Length Scalability and Width Dependence of Oxide Thin-film Transistors for Displays

Abstract

Oxide thin-film transistors (TFTs) are currently widely used as backplane devices for displays. Oxide semiconductors are suitable for large-scale displays and mobile devices because of their high mobility, low leakage current, and excellent process uniformity. With the development of display technology toward high-resolution displays, more pixels are needed in the same area, thus down-scaling of devices to increase the pixel density is recently gained attention. Therefore, it is essential to understand the scalability and reliability of TFTs for next generation displays. In this study, short channel scalability and reliability degradation according to the width were analyzed. We used experimental results and technology computer-aided design (TCAD) simulation tool to extract effective channel length and carrier profile and found that these are related to scalability. In addition, we studied the reliability deterioration issue in which the threshold voltage shifts as the channel width increases. The characteristics change according to the width were measured, and we found that the effective channel length, source-drain resistance, carrier content, and random potential fluctuation could act as the cause of the issue. |산화물 박막 트랜지스터는 현재 디스플레이의 백플레인 소자로 널리 사용되고 있다. 산화물 반도체는 이동도가 높고, 누설 전류가 적으며 공정 균일도가 우수하기 때문에 대면적 디스플레이 및 모바일 기기의 패널로 적합하다. 디스플레이 기술의 발전과 함께 고해상도 패널이 개발됨에 따라 동일 면적에 더 많은 픽셀이 필요하게 되었고, 픽셀의 집적도를 높이기 소자의 미세화가 주목을 받고 있다. 또한 각 픽셀에 전류를 안정적으로 공급할 우수한 성능의 게이트 드라이버 소자가 요구된다. 따라서 차세대 디스플레이를 위해서는 소자의 scalability와 신뢰성에 대한 이해가 필수적이다. 본 연구에서는 단(短) 채널 소자의 scalability와 너비에 따른 신뢰성 열화 현상을 분석하였다. Scalability 분석을 위해서 공정 조건이 상이한 소자 샘플들을 측정하고 TCAD 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 공정 과정 중에 유입되는 수소는 활성층에서 도너로 작용하여 캐리어 농도를 높이고 분포를 변화시켜 소자의 전기적 특성을 결정짓는 유효 채널 길이에 영향을 끼친다. 측정과 TCAD 시뮬레이션을 통해 각 소자의 캐리어 분포와 유효 채널 길이를 추출하였다. 이를 통해 캐리어 분포와 유효 채널 길이와의 상관 관계를 도출하였고, 공정 의존성이 높은 캐리어 분포 제어를 통해 scalability를 개선할 수 있음을 확인하였다. 또한 소자의 채널 너비가 넓어짐에 따라 문턱 전압이 이동하는 신뢰성 열화 현상을 분석하였다. 너비에 따른 특성 변화를 측정하였고 이를 유효 채널 길이, 소스-드레인 저항, 캐리어 함량, random potential fluctuation이 해당 현상의 원인으로 작용할 수 있음을 검증하였다.