NBIS 신뢰성과 이동도를 동시에 확보하기 위한 double-stacked 활성층 비정질 IGZO 박막 트랜지스터

Abstract

본 연구에서는 NBIS(negative bias illumination stress) 환경에서 비정질 IGZO 박막 트랜지스터의 신뢰성을 향상시키기 위한 방법으로 트랜지스터의 활성층을 아르곤과 산소의 분압비를 조절하여 double-stacked 활성층 구조의 하부 게이트 박막 트랜지스터를 제조하였다. 산화물반도체를 이용한 박막 트랜지스터에서 NBIS 환경에 대한 신뢰성을 향상시키기 위하여 활성층의 산소 양을 증가시키거나 보호층을 형성하는 방법 등이 연구되었다. 하지만 활성층의 산소를 증가시키는 방법은 활성층의 전도도를 저하시켜 결과적으로 트랜지스터의 이동도를 감소시키는 문제점을 가지며, 보호층을 형성하는 방법은 추가적으로 공정이 필요하다는 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 박막 트랜지스터의 이동도는 유지하면서 NBIS 환경에 대한 신뢰성을 향상시키기 위하여 활성층 증착 시 in-situ 로 아르곤과 산소의 공정 분압비를 제어하여 적층한 double-stacked 구조를 트랜지스터의 활성층으로 적용하였다. 박막 트랜지스터의 이동도를 확보하기 위해 채널이 형성되는 영역에 낮은 공정 산소 분압 (Ar:O2=9:1)을 가지는 비정질 IGZO 박막을 형성하고, back channel 영역에는 NBIS 신뢰성 확보를 위해 공저 산소 분압이 높은 (Ar:O2=1:9) 비정질 IGZO 박막을 형성한 적층 구조의 활성층을 가지는 박막 트랜지스터를 제조하였다. Double-stacked 구조의 활성층을 가지는 박막 트랜지스터의 전기적 특성 및 NBIS 환경에서의 신뢰성에 대해 고찰하고자 적층 구조의 활성층을 공정 산소 분압이 낮은 비정질 IGZO 박막과 공정 산소 분압이 높은 비정질 IGZO 박막의 부피 분율을 각각 100:0(device A), 80:20(device B), 그리고 60:40(device C)으로 형성하였다. 그 결과 박막 트랜지스터의 포화 이동도는 double-stacked 활성층에서 공정 분압비가 Ar:O2=1:9인 비정질 IGZO 박막의 두께 비가 증가할수록 포화 이동도는 12.6cm2/Vs, 11.2cm2/Vs, 8.2cm2/Vs로 감소하는 경향을 보였다. 한편, double-stack 활성층에서 공정 산소 분압이 높은 비정질 IGZO 박막의 부피 분율이 가장 높은 device C의 경우 1000 초 동안의 NBIS 환경에서 3.2 V의 Vth shift를 나타내어 double-stacked 활성층 구조를 적용하지 않은 device A가 8.5 V의 Vth shift를 나타내는 것과 비교했을 때 double-stacked 활성층을 적용한 박막 트랜지스터가 NBIS 환경에서 개선된 신뢰성을 나타내는 것을 확인하였다. Double-stacked 활성층의 적용에 따라 NBIS 환경에서의 신뢰성이 개선되는 원인을 규명하기 위해 아르곤과 산소의 분압비가 각각 9:1, 1:9인 비정질 IGZO 박막에 대한 XPS 분석을 진행하였다. 그 결과 아르곤과 산소의 분압비가 9:1인 비정질 IGZO 박막은 산소 공공의 분율이 27.6 %를 나타내고 분압비가 1:9인 비정질 IGZO 박막에서는 20.7 %의 산소 공공의 분율을 나타냈다. 이를 통해 비정질 IGZO 공정 산소 분압은 산소 공공의 양에 영향을 미치며 이는 결과적으로 NBIS 환경에서의 신뢰성에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 이상에서 본 연구를 통해 별도의 추가공정 없이 in-situ double-stack active 비정질 IGZO 트랜지스터의 제조를 통해 간단하게 NBIS 신뢰성을 개선시킬 수 있다는 것을 확인하였으며 이와 같은 적층 구조의 활성층 응용은 이동도와 신뢰성을 동시에 간단한 방법으로 확보할 수 있는 기술이라고 판단된다.