금속 반응법을 이용한 저온공정 기반의 고이동도 산화물 박막 트랜지스터 소자 개발에 대한 연구

Abstract

본 논문은 금속 반응법을 이용하여 250 ℃ 이하의 저온공정으로 Indium Gallium Oxide (IGO) Thin-Film Transistors (TFTs)의 소자 성능 향상에 대한 연구를 진행하였다. 기존 금속 반응법을 이용한 산화물 반도체 기반의 TFT는 400 ℃ 이상의 고온에서 결정화되는 특성을 이용하여 TFT의 성능을 향상 시켰다. 하지만 400 ℃ 의 온도는 250 ℃ 이하의 공정 온도 제약이 있는 유리 기판 및 플라스틱 기판에 활용이 제한되어 차세대 디스플레이 분야인 Flexible/Stretchable 디스플레이에 적용이 어렵다. 또한 고해상도 회로 내장을 위해 고이동도 TFT의 개발이 필요하다. 따라서 IGO 산화물을 이용하여 bottom gate 구조에서 250 ℃ 저온공정에서의 소자 안정성을 확보하고, IGO 채널층 위에 Tantalum (Ta) 금속 촉매층을 증착 후 후속 열처리를 통해 소자의 이동도를 향상시켰다. 이러한 전기적 특성 향상의 원인은 채널 내부의 증가된 M-O 결합으로 판단된다. 전이금속인 Ta의 전자가 채널로 확산되어 약하게 결합되어 있는 M-O 결합을 끊고, 후속열처리를 통해 끊어진 결합들이 강한 M-O 결합을 형성하여 carrier path의 역할을 하는 것으로 보고있다. Control device 인 Ta 촉매층을 증착하지 않은 TFT의 성능은 Field-effect Mobility (μFE) = 29.29 cm2/Vs, Subthreshold swing (SS) = 0.32 V/decade, 문턱 전압 (VTH) = 0.93 V, 점멸비 (ION/OFF) = 2.7 × 106 을 나타냈다. Ta 촉매층을 사용한 TFT 소자에서는 μFE = 76.9 cm2/Vs, SS = 0.2 V/decade, VTH = 0.03 V, ION/OFF = 5.3 × 108 성능이 매우 향상된 결과를 얻을 수 있었다. 이러한 금속 반응법을 이용한 250 ℃ 미만의 저온 공정은 차세대 디스플레이인 Flexible/Stretchable 한 특성을 갖는 기판에 적용가능하고 고이동도 특성은 고해상도 디스플레이에 적용가능 할 것이다.