abstract

디스플레이 산업이 급속히 발전하면서, 핵심 기술인 박막 트랜지스터 제작의 연구가 많이 이루어지고 있다. 투명 전도성 산화물 박막 트랜지스터는 amorphous silicon 박막 트랜지스터에 비해 이동도가 우수해 전기적 측면에서 유리하고, 상대적으로 낮은 온도에서 공정이 진행되기 때문에 비교적 저렴한 유리 기판이나 flexible이 가능한 플라스틱 기판에서 소자 구현이 가능하다는 큰 장점을 가지고 있다. 이러한 산화물 박막 트랜지스터를 형성하는 방법에는 크게 진공 장비를 이용한 증착 방법과 용액 공정을 이용한 방법으로 나눌 수 있다. 진공 장비로 형성된 박막은 전기적 특성이 좋고 낮은 온도에서 제작이 가능하다는 장점을 가지고 있으나 진공 장비의 가격이 비싸고 수율이 좋지 않다는 단점이 있다. 용액 공정을 이용한 증착 방법은 spin coating, ink-jet printing 등 여러 방법을 구현 할 수 있다. 이런 용액 공정 방식은 진공 증착 방식에 비해 전기적 특성이 다소 떨어지지만 경제적으로 저렴하게 구현이 가능하고, 공정 단계를 줄 일 수 있다는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 다성분계 산화물 기반인 물질인 ZTO를 용액으로 제작하고, 이 소자의 신뢰성 확보를 위한 gate bias 측정을 같이 진행 해보았다.

Spin Coating  NOA60 on glass with

3000  rpm for 90 secondsDeposition SiNx 120nm by PE-CVD

Spin Coating ZTO on wafer with

5000 rpm for 30 seconds

500 ℃ annealing in an air atmosphere for 1 h

Evaporation Al - Source , Drain 170nm

클리닝 된 n-type 웨이퍼 위에 PECVD 장비를 이용하여 SiNx 120 nm 증착을 하였다. 제작된 ZTO 용액을 증착된 웨이퍼 위에 5000 RPM, 30초 동안 스핀 코팅 후 500 oC 온도로 공기 중에 annealing 하고, 소스와 드레인 전극 형성을 위하여 Evaporator 장비로 알루미늄을 약 170 nm 올렸다. W/L=4000/100 um의 소자를 제작 하였고, Gate bias를 10 V로 10, 100, 500, 1000 초로 측정하여 이에 따른 소자 변화를 측정하였다.

co

제작된 소자의 문턱 전압은 0.35V, 이동도는 1.2 cm2/Vs, ION/IOFF=2.7 x 107, 0.31V/decade 의 Subthreshold Swing 값이 나왔다. Bias 시간에 따라 interface trap density가 2.86x1011에서 5.88x1011 cm-2eV-1 으로 증가하여 이동도는 1.2에서 1.0 cm2/Vs로 감소하였고, 문턱전압은 0.35에서 1.94 V 로 이동하였다. 또한 subthreshold swing은 interface trap의 증가로 인하여 0.32에서 0.5 dec/V 로 증가하였고, 음이동 전하들이 trap이 되어 시간이 지나면서 off 전류가 감소하는 결과를 가지고 왔다.

그림 1은 게이트-소스 전압(Vgs)의 변화에 따른 드레인 전류(Ids)와의 관계를 보여준다. VGS는 -7V~10V까지 --mV step 으로 측정하였고, 게이트 전압의 증가에 따라 0V가 되었을 때 드레인 전류는 급격히 증가하고 saturation되었다. 그림 2는 드레인 특성 출력을 준다. 게이트 전압을 1V~10V로 1V step 씩 변화를 주면서 그에 따른 Id-Vd 특성을 나타내었다. Gate에 전기적 Gate bias를 10V로 인가하여 시간을 10, 100, 500, 1000sec 씩 다르게 주어 소자 특성의 변화를 알아볼 수 있다. 낮은 Vds에서 기울기는 드레인 전도도에 대한 정보를 주며, 이 그래프와 식[eqn: mu _{eff} = {g _{d} L} over {WQ _{n}}]로부터 이동도를 이끌어 낼 수 있다.  gate bias 의 스트레스를 받는 시간이 증가할수록 소자 특성이 조금씩 감소하는 것을 알 수 있다. gate bias time이 증가할수록 이동도가 감소하고 subthreshold swing 값이 증가하는 것을 나타내었다.

산화물반도체는 기존의 Si나 GaAs같은 반도체와 비교하여 넓은 밴드갭을 가지고 있어 가시광을 흡수하지 않고 투과시켜 투명한 Display소자로 이용이 가능하다. 가장 많이 연구된 단결정 산화물은 ZnO, 산화주석(SnO2), 산화인듐(In2O3) 및 산화 티타늄(TiO2)이다. 비정질 산화물 반도체라고 불리기도 하는 다결정 복합 산화물은 IGO, IGZO, ZIO, TGZO 및 ZTO가 포함된다. 산화물 박막 트랜지스터는 단순하나 제조가 어렵고 균일하지 못하여 실제적으로 높은 수율과 신뢰성을 얻을 수 없다는 단점이 있다. 단결정 복합 산화물 박막 트랜지스터 중에서는 IGZO, ZIO 및 ZTO가 가장 유력하며,[1] ZTO는 ZIO와 함께 IGZO보다 유동성이 좋고 인듐의 사용이 없어 가격이 싸서 대면적, 상용화가 좋은 장점을 가진다. 산화물 TFT 제작을 위해서 스퍼터 방식을 가장 보편적으로 이용되고 있다. 그러나 스퍼터 방식을 구동시키는데 사용되는 진공 장비의 가격이 비싸고

산화물 TFT 의 재료 자체의 가격이 저렴하기 때문에 더욱 간단히 공정을 진행하기 위하여 용액공정이 가능한 산화물 TFT를 만들어 보았다. 또한 용액 공정으로 제작된 ZTO TFT의 신뢰성 확보를 확인하기 위하여 게이트 바이어스 측정을 해 보았다.

2.결과 및 토의(제목은 내용에 맞게 변경, 진하게, 가운데 정렬, 글씨 크기 10)

클리닝 된 n-type 웨이퍼 위에 PECVD 장비를 이용하여 SiNx 120nm 증착을 하였다. 제작된 ZTO 용액을 증착된 웨이퍼 위에 5000 RPM, 30초 동안 스핀 코팅 후 500 oC 온도로 공기 중에 annealing 하였다. 소스와 드레인 전극 형성을 위하여 알루미늄을 약 170 nm 올렸다. W/L=4000/100 um의 소자를 제작 하였고, 문턱 전압은 0.35 V이고, 이동도는 1.2 cm2/Vs, ION/IOFF=2.7 x 107, 0.31V/decade 의 subthreshold swing 값이 나왔다.

그림 1은 게이트-소스 전압(Vgs)의 변화에 따른 드레인 전류(Ids)와의 관계를 보여준다. VGS는 -7V~10V까지 --mV step 으로 측정하였고, 게이트 전압의 증가에 따라 0V가 되었을 때 드레인 전류는 급격히 증가하고 saturation되었다. 그림 2는 드레인 특성 출력을 준다. 게이트 전압을 1V~10V로 1V step 씩 변화를 주면서 그에 따른 Id-Vd 특성을 나타내었다. Gate에 전기적 Gate bias를 10V로 인가하여 시간을 10, 100, 500, 1000sec 씩 다르게 주어 소자 특성의 변화를 알아볼 수 있다. 낮은 Vds에서 기울기는 드레인 전도도에 대한 정보를 주며, 이 그래프와 식[eqn: mu _{eff} = {g _{d} L} over {WQ _{n}}]로부터 이동도를 이끌어 낼 수 있다.  gate bias 의 스트레스를 받는 시간이 증가할수록 소자 특성이 조금씩 감소하는 것을 알 수 있다. gate bias time이 증가할수록 이동도가 감소하고 subthreshold swing 값이 증가하는 것을 나타내었다.