티타늄/구리 전극이 산화물 박막트랜지스터 특성 및 신뢰성에 미치는 영향에 관한 연구

Abstract

평판 디스플레이 산업 내에서의 LCD 산업은 대부분의 비중을 차지하고 있는 핵심 영역이다. 2000년대 초반까지 노트북 컴퓨터용 디스플레이 장치로 성장을 거듭해왔던 LCD 산업은 이 후 모니터, TV로 점차 영역을 확대하여 연 20% 이상의 고속 성장을 거듭해 왔지만 현재는 LCD TV시장의 포화, 미국과 유럽의 재정위기로 인한 세계 경제의 위기로 인해 LCD 패널의 수요급감과 가격하락으로 큰 위기를 맞고 있는 상태이다. 이를 극복하기 위해서 AMOLED, 고해상도, 투명, 플렉서블 디스플레이 등의 새로운 방식의 디스플레이 장치에 대한 연구가 진행되고 있다. 산화물 기반 박막트랜지스터는 이러한 미래 디스플레이의 구동 소자로서 최근 각광을 받고 있다. 산화물 박막트랜지스터는 기존의 LCD 구동 소자인 비정질 실리콘 박막트랜지스터에 비해 전계이동도가 높아 대면적 고해상도 디스플레이에 적합하며 현재 소형 AMOLED 구동 소자인 저온 다결정 실리콘 박막트랜지스터에 비해 균일도가 우수하여 AMOLED 디스플레이 대형화에 적합하다는 평가를 받고 있다. 또한 빛에 대한 투과도가 좋은 재료 특성으로 인해 투명 디스플레이 구동 박막트랜지스터의 재료로 사용 가능하고 상온 증착이 가능해 플라스틱 기판 사용으로 인하여 낮은 공정온도가 요구되는 플렉서블 디스플레이를 위한 박막트랜지스터의 재료에도 적합하다. 최근 이와 같은 산화물 재료에 대한 연구와 산화물 박막트랜지스터에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있는데 본 논문에서는 이 중에서 전극재료가 산화물 박막트랜지스터의 활성층에 미치는 영향에 대해서 다각도의 분석을 통해 접근하였다. 대면적 고해상도 디스플레이 구동 박막트랜지스터의 빠른 스위칭 속도를 위해서는 필연적으로 RC 지연효과가 감소되어야 한다. 따라서 저항이 작으면서도 산화물 활성층과의 접촉 특성이 우수한 전극재료가 요구되는데 몰리브덴은 이와 같은 특성을 만족시키는 재료로 현재 산화물 박막트랜지스터의 전극재료로 많이 사용되고 있다. 구리는 몰리브덴에 비해서 저항이 더 작고 쉽게 구할 수 있다는 재료 특성으로 인해서 산화물 박막트랜지스터의 전기적 특성을 향상시키기 위한 노력의 일환으로 최근 연구가 진행되고 있다. 그러나 구리는 산화물 반도체와의 접착력이 좋지 못하다는 문제가 있기 때문에 구리전극과 산화물 반도체 활성층 사이의 접촉층이 필요한데 이와 같은 역할을 하는 금속이 바로 티타늄이다. 따라서 티타늄/구리 이중층을 통해서 저항이 낮고 접촉특성이 좋은 산화물 박막트랜지스터의 전극을 제작할 수 있게 되었다. 한편 투명 디스플레이를 위한 투명전극 재료로는 ITO를 사용할 수 있다. ITO는 금속전극에 비해서는 저항이 높지만 전극으로 사용할 수 있을 정도의 저항크기를 갖고 있으며 산화물 활성층과의 접촉 특성도 좋기 때문에 투명 박막트랜지스터를 위한 전극의 재료로 사용이 될 수 있다. 본 논문에서는 위의 전극재료를 이용해서 산화물 박막트랜지스터를 제작하고 전극과 산화물 활성층의 접촉 특성을 살폈으며 산화물 박막트랜지스터 공정에서 필수적인 어닐링 과정에서 전극의 재료와 산화물의 상호작용으로 인해 발생되는 현상에 대한 연구를 진행하였다. 먼저 박막단위에서의 분석을 시작으로 박막트랜지스터까지 확장하여 전기적 특성에 대한 측정 및 분석을 하였다. 산화물의 물질 종류로는 현재 가장 활발하게 연구되고 있고 양산화 단계까지 도달해 있는 a-IGZO를 선택하였고 이를 진공공정인 스퍼터를 이용하여 박막을 제작하고 전류-전압 특성을 분석하였다. 또한 박막의 캐리어 농도를 구하기 위해서 Hall measurement 시스템에 대해 간단히 정리를 한 후 캐리어 농도와 면저항 등 박막의 전기적 기본 특성을 구하였다. 박막에 대한 분석에 이어서 전극재료에 따른 산화물 박막 트랜지스터를 제작하고 기본 특성에 대한 측정 및 분석결과를 서술하였다. 전극재료가 달라지면 a-IGZO 박막트랜지스터의 활성층과의 접촉저항이 달라질 수 있고 전극재료 자체가 a-IGZO 박막트랜지스터의 활성층에 영향을 끼칠 수 있기 때문에 활성층의 물성이 달라질 수 있어 전극재료가 a-IGZO 박막트랜지스터의 활성층에 어떠한 영향을 끼치는 지에 대한 내용을 중점적 다루었다. 전극재료가 달라졌을 때 산화물 박막트랜지스터의 기본 특성을 분석하는 과정에서 채널의 길이, 소자 제작 후 열처리 온도를 각각 변수로 놓고 추가적으로 분석을 하였다. 전극재료가 달라졌을 때 산화물 박막트랜지스터의 채널 길이 영향성에 대해서 분석하는 방법으로 Transfer Line Method를 이용하여 채널의 저항을 측정하였고 전극과 활성층 사이의 접촉저항도 측정하였다. 또한 채널의 길이가 다른 산화물 박막트랜지스터를 제작하여 이를 통해 전달특성과 출력특성을 측정하여 소자의 전기적 특성 파악하고 분석하였다. 전극재료에 따른 산화물 박막트랜지스터의 열처리 영향성에 대한 구체적인 방법으로 온도를 변화시켰을 때의 전극저항, 접촉저항, 채널저항을 합한 총 저항 값이 어떻게 변하는지에 대해서 측정하였고 전극재료가 달라졌을 때 총 저항 값의 차이가 생긴다는 사실을 확인하였으며 그 이유에 대한 분석을 하였다. 또한 a-IGZO 활성층에서 oxygen vacancy가 생성되는 과정에 대해서 정리하고 이것들과 산화물 박막트랜지스터 공정에서 열처리 단계와의 연관성에 대한 연구를 진행하였다. 마지막으로 전기적 안정성에 대해 문턱전압 측정을 통한 분석으로 전극재료가 달라졌을 때 소자의 신뢰성에 대해서 알아보았다. 신뢰성 테스트 방법으로는 전기적 스트레스와 온도 스트레스를 동시에 가하는 BTS 테스트를 하였다. 먼저 게이트 전극에 20 V의 Positive bias를 가하는 PBTS 실험을 한 후 전극재료에 따른 문턱전압의 이동 차이에 대해서 보고하였고 그 다음 역시 게이트 전극에 -20 V의 Negative bias를 가하는 NBTS 실험을 하고 그 결과에 대해 보고하였다.