자기조립단분자막(SAM)이 산화물 반도체에 미치는 효과

Abstract

현재 능동매트릭스 액정표시장치 (AMLCD)의 backplane의 재료로서 아몰포스 실리콘을 이용한 박막트랜지스터를 대부분 적용하고 있다. 그러나 새롭게 열리고 있는 디스플레이 시장에서는 고해상도 대면적 디스플레이, 3차원 디스플레이(3D), 유기발광다이오드 (AMOLED)와 같은 표시장치를 구동하기 위해서는 낮은 이동도를 가지고 있는 아몰포스 실리콘으로는 한계점을 가지고 있다. 높은 이동도를 구현하기 위해서 폴리실리콘을 이용한 유기발광다이오드(AMOLED)의 backplane으로 사용되기도 하지만 균일한 박막으로 대면적을 형성하기 어렵다는 단점을 가지고 있다. 최근 이러한 문제점을 보안하기 위한 새로운 재료로서 산화물 반도체를 이용한 박막트랜지스터가 많은 관심을 받고 있다. ZnO를 기반으로 하는 산화물 반도체는 비정질상태이면서 높은 이동도를 가지고 있기 때문에 균일한 박막을 요하는 대면적 디스플레이의 구동소자로서 충분한 자격을 가지고 있다. 또한 상온에서 증착이 가능하고 3.1 eV이상의 밴드갭을 가지고 있어 휘어지는 투명한 디스플레이 (transparent flexible display) 산업에 적용하기 위한 많은 연구도 이루어 지고 있다. 그러나 산화물 반도체는 수분, 산소, 유기용매와 같은 외부환경에 매우 민감한 반응을 보인다. 따라서 외부환경에 대한 특성 변화를 최소화하기 위해서 치밀한 패시베이션을 해야 하는데 현재 플라즈마화학증착기를 이용한 실리콘 옥사이드(SiOx)등이 널리 사용되고 있다. 또한 비진공방식의 패시베이션도 많은 연구가 진행되고 있어서 용액공정 과정 중에 발생할 수 있는 백인터페이스에 변화도 주의 깊게 살펴볼 필요가 있다. 본 논문에서는 이러한 산화물 반도체의 백인터페이스에 미치는 여러 가지 요인들에 대해서 조사하였고 자기조립단분자막을 이용하여 열화요인들을 완화 또는 제거시키기 위해서 다양한 실험을 진행하였다. 먼저 산화물 반도체 박막 트랜지스터 제작 과정 중에 소스드레인 패터닝 공정에서 산화물 반도체 백인터페이스에 발생할 수 있는 물리적, 화학적 데미지에 대해서 알아보고 이를 완화 또는 제거시키기 위해서 자기조립단분자막을 적용하였다. 소스/드레인 패터닝 방식은 두 가지로 나눌 수 있는데 백채널에치와 에치스탑퍼이다. 백채널 에치 방식은 산화물 반도체 위에 증착된 소스드레인을 습식 또는 건식방법으로 식각하는 방법으로서 대부분 플라즈마 방법을 많이 사용한다. 이와 같은 백채널 에치 방식에서 플라즈마 또는 에천트에 의해서 산화물 반도체가 열화되는데 이를 방지하기 위해서 자기조립단분자막이 적용되었고 효율적으로 플라즈마 및 에천트로 인한 데미지를 막아주었다. 백채널 에치 방식에서의 여러 가지 데미지를 완화시키기 위한 방법으로 에치스탑퍼 방식이 제안되었는데 이 방법에서도 플라즈마 데미지에 노출된다. 자리조립단분자막이 이러한 ion bombardment와 같은 플라즈마 데미지를 효율적으로 완화시켜 소자의 신뢰성을 높여 주었다. 자기조립단분자막은 산화물 반도체의 백인터페이스를 보호함으로써 에치스탑퍼 역할을 할 수 있을 것으로 기대되며 또한 추가적인 포토리소그라피 공정이 요구되지 않기 때문에 생산원가절감차원에서도 산화물 반도체의 백인터페이스를 보호하기 위한 방법 중에 하나이다. 또한 패시베이션 공정 중에도 산화물 반도체의 백인터페이스는 물리적, 화학적 데미지에 노출되어 소자의 특성이 열화되는데 이를 해결하기 위해서 자기조립단분자막의 역할에 대해서 조사하였다. 현재 비진공방식의 패시베이션막은 플라즈마화학증착기 (PECVD)를 이용한 실리콘옥사이드가 널리 사용되고 있다. 이 경우에도 플라즈마로 인해서 산화물 반도체의 백인터페이스에 데미지를 입히는 원인이 된다. 자기조립단분자막을 처리한 소자에서 이동도와 문턱전압이하에서의 기울기의 값에서 열화 정도가 작았는데 자기조립단분자막이 플라즈마 노출시에 발생하는 Ion bombardment의 영향을 완화시켜준 결과이다. 또한 자기조립단분자막은 용액공정에서 발생할 수 있는 유기용매의 산화물 반도체 표면으로의 흡착을 방지하여 Von의 변화를 최소화하였다. 이처럼 자기조립단분자막은 산화물 반도체 박막트랜지스터 과정중에 발생할 수 있는 플라즈마, 에천트, 유기용매와 같은 여러가지 물리적, 화학적 데미지를 완화시켜줌으로써 산화물 반도체의 백인터페이스를 보호하는 역할을 하고 나아가 소자의 신뢰성을 확보하는 데 많은 역할을 하였다. 더욱이 산화물 보호막으로서 에치스탑퍼와는 달리 추가적인 포토리소그라피 공정을 거치지 않기 때문에 생산원가 절감 면에서 산화물 반도체의 백인터페이스의 보호막으로 기대되는 후보이다.

The oxide semiconductor TFTs have attracted considerable attention for large size displays, because the oxide semiconductors, such as IGZO and ZTO, exhibit high carrier mobility, even in an amorphous state and have good uniformity. However, the oxide semiconductor TFTs are very sensitive to environments such as moisture and oxygen. It has been reported that the gaseous molecules are strongly associated with characteristics of oxide transistors. The oxide semiconductor should be passivated with a dense passivation material, such as SiOX to block these molecules. SiOX deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) is widely used in passivation materials of oxide semiconductors. In addition, solution-based passivation materials are under development for the printing process. However, TFT characteristics can be altered due to plasma damage and chemically induced damage caused by the passivation mentioned above. The oxide semiconductor is exposed to various plasma, including hydrogen, nitrogen, and oxygen radicals, during SiOX passivation by PECVD. It is well known that plasma can degrade TFT characteristics due to ion bombardment. The IGZO film becomes highly conductive by the reduction of oxygen due to the incorporation of hydrogen into the oxide semiconductor. In addition, when the oxide semiconductor is exposed to organic solvents, the adsorbed solvent molecules with high polarity on the back interface of the oxide semiconductor induce carriers in the back surface of the channel and thus threshold voltage is shifted to the negative direction . In addition to passivation process, the oxide semiconductor is easily degraded by plasma etching gas or wet etchant of metal oxides such as Ti/Cu during source / drain (S/D) patterning process and passivation process. In order to protect the back interface of an oxide semiconductor from wet etchant or plasma damages during source / drain (S/D) patterning process, ES (etch stopper) structure is widely used in patterning of S / D. However, ES process is unfavorable for the cost reduction because it needs additional photolithographic process. And it is difficult to realize short channel TFT due to process margin such as overlap between ES and S/D. Therefore, BCE (Back Channel Etch) type is under developing not to be restricted in the cost and channel design, compared to a-Si:H TFT. However, in BCE type, the back interface of oxide semiconductor without etch barrier is directly exposed to plasma and wet etchant, and thus it is severely degraded during S / D patterning. We investigated the effects of self-assembled monolayer (SAM), as a protection layer of an oxide semiconductor against plasma and chemically induced damages during the deposition of the passivation layer. When TFT is passivated with PECVD SiOX and solution-based materials, plasma and chemically induced damages on the back interface of the oxide semiconductor cannot be avoided. However, the hydrophobic Cl-SAM (3-chloropropyltriethoxysilane) suppressed the degradation of TFT characteristics, such as mobility and SS, due to damaged bonds and defect creation by ion bombardment during plasma treatment. The hydrophobic CH3-SAM (octyltriethoxysilane) blocked the adsorption of PMMA solvent and thus suppressed chemically induced damage caused by solution-based passivation. Also we investigated the effect of SAM as a protection layer of the back interface of an oxide semiconductor to reduce plasma and wet etchant damages during source / drain patterning process in BCE type. When S/D metal is patterned by plasma or wet etchant without an etch stopper, the oxide semiconductor is directly exposed to plasma and wet etchant and thus the TFT characteristic such as mobility is severely degraded. In order to suppress such damage, we proposed SAM as a protection layer of an oxide semiconductor on the behalf of PECVD SiOx widely used in the etch stopper materials. In the SAM treated oxide TFT, the degradation in mobility and SS due to ion bombardment during plasma treatment is much less than in the virgin TFT. Also the hydrophobic SAM shows the possibility which it can protect the semiconductor from harch chemicals including wet etchant. In addition, there is no additional photolithographic process for SAM deposition and patterning. Therefore, we expect that the permanently bonded SAM with the oxide semiconductor can be a promising protection layer to suppress the plasma and wet etchant damages to the oxide semiconductor during S/D patterning process in the type of BCE