고유전율 게이트 절연체 박막 스택 구조를 통한 p-채널 SnO 트랜지스터의 성능 개선에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 고유전율 하프늄 지르코늄 산화물 (Hafnium Zirconium Oxide, HZO)과 알루미늄 산화물 (Aluminum Oxide, Al2O3)/하프늄 지르코늄 산화물 (HZO) 절연막을 접목하여 p-채널 tin monoxide (SnO) 박막 트랜 지스터 (Thin-Film Transistors, TFTs) 소자의 성능 개선에 관한 연구를 보고하였다. 또한, SnO 박막과 HZO 박막 사이에 4 nm 두께의 비정질 구조를 갖는 Al2O3층을 삽입하면 TFT 성능이 크게 향상됨을 보여준다. 주 연구 내용으로, 플라즈마 원자층 증착 (Plasma Enhanced Atomic Layer De- position, PEALD)방법으로 증착된 HZO 및 Al2O3/HZO 게이트 절연막으로 Metal-Insulator-Metal (MIM) capacitor를 제작하여 누설 전류 및 유전율과 같은 전기적 특성을 조사하였다. Al2O3/HZO 게이트 절연막 스택 구조가 적용된 MIM capacitor의 누설 전류 밀도는 1 V의 인가된 전압에서 10-9 A/cm2 미만이고 breakdown voltage는 10 V 이상임을 보여준다. HZO 및 Al2O3/HZO 게이트 절연막이 적용된 MIM capacitor의 유전 상수 값은 각각 약 ~16과 ~13의 값을 보였다. 특히, Al2O3/HZO (4 nm/ 12 nm) 게이트 절연막을 활용한 p-채널 SnO TFT소자 결과는 ~1.0 cm2/Vs의 전계 효과 이동도 (Field-Effect Mobility, μFE), 0.7 V/decade의 Subthreshold Swing (SS) 값, 그리고 4.2  105의 ION/OFF 점멸비 특성을 보였다. 이 결과를 통해 게이트 절연막 스택 구조 개념은 HZO의 고유전율 값을 최대한 활용하여 트랜지스터의 off-current를 줄이는 동시에 SS 및 interfacial trap density (Dit)의 개선을 통해 우수한 특성을 확보할 수 있음을 확인하였다.|In this letter, p-channel tin monoxide(SnO) thin film transistors (TFTs) with high-k dielectric constant hafnium zirconium oxide (HZO) and aluminum oxide (Al2O3)/hafnium zirconium oxide (HZO) reported a study on device performance improvement. Also, it is shown that the TFT performance is greatly improved by inserting amorphous Al2O3 layer with a thickness of 4 nm between SnO thin film and HZO thin film. As the main research content, Metal-Insulator-Metal (MIM) capacitors were fabricated with HZO and Al2O3/HZO gate insulator film deposited by plasma enhanced atomic layer deposition (PEALD) method to measure electrical properties such as leakage current and dielectric constant. It shows that the leakage current density of MIM capacitor using Al2O3/HZO gate insulator film stack structure is less than 10-9 A/cm2 at an applied voltage of 1 V, and the breakdown voltage is more than 10 V. The dielectric constant values of the MIM capacitors using HZO and Al2O3/HZO gate insulator films were about ~16 and ~14, respectively. In particular, the result of p-channel SnO TFT using Al2O3/HZO (4 nm/12 nm) gate insulator film showed a field-effect mobility (μFE) of ~1.0 cm2 /Vs, a subthreshold swing (SS) of 0.7 V/decade, and ION/OFF ratio of 4.2  105 . Through these results, it was confirmed that the gate insulator film stack structure concept can maximize the high dielectric constant value of HZO to reduce the off-current of the transistor, and at the same time to secure excellent characteristics via the improvement of SS and interfacial trap density (Dit).