스퍼터 증착된 Zinc Tin Oxide 박막의 밀도가 비정질 산화물 트랜지스터의 전기적 특성에 미치는 영향

Abstract

최근에 액정 디스플레이(LCDs)나 유기 발광 다이오드(OLEDs)의 채널 물질로서 비정질 산화물 반도체(AOS) 박막이 널리 사용되고 있다. Zinc-Tin oxide(ZTO) 막은 이와 같은 AOS 물질 중에서도 높은 이동도를 가지면서 생산 비용이 낮아 각광받고 있다. 본 논문에서는 스퍼터링 공정을 이용하여 제작된 ZTO 박막 트랜지스터에서 소자의 전기적인 특성 및 광 신뢰성에 영향을 주는 가장 중요한 인자가 무엇인지를 찾고자 하였고, 그와 더불어 어떠한 메커니즘에 의해 특성 개선에 기여하는지를 밝히고자 하였다. 먼저 스퍼터링 공정 조건을 변경하여 각 조건별 트랜지스터를 제작하였고 해당 트랜지스터의 전기적 평가를 진행하여 양호한 공정 조건을 도출하였다. 그리고, 각 조건의 박막 특성을 분석함으로써 박막의 밀도가 트랜지스터의 특성에 밀접한 연관이 있다는 것을 알 수 있었다. 공정 조건이 다르더라도 공통적으로 박막의 밀도가 높은 트랜지스터에서 전기적, 신뢰성 특성이 모두 좋게 나왔고, 이와 같은 밀도 효과를 확인하고자 공정 압력을 달리한 상태에서 채널층을 연속으로 증착하여 밀도가 다른 다중 채널층을 가지는 트랜지스터를 제작하여 평가를 진행하였다. 다중 채널 트랜지스터의 특성 평가 결과, 전계 효과 이동도는 interface에 의해 좌우되었고, Negative bias illumination stability (NBIS) 신뢰성 특성은 bulk 특성이 주요한 것으로 확인되었다. Interface에 의해 이동도가 좌우되는 것은 Dit와 같은 interface 특성에서 기인된 것이라기 보다는 interface를 형성하는 채널의 전도 특성이 영향을 준 것이며 이를 통해 밀도가 높은 박막일수록 전기 전도도가 높다는 것을 확인할 수 있었다. Hall 측정 결과, 캐리어 농도는 밀도에 따른 차이가 미미하였고, Hall 이동도는 밀도가 높을수록 높게 나타났다. 따라서, 박막의 밀도는 캐리어의 농도 변화보다는 박막 내 저항을 변화시킴으로써 트랜지스터의 전기적인 특성에 기여하는 것으로 판단할 수 있었다. NBIS instability 측면에서는 bulk 전체의 특성이 영향을 주었는데 interface 특성에 의한 영향이 미미한 이유는 서로 다른 밀도를 가지는 ZTO 채널과 SiO2 절연막 사이에서 형성되는 Interface 특성이 크게 차이가 없기 때문으로 판단된다. 다중 채널 트랜지스터 평가를 통해 낮은 밀도의 박막이 NBIS 측면에서 불리한 것은 빛에 의해 여기되는 양전하의 수가 높은 밀도의 박막 대비 더 많기 때문으로 해석할 수 있었고, XPS 분석 결과 상으로도 낮은 밀도의 박막에서 산소 공공의 농도가 더 높게 측정되었기 때문에 이상의 결과들을 통해서 음의 전압에 의해 계면에 trapping 되어 Vth shift를 일으키는 양전하는 산소 공공으로 볼 수 있고, 산화물 반도체의 NBIS 현상을 해석하는 이론 중 하나인 중성 상태의 산소 공공이 빛에 의해 +2 상태로 천이되면서 계면에 trapping되어 특성 열화를 일으킨다는 메커니즘이 본 실험 결과에 잘 들어맞는 것으로 판단할 수 있었다. 박막의 밀도는 원자들의 packing 상태에 의해 영향을 받는다. ZTO 결정상의 이론 밀도는 6.7g/cm3 수준으로 실험상 측정된 값은 max 85% 수준이었다. 비정질 상의 구조적인 disorder와 산소 공공에 의한 밀도 감소를 고려하더라도 이상의 차이를 설명하기 위해서는 pore의 존재를 염두하는 것인 바람직하다고 판단되었고, pore의 존재를 직접적으로 확인하는 것이 어렵기 때문에 굴절률 측정을 통해서 박막의 밀도가 높을수록 porosity가 낮다는 것을 간접적으로 확인할 수 있었다. 산화물 트랜지스터 제작 후 진행하는 열처리 온도가 높아질수록 트랜지스터의 특성이 개선된다는 것은 이미 알려진 결과이다. 본 실험에서는 서로 다른 밀도의 채널을 가지는 트랜지스터에 대해서 열처리 온도에 따른 특성 평가를 진행하였고, 온도가 높아질수록 전기적인 특성 및 신뢰성이 개선되는 점은 기존 실험 결과들과 동일하나 TFT의 이동도는 열처리 온도에 의해, NBIS 신뢰성은 as-dep. 상태의 박막 밀도에 의해 좌우된다는 것을 확인하였다. 그리고, 이상의 결과들을 통해 TFT의 특성은 채널 물질의 disorder와 pore 수준에 의해 영향을 받으며 이 두 가지 인자가 박막의 밀도를 결정하는 것으로 이해할 수 있었다.