Ni 도핑된 Ba0.6Sr0.4TiO3 고유전 절연박막을 사용한 저전압 구동의 ZnO 박막 제조 및 특성평가

Abstract

현재 AMLCD와 AMOLED의 능동 영역 디스플레이 (active matrix display)의 후면 (backplane)으로 널리 이용되는 수소화 처리된 비정질 실리콘이나 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 (a-Si:H Si or poly-Si TFTs)는 전계 효과 이동도가 낮다거나 균일한 특성을 갖는 증착 공정의 개발이 어렵다는 단점이 있다. 이를 극복하기 위한 다양한 연구가 시도되고 있는 가운데, ZnO 기반의 박막 트랜지스터 (Thin Film Transistor : TFT)는 가장 주목 받는 분야 중 하나다. ZnO 박막은 가시광선 영역에서 광학적으로 투명하고 3.3eV의 넓은 밴드갭을 가지는 II-VI족 금속 산화물 반도체이다. ZnO는 상온에서 증착해도 높은 이동도를 가지는 양질의 다결정 박막으로의 성장이 가능하고, 금속과 유리 나아가 플라스틱 기판 상에서도 증착이 용이하여 ZnO 기반의 전자회로를 낮은 공정비용으로 제작할 수 있는 가능성을 제시하였다. 최근에는 AMOLED에 적용하기 위해서 높은 전계효과 이동도와 on/off ratio 특성을 보이는 고성능의 ZnO 박막 트랜지스터에 대한 연구 결과도 보고되고 있다. 하지만 현재 SiO2를 게이트 절연층으로 사용한 ZnO 박막 트랜지스터의 구동전압이 대부분 10V 이상으로 제한된 배터리 전력으로 작동하는 휴대용 전자기기 분야의 응용에 주요한 장애가 되고 있다. 따라서 저전력 소비의 전자회로 개발이 필요하며, 이를 위해선 낮은 전압에서도 충분히 큰 구동전류 특성을 가지는 박막 트랜지스터를 제작해야 한다. 게이트 절연층 양단에 걸리는 전계에 의해 채널층에 유도되는 전류를 증가시키려면 정전 용량이 큰 유전 물질을 ZnO 박막 트랜지스터의 게이트 절연층으로 사용하여야 한다. 게이트 절연층의 정전 용량은 박막의 두께를 줄이거나 유전 상수가 큰 물질을 사용하여 증가 시킬 수 있는데, 전자의 경우 소자의 전기적 특성 및 박막 트랜지스터 구조에서 고려해야 할 문제가 많기 때문에 후자의 방법이 더 이상적인 방향이라고 할 수 있다. 일반적으로 고유전 게이트 절연 물질을 선정할 때 고려해야 할 특성은 열적 안정성, 결정 상태, 유전상수, 전자구조, 내부의 결함 등이 있으며 현재 연구가 진행되고 있는 고유전 물질로는 BZT, BZN, Al2O3, HfO2, TiO2, BST 등이 있다. 대부분 수십에서 수백의 큰 유전상수를 가지고 있지만 5V 이상의 구동전압에서 누설전류가 증가하거나, 결정성을 향상시키기 위해 고온에서 증착해야 하는 등 위에서 언급한 특성을 모두 만족한다고 보고된 물질은 아직 없다. 본 연구에서는 박막 트랜지스터의 전계효과 특성에 가장 중요한 역할을 하는 채널층으로 ZnO를 사용하고, 게이트 절연층으로는 다양한 고유전 물질 중 BST (Ba0.6Sr0.4TiO3)를 선정하여 ZnO 박막 트랜지스터를 제작, 전기적 특성을 평가하고자 한다. ZnO는 앞서 언급했듯이 상온에서도 고품질의 다결정 박막의 성장이 가능해 기존의 비정질 실리콘 박막 트랜지스터보다 높은 이동도, on/off ratio 특성을 만족시킬 수 있다. 한편, BST는 스퍼터링으로 상온에서 증착한 비정질 구조에서도 20이상의 높은 유전상수를 가지지만 10V 이하에서 누설전류가 급격히 증가하여 소자에 바로 적용하기 어렵다는 문제가 있다. 이와 관련해 BST에 전이금속 (Mn, Mg, Ni)을 도핑하여 누설전류를 비롯한 전기적 특성을 개선시킨 연구가 보고되었으며, 본 실험에서는 Ni을 1wt% 도핑한 Ni-doped BST를 게이트 절연층으로 사용하였다. 또한 공정비용의 저감 및 단순화의 추세에 맞춰 포토 리소그래피 공정 대신 새도우 마스크를 이용해 하부전극, 채널층, 소오스와 드레인 전극의 패터닝을 하였으며, 소오스와 드레인 전극을 제외한 모든 물질을 스퍼터링 방법을 통해 상온에서 증착하였다.; ZnO films have been used as the active channel material in exhibiting n-type semiconductor characteristics with high optical transmittance in the visible spectrum and wide band gap of 3.3 eV. In particular, the ZnO thin-film transistors (TFTs) are of great interest due to their potential of replacing hydrogenated amorphous or polycrystalline silicon (a-Si:H or poly-Si) TFTs because good quality ZnO polycrystalline films with high field-effect mobility can be grown even at room temperature, thus ZnO based electronic circuits can offer low processing costs and good compatibility with plastic substrates. Further, there have been recent promising reports for the high performance ZnO-(or doped ZnO) TFTs with moderate field-effect mobility and high on/off ratios for application in active matrix organic light emitting diodes (AMOLEDs). However, high operating voltages are still a major limitation for portable, battery-powered applications. Low voltage operation will contribute cost savings by enabling use of lower cost driver electronics, making them suitable for portable applications. Therefore, it is very important to incorporate a suitable gate insulator in order to drive higher operating current at lower bias voltages. In general, high permittivity gate dielectric or reduced dielectric thickness is needed to increase the capacitive coupling of the gate electric field to the ZnO channel layer. However, ZnO-TFTs with thin gate dielectrics show much poorer performance on flexible polymer substrates, often characterized by rough surfaces, making TFTs susceptible to pinhole formation and low manufacturing yield. To ensure pinhole-free coverage, the film should be much thicker than the roughness of the substrate. Therefore, the use of high-K gate dielectrics of more than 200 nm thickness is an optimum route for stable operation of low voltage ZnO-TFTs. While there have been some early promising results for near room temperature grown high-K gate insulators including barium zirconium titanate (BZT), Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7 (BZN), Al2O3, HfO2, and TiO2, they generally suffer from poor leakage current characteristics at high voltage above 5 V, detrimental to ZnO-TFTs operation. As a new potential candidate for gate insulators, we propose Ni-doped BST thin films. The Ni acceptor dopant which occupy the B site of the A2+B4+O2- perovskite structure, can be used to suppress the leakage current in BST films. In this regard, the suitability of Ni-doped BST films as a gate insulator for fabrication of low voltage (~ 4V) ZnO-TFTs is investigated. 1% Ni-doped BST films prepared at room temperature by rf sputtering showeda high dielectric constant (?r = ~ 26.5) and low leakage current characteristics ( < ~ 7.75 ？ 10-9 A/cm2 at 7 V). A remarkable reduction in leakage current density could be achieved through deep trapping of electrons in 1% Ni-doped BST films as compared to that of undoped BST films. ZnO-TFTs using the 1% Ni-doped BST gate insulators (200 nm) exhibited low-voltage operation of less than 4 V and a high field-effect mobility 2.07cm2/Vs. The measured VTH and subthreshold swing voltage were +2.5V and 0.21 V/dec, respectively. On-current and off-current ratio were 2.73 x 10-4 A and 1.53 x 10-10 A, respectively, giving an on/off current ratio of 1.8 x 106. The results of this work indicate that 1% Ni-doped BST gate insulators are essential for producing low-voltage ZnO-TFTs with high field-effect mobility toward future flexible electronics.