금속층의 산화를 이용한 배리어 구조의 고이동도 산화물 박막 트랜지스터의 전기적 특성 연구

Abstract

투명한 금속 산화물 반도체는 낮은 온도의 대면 증착 공정 적용성과 넓은 밴드갭에서 기인하는 낮은 누설 전류 특성과 안정성 그리고 우수한 광학적 특성에 기반하여 박막 트랜지스터(Thin-Film Transistor, TFT)의 채널 물질로 활발한 연구가 진행되고 있다. 그러나 낮은 이동도 특성으로 인해 금속 산화물 반도체의 이동도 개선에 관한 연구가 필요하다. 이에 따라 산화물 반도체의 조성 조절, 도펀트 주입 공정, 비정질 산화물의 결정화 그리고 다중 채널 등 여러 방향으로 산화물 반도체 TFT의 전계 이동도를 높이기 위한 연구가 진행되고 있다. 다양한 방법 중 금속 캐핑층의 도입은 소자의 신뢰성을 유지하면서 전계이동도를 비롯한 전기적 특성을 향상시킬 수 있다. 본 연구에서는 In, Ga, Zn 대비 매우 낮은 깁스 자유 에너지를 가지는 금속인 Ta를 amorphous In-Ga-Zn-O(a-IGZO) TFT의 백채널에 캐핑층으로 사용하여 a-IGZO 박막에 산소 공백을 추가로 형성하고 캐리어 농도를 향상시킨다. 그러나 높은 캐리어 농도를 가지는 a-IGZO 채널은 매우 낮은 문턱전압을 가지거나 축퇴 반도체가 되어 off 특성이 나타나지 않는다. 따라서 백채널의 가운데에만 캐핑층을 도입하고 캐핑층과 소오스/드레인 간 오프셋이 있는 배리어 구조를 채택하여 문턱전압을 조절하고 산화물 반도체의 낮은 누설 전류 특성을 유지하면서 소자의 특성을 향상시킬 수 있다. 결과적으로 기존 a-IGZO TFT의 16 cm2/V․s의 전계이동도를 백채널 캐핑 면적을 90 %까지 확대함에 따라 140 cm2/V․s의 전계 이동도를 가지면서 문턱 전압이 0에 가까운 소자를 확보할 수 있었다. 또한 Ta 캐핑층을 이용한 배리어 구조 a-IGZO TFT의 동작 원리를 이해하기 위해 technology computer-aided design (TCAD) 시뮬레이션을 진행하였다. 본 연구에서 제시된 Ta 캐핑층을 통한 a-IGZO TFT의 부스팅 효과는 채널 길이의 단순한 스케일링이나 input voltage의 증가 이상으로 소자의 특성을 개선할 수 있다. 향후 추가 연구를 통해 산화된 TaOX층의 게이트절연막 응용을 통해 우수한 성능의 산화물 TFT의 구현이 가능할 것으로 기대 된다. |Amorphous oxide semiconductor (AOS), such as amorphous In-Ga-Zn-O (a-IGZO), has been researched as channel materials for thin-film transistors (TFTs) based on attractive benefits, including low-temperature deposition applicability, low leakage current characteristics, and excellent optical properties due to a wide band gap. However, with low mobility characteristics of 10-40 cm2/Vs, improving the mobility of AOS TFTs becomes one of the most important concern for many researchers. Forming strong s-orbital overlap based on percolation conduction, various methods to enhance the mobility of AOS have been researched thus far, including changes in the composition of metal cation and proportion ratio of IGZO. As used in the semiconductor industry, dopant impurities implantation of AOS, including fluorine and hydrogen, have been studied for conduction enhancement depending on carrier concentration. In addition, multi-layer oxide channel TFTs and crystallization methods of AOS were reported. Recently, there has been active research on the capping layer of AOS TFTs, focusing on enhancing the conduction of the channel. The change of electrical performance of amorphous Si-Zn-Sn-O TFTs was reported depending on various metal capping layers on the channel layer, causing different conduction band alignment. New performance-enhancing strategies were reported using oxidation of Ca/Al capping layers. Several papers demonstrated the low-temperature crystallization of various AOS using Mo, Ti, Al. A study has been reported on using Ta as a capping layer for AOS TFTs to enhance the crystallinity of the channel through low-temperature thermal annealing. The utilization of Ta capping has led to a significant increase in mobility for IGZO TFTs, with values rising from 18.1 cm2/Vs to 54 cm2/Vs. These results highlight the superiority of this study compared to other papers, demonstrating the effectiveness of Ta as a capping layer. In this study, we utilized the strong oxidation characteristics of Ta to use it as a capping layer for the a-IGZO film. Our focus was on increasing the oxygen vacancies within the IGZO film, thereby improving its conductivity. By applying this approach to a-IGZO TFTs, we observed an increase in on-state current(Ion) without an increase in off-state leakage current(Ioff), attributed to the increased oxygen vacancies. Furthermore, we confirmed that even after post deposition annealing(PDA) of the Ta capping layer, the IGZO film maintained its amorphous phase, and we also observed an increase in oxygen vacancies through natural oxidation of Ta without PDA. Furthermore, by increasing the capping coverage, we observed changes in the characteristics of the IGZO TFTs with Ta capping layer. The device with 90% coverage demonstrated a remarkable increase in field-effect mobility, rising from 16 cm²/Vs to 140 cm²/Vs, near-zero threshold voltage, and improved stability. The operation methods of the barrier structure were also confirmed through technology computer-aided design (TCAD) simulation data fitting, indicating that the degenerated active layer with increased carrier concentration could exhibit switching characteristics with enhanced mobility without an increase in Ioff.