Deep-UV 조사법으로 제조된 자기 정렬 박막 트랜지스터의 전기적 특성에 비정질 IGZO의 밀도가 미치는 영향

Abstract

비정질 In-Ga-Zn-O (a-IGZO)는 높은 이동도, 낮은 off-current 및 넓은 밴드갭과 같은 우수한 전기적 특성으로 인해 고해상도의 차세대 display backplane 내 박막 트랜지스터의 채널층으로 적용하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근 비정질 IGZO 박막 트랜지스터의 전기적 특성과 신뢰성을 향상시키기 위한 연구들이 많이 보고되고 있다. 일반적으로 비정질 IGZO 박막은 스퍼터링 기술에 의해 증착되기 때문에 공정 압력, 산소 분압 및 증착 파워와 같은 공정 조건은 비정질 IGZO 박막 트랜지스터의 전기적 특성을 결정하는 중요한 요소이다. 이 중 공정 압력은 산화물 반도체 박막의 밀도를 제어하기 위한 중요한 증착 파라미터 중의 하나로 몇몇 연구들은 높은 공정 압력에서 증착 된 비정질 IGZO 박막의 roughness와 트랩밀도가 크기 때문에 박막 트랜지스터의 전기적 특성을 저하시킨다고 보고하였다. 산화물 박막 트랜지스터의 구조 또한 소자의 전기적 특성을 향상시키는 방법 중의 하나로 알려져 있다. 특히, 자기 정렬 구조의 트랜지스터는 게이트와 소스/드레인 전극 사이의 중첩에 의한 기생 캐패시턴스를 상당히 감소 시킬 수 있기때문에 고해상도 및 대 면적 디스플레이에 적합한 구조로 연구가 많이 되고 있다. 자기 정렬 구조에서 도핑 기술은 소스/드레인 영역에 오믹 컨택을 형성시키는데 필수적이다. 따라서 자기 정렬 구조의 비정질 IGZO 박막 트랜지스터의 전기적 특성은 n+ 도핑 영역뿐만 아니라 채널층의 도핑 되지 않은 영역에 의해 영향을 받을 수 있다. 본 연구에서는 deep-ultraviolet (DUV) 조사를 통해 자기 정렬 박막 트랜지스터의 소스/드레인 영역에 n+ 도핑 영역을 형성하였다. 트랜지스터를 제작하기 앞서 비정질 IGZO의 밀도에 따라 n+ 도핑 효과의 차이를 분석하기 위해 비정질 IGZO 박막을 공정 압력을 달리하여 증착하였다. 공정 압력이 증가할수록 박막의 밀도는 낮아지므로 1.5 mTorr, 5 mTorr 그리고 15 mTorr의 공정 압력에서 각각 증착하였다. XPS 분석을 통해서 M-O 결합을 상대적으로 많이 가지고 있는 고밀도의 비정질 IGZO 박막이 DUV의 에너지에 의해 M-O 결합을 깨고 산소 공공을 박막 내에 많이 제공한 것을 확인하였다. 또한, 비정질 IGZO의 박막 밀도를 달리하여 자기 정렬 상부 게이트 박막 트랜지스터를 제작한 뒤, 전기적 특성과 신뢰성을 평가하였다. 그 결과, 1.5 mTorr, 5 mTorr 및 15 mTorr에서 제작한 비정질 IGZO 박막 트랜지스터의 전계 효과 이동도는 각각 5.3 cm2/Vs, 4.1 cm2/Vs 및 3.2 cm2/Vs 이었다. 이 결과는 비정질 IGZO 박막 밀도가 증가함에 따라 n+ 도핑 영역과 소스/드레인 접촉 금속 사이의 접촉 저항이 감소하기 때문에 고밀도의 비정질 IGZO 박막을 적용한 트랜지스터의 전계 효과 이동도가 향상되는 것으로 판단되었다. 트랜지스터의 subthreshold swing (S/S)은 도핑되지 않은 영역, 즉 채널층의 비정질 IGZO 박막 밀도가 감소함에 따라 저하되었다. 또한, positive bias temperature stress (PBTS) 조건 하에서 고밀도 비정질 IGZO 박막의 트랜지스터는 단지 +0.7 V의 문턱 전압의 이동을 보였지만, 저밀도 박막의 트랜지스터는 +1.2 V의 문턱 전압의 이동을 보였다. 결과적으로, 저밀도의 박막일수록 트랩과 관련된 결함들이 많이 존재하므로 도핑이 되지 않은 채널층의 밀도 또한 트랜지스터의 스위칭 특성과 신뢰성 거동에 영향을 미치는 것을 확인하였다.