A Novel Structure for depression of the Leakage Current in Metal Induced Lateral Crystallization Polycrystalline Silicon Thin Film Transistor

Abstract

본 연구에서는 능동형 액정디스플레이 (AMLCD: Active Matrix Liquid Crystal Display) 및 능동형 유기발광다이오드 (AMOLED: Active Matrix Organic Light Emitting Device) 등과 같은 차세대 디스플레이 소자에 응용될 수 있는 금속유도 측면결정화 (MILC: Metal Induced Lateral Crystallization)에 의해 결정화된 저온다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 누설전류 저감을 위한 새로운 구조에 관한 연구를 수행하였다.

본 연구실에서 개발된 MILC기술은 금속촉매를 이용하여 유리기판의 변형온도보다 낮은 온도에서 비정질실리콘을 결정화 시키는 저온결정화 실리콘(LTPS: Low Temperature Polycrystalline Silicon)기술의 일종으로 현재 소형디스플레이의 제조에 적용되고 있는 결정화 기술인 ELA (Excimer Laser Annealing)기술 에 비해 높은 생산성 및 대면적 기판에 활용되기 유리하다는 장점을 갖고 있다. 하지만 MILC로 제작된 다결정 실리콘 TFT (Poly-Si TFT)는 ELA등의 Laser를 이용해 결정화된 Poly-Si TFT에 비해 높은 누설전류를 갖는 것으로 알려져 있으며, 이는 전류구동을 특징으로 하는 AMOLED의 활용을 어렵게 하는 요소로 작용하고 있다. 현재까지 알려진 바에 따르면 MILC Poly-Si TFT의 상대적으로 높은 누설전류는 결정화 촉매로 사용되는 Ni, Pd등의 오염에 의해 발생한 Trap State가 TFT 구동 시 누설전류 발생원(Leakage Current Source)이 되기 때문 인 것으로 알려져 있다. 이러한 이유로 현재까지 보고된 MILC Poly-Si TFT의 누설전류를 낮추기 위한 다양한 연구는 MILC TFT제작 시 금속촉매로 사용되는 Ni등의 사용을 최소화 하는 방향으로 집중되어 있었다. 하지만 본 연구실에서는 결정화 방법을 제외한 모든 TFT제작공정을 동일하게 적용하여 MILC TFT와 ELA Poly-Si TFT를 제작하고 전기적 특성을 분석하였으며 그 결과, 동일한 조건에서 MILC TFT가 ELA Poly-Si TFT에 비해 더 낮은 최소 전류 값을 갖는 현상과, MILC TFT의 경우 게이트전극과 드레인전극 사이에 인가되는 전압의 크기가 커짐에 따라 누설전류가 기하급수적으로 증가하는 현상을 확인하였다. 이에 본 연구에서는 MILC TFT의 누설전류 저감을 위해선 게이트전극과 드레인 전극사이에 인가되는 높은 전기장을 완화시킬 수 있는 구조에 관한 연구를 수행하였으며 그 결과 Lightly Doped Drain (LDD) 구조가 게이트전극과 드레인전극사이의 전기장 완화에 매우 효과적인 구조임을 확인하였으며 MILC TFT에 LDD구조의 적용을 통해 MILC TFT의 누설전류를 효과적으로 저감시킬 수 있음을 확인하였다.

본 논문은 MILC TFT의 누설전류 저감을 위한 새로운 구조의 개발을 위해 수행한 다양한 연구에 대하여 보고하고 있다. 본 논문은 크게 3개의 Part로 나뉘어져 있다.

Part 1 (Cahpter3)에서는 온도변화에 따른 MILC TFT의 누설전류 변화 분석을 통해 Leakage Current Source의 Activation Energy를 조사하였으며, 이렇게 얻어진 N-Type과 P-Type MILC TFT Activation Energy Data의 비교분석을 통해 MILC TFT가 갖는 상대적으로 높은 누설전류는 Conduction Band에 가깝게 위치한 N-Type Trap State와 Band Gap의 중간에 가까운 곳에 위치한 Neutral Trap State에 의한 Poole-Frankel Emission에 의한 것을 밝혀냈다. 또한 Poole-Frankel Emission은 외부에서 인가된 전기장에 의해 Trap-State의 에너지장벽이 낮아짐에 따라 발생하는 현상으로 MILC TFT에서의 경우 Poole-Frankel Emission에 필요한 상대적으로 높은 전기장은 게이트전극과 드레인전극 사이에 집중적으로 형성되기 때문에 두 전극 사이의 전기장을 완화시킬 수 있는 구조 적용을 통해 MILC TFT의 누설전류를 효과적으로 저감시킬 수 있음을 확인했다.

Part 2 (Cahpter4,5,6)에서는 LDD구조가 적용된 N-Type 과 P-Type MILC TFT의 LDD구조의 적용에 따른 누설전류 저감 효과를 분석하고 있다. Lightly Doped Region이 드레인전극 쪽에 위치할 경우 누설전류가 크게 감소하는 반면 Lightly Doped Region이 소스전극 쪽에 위치할 경우 누설전류 감소효과는 거의 없는 반면 On Current는 급격히 감소하는 현상을 발견하였다. 이는 MILC TFT의 누설전류는 게이트전극과 드레인전극 사이에 인가되는 높은 전기장에 의한 것이라는 이전의 분석과 일치하는 것으로 이를 통해 Lightly Doped Region을 드레인전극 쪽에만 형성된 LDD MILC TFT구조가, 높은 On/Off Ratio를 요구하는 AMOLED의 적용에 있어, 가장 적합한 구조임을 확인하였다.

Part3 (Chapter 7, 8)에서는 LDD구조 형성을 위해 개발된 다양한 종류의 LDD 형성기술을 소개하였다. LDD구조는 MILC TFT의 누설전류를 감소시키는데 매우 효과적인 구조임이 밝혀졌지만, LDD구조 형성을 위해 추가적인 공정이 수행되어야 하기 때문에 추가적인 공정비용이 발생하게 되며, LDD구조 형성을 위해 수행되는 Photolighography공정의 경우 매우 미세한 공정상의 오차로 인해 MILC TFT의 전기적 특성이 크게 변할 수 있기 때문에 LDD구조를 실제 디스플레이 패널에 적용하는 데에는 많은 제약이 따른다. 따라서 최소한의 추가공정과 높은 정밀도를 갖는 LDD구조형성의 개발은 필수적이다. 이에 본 연구에서는 별도의 Photolighography공정 없이도 LDD구조형성이 가능한 Tilted Back Exposure (TBE)기술과, 공정 중 발생할 수 있는 LDD길이 편차에 의해 발생하는 On Current 변화를 최소화 할 수 있는 On Current Compensation LDD 구조를 개발하고 그 효과를 증명하였다.

Currently, a lot of attention has been drawn to researches on low temperature poly silicon (LTPS) TFT s for AMLCD and AMOLED. For AMOLED, poly silicon with high electron mobility has to be used because it is a current driving device. Also LTPS TFT is advantageous in construction of peripheral circuits in LCD and OLED. Metal induced Lateral Crystallization (MILC) poly-Si TFT has many advantages over other LTPS poly-Si TFTs regarding large area process compatibility, relatively short process time, high throughput (batch process), etc. However, relatively high leakage current, and non-uniformity of off-state leakage current have impeded for the MILC TFTs to be successfully applied to the display panel such as AMLCD and AMOLED. In this context, it is obvious that a significant leakage current reduction is needed for the MILC poly-Si TFTs to be adopted as a switching device in AMOLEDs. In this study, in order to find solutions for reducing the leakage current in MILC poly-Si TFTs, the leakage current generation mechanisms in the TFTs are investigated. From the investigations, it has been proven that the leakage current in MILC poly-Si TFTs comes from activation of negatively charged trap state at the interface between gate insulator and poly-Si and neutral trap state originated from impurities such as Nickel and Nickel Silicide. It was also found that the driving force, for the trap states to be activated, is high electric field between gate and drain electrode. To reduce the electric field between gate and drain electrode so as to reduce the leakage current, lightly doped drain (LDD) structure for MILC poly-Si TFTs is developed. From the application of the LDD structure, MILC poly-Si TFTs with well suppressed leakage current was achieved. In this study, novel LDD formation methods are developed. It has also been demonstrated that the leakage current in MILC TFTs can successfully suppressed without device performance degradation by using the novel LDD formation methods. This thesis is organized with flowing 3 parts. Part. 1. Mechanism analysis of leakage current in MILC poly-Si TFTs. (Chapter. 3) Part. 2. Effect of LDD structure on electrical properties of MILC poly-Si TFTs. (Chapter. 4, 5, 6) Part. 3. Novel LDD formation methods for LTPS TFTs. (Chapter. 7, 8) In part 1, a physical model for generation of trap state in MILC poly-Si TFTs is discussed in detail and compared with experimental observations. In part 2, effect of LDD structure on MILC poly-Si TFTs is discussed. And in part 3, Novel LDD formation methods for LTPS TFTs are introduced and the effects of each structure on MILC poly-Si TFTs are discussed in detail.