산화 아연 기반 박막 트랜지스터의 특성 향상에 관한 연구

Abstract

Thin film transistors (TFTs) based on oxide semiconductors have emerged as a promising technology, particularly for active-matrix TFT-based backplanes, such as active-matrix liquid crystal display (AMLCD) devices, which are large flat panel display products with ultra-high definition and a high frame rate. In addition, transparent thin film transistors (TFTs) based on oxide semiconductors have been intensively studied as alternative active-matrix backplanes for next generation flat panel displays. Oxide semiconductor-based TFTs have several advantages compared with conventional amorphous silicon (a-Si) TFTs, such as low temperature processing, excellent uniformity due to the amorphous nature of the oxide and high saturation field effect mobility. Zinc oxide-based thin film transistors (TFTs) are of great interest for application in next generation flat panel displays backplane. Most research has been based on amorphous indium-gallium-zinc oxide (IGZO) TFTs, because of their reproducibility, uniformity, low process temperature, high transparency, and surface smoothness. In IGZO system, gallium acts as a suppressor of carrier generation in IZO system due to its high oxygen binding energy and indium acts as an enhancer of mobility due to its large 5s orbital. Similarly, there are many approaches for substitution of Ga and In in ZnO system, using AlZnSnO, ZrInZnO, and GaSnZnO. The goal of this thesis is the fabrication and improvement characteristics of ZnO-based TFTs devices. This thesis contains the first detailed electrical characterization study of Zinc-Oxide TFTs, Hafnium-Zinc-Oxide TFTs and Hafnium-Zinc-Tin-Oxide TFTs. The most significant achievement contained herein is the fabrication and characterization of highly stable HZTO-TFTs under bias temperature stress. Also, the electrical properties of oxide semiconductors are significantly affected by interactions with the outside atmosphere. Jeong et al. reported that the channel of the IGZO TFTs is very sensitive to water vapor adsorption. Therefore passivation layers are necessary for long-term current stability in the operation of the oxide-based TFTs. In this regard, we report on the preparation of atomic layer deposition (ALD) of Al2O3 and TiO2 thin films as passivation layers and their suitability for stable ZnO-based TFTs. Finally, these results demonstrate that doping on channel layer of ZnO-based TFTs and passivation layers can effectively enhance the performance of ZnO-based TFT devices. So, this results promising candidates as operational devices for next-generation electronics.| 디스플레이(Display)란 데이터(문자, 도형, 그래프)를 시각적으로 화면에 표시해주는 장치를 말한다. 디스플레이는 내부에 어떤 내용물을 저장 할 수도 없고, 사람들의 호기심을 자극하는 화려한 디자인도 없지만 IT 및 가전 산업의 꽃으로 자리매김하고 있다. 현 시대가 반도체의 발달에 의해 컴퓨터가 발달하고 다양한 정보를 저장 할 수 있게 돼 대용량의 정보를 표시하는 디스플레이의 발달은 필연적인 결과이기 때문이다. 디스플레이의 종류 및 모드에 상관없이 공통적으로 요구되는 핵심요소로서 단위 화소의 계조 표현에 필수적인 TFT (Thin Film Transistor) array 기술을 들 수 있다. 차세대 초대형 고해상도 LCD 디스플레이 및 OLED 디스플레이용 TFT의 채널층으로서 a-Si과 polycrystalline Si 등이 사용되어 왔으나, 전자의 이동 속도가 (< 0.5cm2/Vs) 정도여서 60인치 이상의 초대형 화면에서는 고해상도, 고속구동 실현이 어려우며, 제조 공정상의 문제 등을 가지고 있다. 기존 실리콘 기반의 TFT 기술의 대안으로 현재 가장 유력한 기술은 ZnO 기반의 Oxide TFT 소자이다. Oxide TFT 소자는 별도의 결정화와 도핑공정을 필요로 하지 않기 때문에 기판 대형화라는 관점에서 poly-Si 방식과 비교했을 때에 매우 유리하다. 또한 TFT 소자 특성 중 대표적인 이동도의 경우 Oxide TFT 소자는 a-Si TFT 소자에 비해 10배 이상 우수한 약 10cm2/Vs 수준을 가지고 있어 Oxide TFT 소자는 a-Si과 poly-Si TFT 소자의 장점을 동시에 보유하고 있다. 하지만 산화물 반도체를 기반으로 제작되는 TFT의 경우 아직까지 소자의 이동도 개선 및 장기 신뢰성 확보 등의 단점을 쉽게 극복하지 못하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 크게 두 가지 방법을 통해 산화물 박막트랜지스터의 이동도 및 신뢰성 향상을 모색하였다. 먼저 ZnO 기반의 산화물 박막트랜지스터를 벗어난 신규 재료 확보를 위해 Hf(Hafnium)과 Sn(Tin)을 ZnO(Zinc oxide) 기반에 첨가하여 장기 신뢰성을 확보하는 연구를 하였다. Hf과 O(Oxygen) 사이의 높은 결합에너지에 의해 Zn와 O의 결합 사이에서 발생하는 defect을 조절 할 수 있었으며, 이로부터 바이어스 스트레스에 대한 신뢰성을 확보할 수 있었다. 또한 Sn의 큰 이온반경으로부터 비정질상을 갖게 되었고, 높은 이동도가 확보된 산화물 TFT를 구현하였다. 또한, 디스플레이의 장수명화, 더 나아가 향후 미래 디스플레이 기술 중 하나인 flexible display에 적용을 위해서는 박막 passivation 공정이 필수적이다. 현재 보호막 개발은 SiO2, SiNx, Al2O3, TiO2 등의 무기물을 이용한 단일막, 무기물을 교대로 증착한 다층막, 무기물과 유기물을 교대로 증착한 다층막 등 다양한 형태가 있다. 본 연구에서는 단일막, buffer layer, multi-layer 구조를 도입해 보호막으로 적용시켜 투습률, 경시변화, 그리고 소자의 바이어스 특성 측정을 하였다. 그 결과 이를 통해 산화물 기반의 박막 트랜지스터, 더 나아가 flexible 디스플레이 소자의 보호막으로서 매우 가능성이 있는 것으로 사료되었다. 본 연구 결과를 통해서 ZnO 기반의 박막트랜지스터가 신규 재료적용과 passivation 공정 도입을 통해서 차세대 디스플레이 backplane의 구동소자 적용에 적절히 활용될 수 있는 소재로 이용될 수 있을 것이다.; Thin film transistors (TFTs) based on oxide semiconductors have emerged as a promising technology, particularly for active-matrix TFT-based backplanes, such as active-matrix liquid crystal display (AMLCD) devices, which are large flat panel display products with ultra-high definition and a high frame rate. In addition, transparent thin film transistors (TFTs) based on oxide semiconductors have been intensively studied as alternative active-matrix backplanes for next generation flat panel displays. Oxide semiconductor-based TFTs have several advantages compared with conventional amorphous silicon (a-Si) TFTs, such as low temperature processing, excellent uniformity due to the amorphous nature of the oxide and high saturation field effect mobility. Zinc oxide-based thin film transistors (TFTs) are of great interest for application in next generation flat panel displays backplane. Most research has been based on amorphous indium-gallium-zinc oxide (IGZO) TFTs, because of their reproducibility, uniformity, low process temperature, high transparency, and surface smoothness. In IGZO system, gallium acts as a suppressor of carrier generation in IZO system due to its high oxygen binding energy and indium acts as an enhancer of mobility due to its large 5s orbital. Similarly, there are many approaches for substitution of Ga and In in ZnO system, using AlZnSnO, ZrInZnO, and GaSnZnO. The goal of this thesis is the fabrication and improvement characteristics of ZnO-based TFTs devices. This thesis contains the first detailed electrical characterization study of Zinc-Oxide TFTs, Hafnium-Zinc-Oxide TFTs and Hafnium-Zinc-Tin-Oxide TFTs. The most significant achievement contained herein is the fabrication and characterization of highly stable HZTO-TFTs under bias temperature stress. Also, the electrical properties of oxide semiconductors are significantly affected by interactions with the outside atmosphere. Jeong et al. reported that the channel of the IGZO TFTs is very sensitive to water vapor adsorption. Therefore passivation layers are necessary for long-term current stability in the operation of the oxide-based TFTs. In this regard, we report on the preparation of atomic layer deposition (ALD) of Al2O3 and TiO2 thin films as passivation layers and their suitability for stable ZnO-based TFTs. Finally, these results demonstrate that doping on channel layer of ZnO-based TFTs and passivation layers can effectively enhance the performance of ZnO-based TFT devices. So, this results promising candidates as operational devices for next-generation electronics.