플라스틱 기판에 RF 마그네트론 스퍼터링을 이용한 산화아연 박막 트랜지스터의 제작과 특성평가

Abstract

Hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) have been extensively investigated for flexible electronics, such as, flexible solar cells and thin-film transistors (TFTs). However, their performance is limited by the low mobility of the channel materials and degradation when exposed to air or light illumination. In addition, Si-based devices are of less interest for transparent circuits, because they are not transparent due to the small bandgap of Si. To overcome these problems, ZnO-based TFTs are suggested: ZnO is transparent and has been used as the active channel material in exhibiting n-type semiconductor characteristics with a high optical transmittance in the visible spectrum and a wide band gap of 3.37 eV. In particular, the ZnO-based TFTs are of great interest due to their potential of replacing a-Si:H or polycrystalline silicon (poly-Si) TFTs, because good quality ZnO polycrystalline films with high field-effect mobility can be grown even at room temperature. Most reports on ZnO-based TFTs are focused on improving the quality of the channel materials going as far as using single crystals. Much research has also been done to obtain high-performance ZnO (or doped ZnO)-TFTs with a high field-effect mobility (1-80㎠/Vs) and high on/off ratios (105-10^(7)). Aside from these reports some research reported ZnO-TFTs with low threshold and low operating voltages using variably high-k insulator materials (or doped high-k insulator). ZnO is therefore considered to be an ideal material for serving as the channel layer in transparent and flexible TFTs. Recently, W. B. Jackson et al. fabricated zinc tin oxide (ZTO)-TFTs with mobilities of 14㎠V-1s-1 and on/off ratios of 10^(6) on a flexible polyimide substrate. Nomura et al. reported flexible TFTs with mobilities as high as 7 ㎠V-1s-1 and on/off of 10³ fabricated using an indium gallium zinc oxide (IGZO) as a channel material and Y₂O₃ as a gate oxide on polyethylene terephthalate substrate. These results show that the fabrication of high-performance ZnO-TFTs on flexible substrate is challenging, owing to a compromise between processing temperature and device performance with substrates. In this work, we investigated the fabrication and characterization of ZnO thin-film transistors on Flexible Substrate with high performance, which have thoroughly satisfied device characteristics such as high on/off ratio, field-effect mobility and proper threshold voltage. Firstly, ZnO thin-film, as a active channel layer, is a crucible layer in thin-film transistors processes. In order to optimize the deposition conditions of active channel (ZnO) layer, we deposited and characterized the ZnO films by the changes of various parameters such as power, Ar:O₂ ratio using RF magnetron sputtering at room temperature. Secondly, In order to decrease the leakage current more effectively we examined a SiO₂, SiNx and Stacked-SiNx/SiO₂ as gate insulator of ZnO thin-film transistors. Finally, we have fabricated ZnO thin-film transistors on Polyethersulfone (PES) films as flexible substrates by using RF magnetron sputter at maximum process temperature of 150℃ which can be reduced by deformation of PES substrates. SiO₂ as barrier layer was deposited onto up and back side of PES substrate for pinhole-free, good adhesion, substrate deformation-free. Also a double layer gate insulator consisting of Stacked-SiNx/SiO₂ was effective in suppressing leakage current and enabling the ZnO-TFT to operate successfully. We used shadow-mask process for defining the source/drain (Al), gate (Al) as an electrode and ZnO as an active layer. We obtained the field-effect mobility and the current on/off ratio were 46㎠/Vs and ~10^(7), respectively. The threshold and swing voltage were 1.7V and 0.4V/dec, respectively. We successfully fabricated ZnO-thin-film transistors on Flexible Substrate with high performance by various approaches. These results would be promising for flexible display.; 21세기 정보통신산업의 발달에 따라서 정보전달 매체 (Man-Machine Interface)인 디스플레이 분야는 장소, 시간에 구애됨이 없이 가볍고, 저전력의 휴대가 간편하면서도 화질이 우수한 초경량, 초박막의 디스플레이가 절실히 요구되며 향후 가볍고, 얇고, 유연한 디스플레이로 발전할 것으로 예상되고 있다. 이러한 요구를 충족시킬 수 있는 유기트랜지스터의 개발은 매우 중요한 연구 분야로 대두되고 있다. 그러나 기존의 비정질 실리콘이나 유기물질을 기반으로 한 박막트랜지스터의 낮은 전계효과 이동도를 비롯한 광학적 민감성이나 불투명성 등의 문제점들은 여전히 해결 해야 할 과제이다. 반면에 화합물 반도체인 ZnO는 넓은 밴드갭 (3.37eV)을 가진 II-VI족 화합물 반도체로서 상온에서도 다결정 박막으로 성장이 가능하다는 장점이 있어, 고성능의 박막 트랜지스터의 채널층으로 사용 가능한 이상적인 물질이라 할 수 있으며, 광학적으로도 투명한 특성을 갖는다. 따라서 기존의 비정질 실리콘이 가진 낮은 이동도과 광학적 불투명성, 그리고 유기물을 바탕으로 한 트랜지스터의 낮은 내구성과 신뢰성의 문제점을 해결할 수 있다. 이런 장점들로 인해 낮은 증착온도와 높은 이동도를 필요로 하는 AMOLED나 Flexible display와 같은 차세대 디스플레이에 매우 적합하다. 지금까지 대다수의 연구들은 증착단계에서 전기적 특성을 변화시키거나 후처리, 금속원소 도핑을 통한 ZnO 박막 분석, 다결정 ZnO를 이용한 박막 트랜지스터, 고유전율 게이트 절연층을 사용하여 저전압 구동의 ZnO 박막 트랜지스터, 비정질 산화물 반도체를 이용한 트랜지스터에 대한 연구들은 많이 진행되어 지고 있다. 또한 플라스틱 기판 위에 안정적인 트랜지스터 제작을 위한 연구들이 최근 몇몇 연구팀들에 의하며 PI (Poly-imide)와 PET (Poly-ester) 위에 제작되어 보고되어지고 있지만, 여러 가지 특성을 고루 만족시키는 결과는 얻지는 못하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 빠른 이동도와 높은 on/off, 그리고 적절한 문턱전압 등의 디바이스 특성들을 고루 만족 시키기 위한 Flexible 기판 위에 고성능 ZnO 박막 트랜지스터의 제작과 특성평가에 관하여 논의하고자 한다. ZnO 박막 트랜지스터의 제작에 앞서 각 박막의 증착조건을 최적화하고 전기적, 구조적 특성을 분석하였다. 우선 ZnO 박막은 증착조건에 따라 물성이 크게 변하기 때문에 박막 트랜지스터의 채널층으로 사용하기에 앞서 적절한 전기적 특성을 확보하기 위하여 스퍼터링 증착 시 주요 변수인 파워, 가스의 조절을 통해 증착 조건을 최적화하였다. 또한 게이트 절연막에 따른 전기적 특성을 확인하고자 금속-절연층-금속 구조의 커패시터 (Metal-Insulator-Metal Capacitor : MIM Capacitor)를 제작하였고, 누설전류 특성을 SiO2, SiNx, Stacked-SiNx/SiO2와 비교하여 분석하였다. 마지막으로 앞선 실험을 통해 확보한 최적화된 증착 조건 및 기본 전기적 특성 데이터를 바탕으로 하부 게이트 구조의 ZnO 박막 트랜지스터를 제작하여 출력 및 전달 특성(output and transfer curve)을 확인하였다. 이상 본 연구를 통해서 Flexible 기판 위에 좋은 특성을 가지는 ZnO 박막 트랜지스터를 제작하였고, 이는 앞으로 AMOLED, Flexible display와 같은 차세대 디스플레이 구동 소자로의 응용에 새로운 가능성을 열어준 결과라고 할 수 있다.