고효율 박막 트랜지스터를 위한 산화아연 기반의 산화물 반도체 개발

Abstract

최근, 평판 디스플레이 (Flat Panel Display (FPD))는 panel의 박막화, 사이즈의 대면적화뿐만 아니라 해상도에 있어서도 기존의 Full High Definition (FHD, 1920 x 1080 pixels)에서 Ultrahigh Definition (UHD, 3840 x 4320 pixels) 및 Super Hi-Vision (SHV, 7680 x 4320 pixels)급 이상으로 고 해상도 panel에 대한 개발의 요구와 관심이 높아지고 있다. 특히 77인치 이상의 대형 Liquid Crystal Display (LCD) panel에서 high resolution (>UHD) 및 high frequency (>240 Hz)의 성능을 구현하기 위해서는 high field-effect mobility (μFE, > 10 cm2/Vs), low resistive capacitive (RC) delay 및 bias나 illumination에 대한 구동 소자인 박막 트랜지스터 (TFT, Thin-Film Transistor) 의 신뢰성 확보가 요구된다. TFT의 채널층으로서 비정질 실리콘 (a-Si, Amorphous Silicon) 또는 저온 다결정 실리콘 (LTPS, Low-Temperature Polycrystalline Silicon) 등이 고려되어 왔다. 그러나, a-Si TFT 전하 이동도가 1.0 cm2/Vs 이하에 불과하기 때문에 고이동도가 요구되는 대면적, 고해상도 응용제품으로의 적용의 한계에 도달하고 있다. a-Si TFT의 한계를 극복하기 위해서 연구 개발된 LTPS TFT의 경우 80 cm2/Vs 이상의 전하 이동도 덕분에 초고해상도 제품 구현이 가능하기 때문에 고급 패널을 구현이 가능하다. 그러나 LTPS 기술의 경우 결정화 공정과 채널/전극 오믹 접합 (Ohmic contact) 구현을 위한 이온 주입에 따른 제조원가 상승과, 결정화 공정 시간이 오래 걸려 대형 TFT 공정 생산성이 현저히 낮은 한계점을 안고 있다. 이를 극복하기 위해, 2000년도 중 후반부터 산화물 화합물 반도체를 TFT 채널층에 적용하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 특히 이에 후보로 거론되는 물질로는 산화아연 기반의 물질로 IGZO (Indium-Gallium-Zinc-Oxide)가 연구의 주를 이루고 있는 상황이다. 하지만 IGZO 산화물 반도체 역시 기술의 원천 특허 및 재료의 가격적 측면 등의 문제점을 안고 있으며, 산화물 반도체를 기반으로 제작되는 TFT의 경우 아직까지 소자의 이동도 개선 및 장기 신뢰성 확보 등의 단점을 쉽게 극복하지 못하고 있는 실정이다. 특히, bias 또는 illumination에 대한 신뢰성 확보 및 RC delay 해결을 통해 고효율의 산화아연 기반의 반도체 개발은 극복해야 할 과제가 여전히 많이 남아 있는 분야라고 할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 이러한 배경을 바탕으로 ZnO 기반 산화물 반도체를 제작하여 고이동도 및 고신뢰성 확보를 통한 고효율의 TFT를 개발하는데 그 목적을 뒀다. 이를 위해 우선, DC 마그네트론 스퍼터링 장비를 이용하여 ZnO TFT를 제작, 최적화하였고 산소 플라즈마 처리를 통해 채널과 SiNx 절연층 계면의 결함을 줄여 그 특성을 향상시킬 수 있었다. 또한, S/D 저항을 줄이기 위해 여러가지 금속을 S/D으로 도입하였고, TFT S/D series resistance, intrinsic field effect mobility (μFEi), transfer length (LT), and effective contact resistance (RCeff)를 추출하여 반도체층과 S/D 사이의 관계를 분석했다. ZnO TFT는 외부에 노출됐을 경우, 공기 중의 수분이나, 산소에 의해 특성이 변하게 되고 이를 방지할 수 있는 passivation layer가 필수이다. Passivation layer 적용을 통한 효과를 알아보기 위해 PEALD로 Al2O3, TiO2 박막을 증착하여 passivation layer 특성을 파악했고, TiO2, Al2O3 단일막 구조보다는 TiO2/Al2O3의 다층막 구조 순으로 passivation layer 특성이 우수해지는 것을 파악했다. 연구된 passivation layer를 TFT위에 증착하였고, 그 특성을 살펴본 결과, TFT의 전이특성 변화가 ALD 증착공정 중의 플라즈마에 의한 damage에 의해 발생한 것을 알아냈으며, 우수한 수분투과방지특성을 지닌 보호막을 TFT에 적용했을 때 소자특성을 향상 시킨다는 것을 파악했다. 또한 bias stress에 의한 동작 전압의 변화는 단순한 전자 이동에 의한 것이 아니라, 이온화된 H2O가 반도체 표면에서 absorption/desorption 됨에 따라서도 변화하는 것을 알아냈다. 최종적으로 본 연구에서는 IGZO TFT에 전자빔(electron beam)을 조사하여 S/D contact resistance 특성 향상을 통해서 신뢰성 향상과 소자 특성을 향상시키는 시도를 해보았다. S/D region에 국소적으로 전자빔 조사를 한 IGZO TFT의 경우, 산소결핍에 의해서 전기전도도가 향상될 뿐만 아니라, 표면거칠기의 증가로 인해 전자빔 조사 후 증착된 Cu와 IGZO 채널층과의 결합을 증가시켜 S/D contact resistance가 감소한 것을 알 수 있었고, TFT의 소자 특성 향상을 관찰할 수 있었다. 특히 본 실험을 통해 TFT의 신뢰성은 채널/전극의 contact resistance에 의해 그 특성이 좌우된다는 것을 파악할 수 있었다. 이를 통해서 전자빔 조사의 에너지와 조사선량을 적절하게 조절함에 따라서 IGZO 채널층과 metal electrode의 contact resistance 감소를 통한 성능 향상이 가능하다는 것을 밝혀 냈다. 본 연구에 사용된 저 저항의 Cu S/D contact resistance, 낮은 수분투과율의 passivation layer에 적용 가능한 전자빔 조사를 통해서 제작된 IGZO TFT는 향후, 대면적, 고해상도의 LCD 패널의 제작에 있어 우수한 소자 특성뿐만 아니라 공정 단축, 생산성의 향상 및 제조원가의 절감 등의 효과를 기대할 수 있다.