A Study on PEALD In-Sn-Ga-O Thin-Film Transistor via Atomic Scale Sn control for Semiconductor Application

Abstract

최근, 저전압 구동이 가능하고 누설 전류 특성이 매우 우수한 차세대 반도체 재료에 대한 연구가 널리 진행되고 있다. 다양한 후보군들 중, Si 기반 채널층을 대체할 차세대 반도체 소재로 산화물 반도체가 각광받고 있다. 산화물 반도체는 비정질 상에서도 전자 이동도가 비교적 우수하고 누설 전류 특성이 매우 적다는 특징이 있다. 또한, 다양한 증착 공정을 활용할 수 있어 활용성이 크다는 점이 특징이다. 다성분계 산화물 반도체 관점에서, 박막 내 산소 관련 결함을 효과적으로 제어함과 동시에 전기적 특성의 열화를 최소화하는 것이 중요하다. 주석 (Sn)의 경우 산소와 비교적 강하게 결합하며 인듐 (In)과 비슷한 크기의 S 오비탈을 가져 신뢰성과 전기적 특성을 동시에 향상시킬 수 있다는 장점이 있다. 따라서, Sn을 포함한 다성분계 산화물 반도체에 대해 많이 보고되고 있다. 본 연구에서는 In-Sn-Ga-O (ITGO) 산화물 반도체와 이를 활성층으로 적용한 ITGO TFT의 특성을 평가하였다. 이 때, ITGO 박막은 플라즈마 원자층 증착법 (PEALD)을 통해 증착되었다. 원자층 증착법의 경우 ALD sub-cycle 수를 조절하여 박막의 조성을 쉽게 제어할 수 있으며, 단차 피복성 특성이 매우 우수하여 복잡한 구조를 가진 소자 구조에도 대응 가능하다는 장점이 있다. 따라서 다양한 분석을 통해 Sn 함량에 따른 ITGO 박막의 물성을 평가하였다. 그 결과, 박막 내 산소 결함의 양, 결정성, VBM level이 Sn 함량에 따라 제어가 가능하다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, Sn 함량이 증가함에 따라 추가로 생성된 전자와 줄어든 결정성으로 인해 ITGO 박막의 전기적 특성이 향상되었다. TFT 응용 가능성을 확인하기 위해, ITGO 박막을 활성층으로 적용하여 TFT를 제작하였다. 이 때, Sn 3 sub-cycle ratio를 가진 ITGO TFT의 경우 준수한 이동도 (31.7 ± 0.7 cm2/Vs)와 함께 매우 낮은 S.S 수치 (64.8 ± 1.9 mV/decade), 개선된 NBIS 신뢰성 특성 (ΔVTH = -1.0 V → -0.5 V)을 얻을 수 있었다. 이를 통해, 차세대 반도체 디바이스를 위한 최적 Sn 함량을 지닌 ITGO TFT의 응용 가능성에 대해 확인하였다.|Recently, research on next-generation semiconductor materials capable of low voltage operation and having low leakage current characteristics have been conducted widely. Among the various candidates, oxide semiconductors are in the limelight as next-generation semiconductor materials to replace the Si-based channel. It is because the oxide semiconductors have reasonable electron mobility even in an amorphous phase and have very low leakage current. In addition, they can be deposited via various deposition processes, leading to extended applications. In multi-component oxide semiconductors, it is essential to effectively control oxygen-related defects and minimize the deterioration of electrical characteristics at the same time for better performance. In the case of Tin (Sn), since it bonds with oxygen relatively strongly and has an S orbital of a similar size to that of Indium (In), it is possible to improve reliability and electrical characteristic simultaneously. Therefore, many multi-component oxide semiconductors containing Sn have been reported. In this study, In-Sn-Ga-O (ITGO) oxide semiconductors and thin-film transistor (TFT) applications were studied. The ITGO thin films were deposited through a plasma enhanced atomic layer deposition (PEALD) process. In the case of atomic layer deposition (ALD), the composition of films can be easily modulated by adjusting the number of ALD sub-cycles, and it has the advantage of being able to cope with complex device structures due to the excellent step coverage. Therefore, the properties of the PEALD-derived ITGO films with varying Sn content were evaluated through various analyses, such as XPS, XRD, UPS, Hall measurement, UV-vis, AFM, and ellipsometry (SE). As a result, it was confirmed that oxygen-related defects, crystallinity, and valence band maximum (VBM) levels of ITGO films could be controlled by modulating Sn composition. In addition, the electrical properties of ITGO films are improved by increasing Sn content, which is caused by the carrier generation effect of Sn and reduced crystallinity. In particular, the smallest amount of subgap density was observed at a specific Sn content (Sn 3 sub-cycle ratio). In order to evaluate the TFT applicability, ITGO TFTs with different Sn compositions were fabricated. In the ITGO TFT with Sn 3 sub-cycle ratio, it exhibited an extremely low S.S value (64.8 ± 1.9 mV/decade) with reasonable mobility (31.7 ± 0.7 cm2/Vs) and improved reliability (ΔVTH = -1.0 V → -0.5 V) under NBIS test. This study reveals the applicability of ITGO TFT with optimal Sn content for next-generation semiconductor devices.