| 초록 |
산화물 박막트랜지스터는 저온 공정 정합성, 높은 이동도, 투명성 등의 장점 때문에 플랫 패널 디스플레이의 백플레인 소자로 많이 이용되고 있다. 하지만 더 고성능의 소자를 만들기 위해서는, 더 높은 이동도, 높은 신뢰성, 저전압 구동이 요구된다. 게이트 절연막은 산화물 박막 트랜지스터 소자의 성능을 개선하는 데 중요한 역할을 한다. 따라서 게이트 절연막으로 고유전율 물질을 사용한다면 더 높은 전류 구동성과 더 낮은 누설 전류를 이룰 수 있을 것이다. HfO2가 그 후보로 주목을 받고 있으며, 높은 유전율, 넓은 밴드갭, 열역학적 안정성 등의 장점을 가진다. HfO2 박막 증착 방법은 다양하며, 그 중 하나인 원자층 증착법은 좋은 박막도포성을 가지고, 두께와 조성을 정확히 조절할 수 있어 많이 사용된다. 이 연구에서는 IGZO 박막트랜지스터의 게이트 절연막으로 다양한 온도에서 증착시킨 HfO2를 적용하여 원자층 증착법 공정 온도 조건에 따른 IGZO 박막트랜지스터의 특성을 비교하고자 하였다. 먼저 금속-절연막-금속 캐패시터를 제작하여 HfO2 절연막의 특성을 확인하였을 때 공정 온도 조건에 따른 전기적 특성 변화를 관찰하였다. 공정 온도가 200, 225, 250도일 때, 1MV/cm에서 측정된 전류 밀도와 500KHz에서 측정된 전기용량을 통해 계산한 유전율 값은 각각 약 1.6×10-7, 5.7×10-8, 9.6×10-9 A/cm2, 그리고 19.0, 21.5, 23.0으로, 증착 온도 250도에서 가장 좋은 특성을 확인하였다. 이를 IGZO 박막트랜지스터에 적용하였을 때 소자 성능에 차이가 있는지 확인하고자 HfO2 게이트 절연막을 적용한 IGZO 박막 트랜지스터를 제작하고 특성을 평가하였다. 200도에서는 불안정한 off current, 5.26cm2/Vs의 낮은 이동도, 0.54V/dec의 높은 subthreshold swing을 보인 반면, 225, 250도에서는 약 11cm2/Vs 의 높은 이동도, 약 0.10 V/dec의 낮은 subthreshold swing을 보인다. 소자별 이동도와 subthreshold swing에 대한 균일성은 250도에서 가장 높았다. 이는 250도에서 증착한 HfO2 박막 자체가 좋은 전기적 특성을 지닐 뿐 아니라, 좋은 계면을 가지기 때문이다. 이를 C-V 측정을 통해 관찰된 ‘stretch-out’ 현상을 통해 확인할 수 있다. 신뢰성 특성 또한 250도에서 가장 우수했다. 5V의 게이트 전압을 10,000초 동안 가했을 때와 하얀색 빛을 비추면서 -5V의 게이트 전압을 3,000초 동안 가했을 때, 두 경우 다 250도에서 문턱전압 이동이 가장 적게 일어났다. 이는 공정 온도가 증가하면서 게이트 절연막 증착 과정 중에 잔류된 수소와 탄화수소가 효과적으로 제거되기 때문이다. 결론적으로, 증착 온도를 200, 225, 250도로 조절하였을 때 250도에서 가장 좋은 IGZO 박막 트랜지스터 특성을 보이며, 원자층 증착법 공정 조건을 최적화시킴에 따라 더 좋은 IGZO 박막 트랜지스터 특성을 구현할 수 있을 것이다. |
