed that the application of a new application requiring a low-temperature process such as a flexible display is possible in the future.