Influence of Co-sputtered HfO2-Si Gate Dielectric in IZO-based thin Film Transistors

In this work, we investigated the enhanced performance of IZO-based TFTs with $HfSiO_x$ gate insulators. Four types of $HfSiO_x$ gate insulators using different diposition powers were deposited by co-sputtering $HfO_2$ and Si target. To simplify the processing sequences, all of the layers composing of TFTs were deposited by rf-magnetron sputtering method using patterned shadow-masks without any intentional heating of substrate and subsequent thermal annealing. The four different $HfSiO_x$ structural properties were investigated x-ray diffraction(XRD), atomic force microscopy(AFM) and also analyzed the electrical characteristics. There were some noticeable differences depending on the composition of the $HfO_2$ and Si combination. The TFT based on $HfSiO_x$ gate insulator with $HfO_2$(100W)-Si(100W) showed the best results with a field effect mobility of 2.0[$cm^2/V{\cdot}s$], a threshold voltage of -0.5[V], an on/off ratio of 5.89E+05 and RMS of 0.26[nm]. This show that the composition of the $HfO_2$ and Si is an important factor in an $HfSiO_x$ insulator. In addition, the effective bonding of $HfO_2$ and Si reduced the defects in the insulator bulk and also improved the interface quality between the channel and the gate insulator.

HfO2-Si의 조성비에 따른 HfSiOx의 IZO 기반 산화물 반도체에 대한 연구

본 연구에서는 IZO를 활성층으로 하고 $HfSiO_x$를 절연층으로 한 TFT에 대하여 그 성능을 측정하였다. $HfSiO_x$는 $HfO_2$ target과 Si target을 co-sputtering 하여 증착하였으며 RF power를 달리 하여 네 가지의 $HfSiO_x$ 박막을 제작하였다. 공정의 간소화를 위해 게이트 전극을 제외한 모든 층들은 RF-magnetron sputtering system과 shadow mask만을 이용하여 증착하였으며 공정의 간소화를 위해 어떠한 열처리도 하지 않았다. 네 가지 $HfSiO_x$ 박막의 구조적 변화를 X-ray diffraction(XRD), atomic force microscopy(AFM)을 통해 분석하였고, 그 전기적 특성을 확인하였다. 박막 내 $HfO_2$와 Si의 조성비에 따라 그 특성이 현저히 차이가 남을 확인하였다. $HfO_2$(100W)-Si(100W)의 조건으로 증착한 $HfSiO_x$ 박막을 절연층으로 한 소자의 특성이 전류 점멸비 5.89E+05, 이동도 2.0[$cm^2/V{\cdot}s$], 문턱전압 -0.5[V], RMS 0.263[nm]로 가장 좋은 결과로 나타났다. 따라서 $HfSiO_x$ 박막 내의 적절한 $HfO_2$와 Si의 조성비가 계면의 질을 향상시킴은 물론, $HfO_2$자체의 trap이나 defect를 효과적으로 줄여 줌으로써 소자의 성능 향상에 중요한 요소라 판단된다.