최적 전류 밀도 제어를 통한 균일 결정화에 의해 제작된 AMOLED backplane용 저온 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 어레이

Abstract

Low-temperature polycrystalline silicon (LTPS) becomes an indispensible technique for making high performance poly-Si TFTs which are used in active matrix organic light emitting display(AMOLED). However, higher degree of uniformity is required for satisfying the tight specifications in device parameters. In this study, we applied uniform electric field to each pixel transistors through the judicious design of common electrode connected to source and drains. After the fabrication of the poly-Si TFT (240х120) array, we investigated device parameters extracted by transfer characteristics under linear region such as field effect mobility(μ_(FE)), threshold voltage(V_(th)), subthreshold swing(s-factor, SS) and positional deviation of properties was evaluated. In order to fabricate 2-inch poly-Si TFT (240х120) array on 3.4˝glass substrate by FALC, the careful consideration has to be focused on the way to achieve uniform crystallization. To do it, it is essential that current element in each pixel of TFT array must be provided equal amount of density (>1.64 х 10³A/cm²). And to determine optimal current density profile for uniform crystallization and optimum common electrode configuration, we carried out the simulation on the array design by using MATHCAD program. The simulation result of current density of individual cells in the array. We can know that the bowl-shaped current density profile as a function of position of the a-Si cell on 2-inch array, and deviation can be less than 1% (maximum current density; 1.84 х 10³A/cm², minimum current density: 1.78 х 10³ A/cm²). By using optimal common electrode through simulation by MATHCAD, we could fully crystallize (240х120) cells on 2-inch array. In order to confirm the effect of designed common electrode, the crystallinity was studied using Raman spectroscopy. The characteristics peak at 521cm^(-1)was deconvoluted to separate the contribution form a-Si and c-Si are 10% and 90% respectively (variation 89~91%). In addition, it was observed that the crystallinity of channel layer in TFT array is in good agreement with current density profile in a forgivable range of deviation. Finally, we characterized the low-temperature poly-Si TFT (240х120) array on corning 1737 glass. All the device parameters extracted by transfer curve under linear region (V_(d): 0.1V) and the uniformity parameters were confirmed distribution probability and 3-dimension profile of device parameters obtained by curve fitting. The deviceparameters of TFTs(W/L=20㎛/20㎛) were observed to be highly uniform with the threshold voltage (Vth) of 5.9V (5.8V~6.2V) and the field effect mobility(μFE) of 92.5 cm²/Vs (87cm²/Vs~96.1 cm²/Vs). The variation in the threshold voltage and mobility were ±0.2V and 9.8%, respectively. The uniformity of poly-Si TFT array obtained by uniform crystallization satisfied the requirement of the TFTs for AMOLED backplane. In addition, we confirmed that the 3D profile of device parameters are considerably in good agreement with current density profile and the uniformity through distribution probability of parameters. We successfully fabricated low-temperature poly-Si TFT array formed by uniform crystallizationthrough optimal current density. These results would be promising for AMOLED backplane which required device parameters of TFT array having small deviation and high performance.; Organic Light Emitting Display(OLED)와 flexible display 같은 부가가치가 높은 차세대 디스플레이는, 현재 널리 보급되고 있는 액정 표시 소자 (Liquid Crystal Display, LCD)와 같은 평판 디스플레이의 화소 구동 소자에 응용되고 있는 기존의 비정질 실리콘 박막 트랜지스터를 적용하기에는 성능, 특성뿐 만 아니라 신뢰성 측면에서 한계가 있기 때문에 보다 성능이 뛰어난 다결정 실리콘 박막 트랜지스터가 필요하다. 특히 능동 구동 유기 발광 소자 (ActiveMatrix Organic Light Emitting Display, AMOLED)[1]의 경우 자체 발광 소자의 발광 정도를 안정적으로 조절하기 위해서는 구동 화소를 제어하는 고성능 다결정 실리콘 박막 트랜지스터가 필수적이다. 또한 고해상도를 구현하기 위해서는 트랜지스터의 성능뿐 만 아니라 어레이 트랜지스터간의 균일성이 엄격히 요구되고, 이러한 다결정 실리콘 박막 트랜지스터는 궁극적으로 유리 기판상에 제조가 가능해야 하기 때문에 공정온도에 제약이 따르며, 이에 따라 고품위의 다결정 실리콘 박막 트랜지스터를 저온에서 형성할 수 있는 기술이 핵심이 된다. 현재까지 연구된 저온 결정화 기술(low-temperature crystallization technique)에는 Non-laser 결정화 기술인 금속 촉매를 이용한 금속 유도 결정화, 금속 측면 유도 결정화와 laser 결정화 기술인 ELA(Excimer Laser Annealing), SLS (Sequential Laser Solidification)등이 있으나, 이들 기술은 고해상도 다결정 박막 트랜지스터 제작에 적용하는 데는 문제점들이 있다. 본 연구에서 저온 결정화 기술로 채택한 non-laser 방식의 전계 유도 방향성 결정화(Field Aided Lateral Crystallization, FALC)은 전계를 이용한 기술이기 때문에 금속 유도 측면 기술(Metal Induced Lateral Crystallization, MILC) 에 비하여 공정 시간이 현저히 단축되고, 전류 흐름에 따른 금속 잔존물을 최소화하고, in-situ gettering 효과로 인해 채널 영역에 잔류 금속 불순물 (residual metal contaminants) 을 최소화할 수 있으며, 결정화 방향이 제어되기 때문에 누설전류 특성의 개선과 동시에 전계 효과 이동도 (field effect mobility, μFE) 를 향상시켜 고성능 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 제작이 가능하다. 또한 다결정 실리콘 박막의 질을 결정짓는 요소가 금속 유도 측면 결정화나 레이져 결정화와 같은 thermal energy가 아니라, 결정화 영역(channel region) 을 흐르는 전류(전류밀도)이기 때문에 소자간의 균일성 확보도 용이하다. 본 연구에서는 Non-laser TFT 제작 기술의 하나인 전계 유도 방향성 결정화 공정을 이용한 다결정 박막 트랜지스터(thin film transistor, TFT) (240х120)어레이을 제작하였다. 금속 나노 촉매를 이용한 전계 유도 방향성 결정화는 금속 유도 측면 결정화 공정의 열처리 도중에 각각의 비정질 실리콘 셀들의 source와 drain에 평행한 방향으로 균일한 전계를 인가하는 방법으로, 인가된 전계에 의해 발생하는 electromigration현상 때문에 금속 촉매가 한쪽 방향으로 확산하여 방향성 결정화가 일어난다. FALC 공정을 이용하여 AMOLED TFT backplane에 적용 가능한 수준의 균일한 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 (240х120)어레이를 제작하기 위해 전산모사를 통하여 먼저 어레이 내에 존재하는 비정질 셀들에 흐르는 전류밀도를 예측하였다. 즉, 1.64 х10³ A/cm²이상의 임계 전류밀도(critical current density)를 갖는 전류밀도의 균일함을 갖을때, 균일 다결정 실리콘 박막 어레이를 얻을 수 있다는 전산모사의 결과를 통하여, 비정질 실리콘 박막 셀들에 전계 인가를 하기 위한 공통 전극(common electrode)을 설계·제작하였다. 이와 같은 전산모사는 어레이 내의 결정화 거동과 비이상적 현상에 대한 예측을 가능하게 하였다. 이는 공통 전극을 통하여 결정화 된 비정질 실리콘 array의 88%-91%의 결정화도(crystallinity)분포의 3차원 도식화를 통하여 전산모사와 실제 결정화 공정과의 상관성을 확인하였다. 또한 제작된 2인치 다결정 실리콘 트랜지스터 (240х120)어레이는 방향성 결정화로 인한 채널 영역의 금속 잔존물 최소화, 빠르고 균일한 결정화 등과 같은 FALC 공정상 이점을 모두 나타냈을 뿐만 아니라, 문턱전압 편차(ΔVth=±0.2V), 전계 효과 이동도 균일도(~9.8%)등의 AMOLED backplane적용 조건에 만족하는 양호한 균일성을 나타내었다. 이렇게 전달 특성(Id-Vg characteristics) 에서 산출한 전기적 소자 특성 변수(device parameters)들의 어레이내 curve fitting tool을 통한 3차원 분포는 전류 밀도 전산모사 결과와 거의 일치하는 것으로 나타났으며, 이에 따라 전산 모사 도구에 대한 신뢰성을 제고할 수 있었다. 최적 전류 밀도 제어(optimum current density control)를 통해 제작된 균일 저온 다결정 실리콘 트랜지스터 어레이는 결정화의 주요 영향 인자인 전류밀도를 효율적으로 조절하여, 고품위 다결정 실리콘 박막 어레이를 제작하였으며, 또한 균일 소자 어레이을 성공적으로 제작할 수 있었다. 또한 전산모사의 결과와 결정도, 소자특성 변수와의 상관성을 확인함으로써 실제 모듈에 적용 시도를 위한 전산모사와 같은 사전 연구에서 최종 다결정 실리콘 소자 어레이 제작은 능동 구동 유기 소자와 같은 차세대 디스플레이 관점에서 괄목한 만한 성과라 할 수 있었다.