• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
• /
• 2014.02a
• /
• pp.333.1-333.1
• /
• 2014

이번 연구는 비정질 인듐-갈륨-아연-산화막(IGZO)을 이용한 박막트랜지스터(TFT)의 열처리 분위기에 따른 전기적 특성을 비교하는 것이다. IGZO의 열처리 시 널리 용하는 Air 분위기 뿐만 아니라, 순수한 N2 및 O2 분위기에서 전기적 특성(Ion/Ioff, S.S 기울기 및 V등)이 어떻게 변하는지를 1차적으로 비교 분석하며, 추후 심화 단계로 gate bias stress가 TFT에 미치는 영향을 확인하였다. 우선 열처리 분위기에 따른 특성을 확인하였다. N2분위기의 경우 다른 분위기와 아주 조금의 차이는 있으나 열처리를 하지 않은 경우를 제외한 나머지는 전체적으로 유사하였다. 좀 더 자세히 보면 두번째의 경우 Forward와 Reverse의 경우 전체적으로 모두 유사해 보였고, 특히 N2분위기의 경우 가장 안정적임을 알 수 있었다. 또 Stress Time에 따른 V의 변화량을 측정하였는데 역시 열처리를 하지 않은 경우에는 시간이 지날수록 변화가 크게 나타나 안정성에 문제가 있었다. 하지만 Air, N2, O2분위기에서는 약간의 미세한 차이는 있으나 전체적으로 유사하였다. 마지막으로 IGZO의 특성상 저온열처리를 하는 경우가 많은데 이러한 경우에는 열처리 시간에 따라 Stress Time의 변화에 따른 V차이를 확인하였다. 실험 결과 열처리 시간이 길어질수록 Stress Time에 따른 V의 변화가 작게 나타났다. 이를 통해 저온의 경우 약 5~8시간의 열처리를 한 경우가 안정적이라는 결론을 얻을 수 있었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
• /
• 2013.08a
• /
• pp.194-194
• /
• 2013

본 연구에서는 a-IGZO 활성층에 다른 dose량의 수소 이온을 조사하여 박막 트랜지스터 소자의 효과를 알아보고, 수소 이온 조사 후, 이온 조사에 따른 불안정한 소자 특성을 안정화시킬 목적으로 후 열처리에 따른 소자 특성을 알아보았다. a-IGZO 활성층에 수소이온을 110keV의 에너지로 가속하여, 수소 이온 조사량을 $1{\times}10^{14}\;ion/cm^2$, $1{\times}10^{15}\;ion/cm^2$, $1{\times}10^{16}\;ion/cm^2$로 조절하였고, 후 열처리 공정은 a-IGZO 활성층에 $1{\times}10^{16}\;ion/cm^2$ 이온조사 후, 대기 분위기로 $150^{\circ}C$, $250^{\circ}C$, $350^{\circ}C$ 각각 1시간 동안 열처리를 진행하였다. Spectroscopy Ellipsometry (SE)로 측정된 3eV이상의 광학적 밴드 갭은 기존에 보고 되었던 비정질 산화물 반도체와도 유사한 밴드 갭을 가지고 있음을 확인하였다. IGZO 박막을 활성층으로 사용하여 수소 이온 조사 공정 후 제작한 박막 트랜지스터는 3.89 $cm^2/Vs$의 전계효과이동도와 0.59V/decade의 문턱전압 이하 기울기를 보았다. 수소 이온 조사 공정을 통한 IGZO 박막 트랜지스터의 output curve가 다소 불안정함을 보였으나, $1{\times}10^{16}\;ion/cm^2$ 이온조사 후, 대기 분위기로 $150^{\circ}C$, $250^{\circ}C$, $350^{\circ}C$ 각각 1시간동안 열처리를 진행한 박막 트랜지스터의 특성은 소자의 불안정성을 보완해줄뿐만 아니라 $350^{\circ}C$ 열처리에서는 16.9 $cm^2/Vs$의 전계효과이동도와 0.33V/decade의 문턱전압 이하 기울기와 같이 더 향상된 박막 트랜지스터의 전기적 특성 결과를 관측하였다. 기존의 연구 되어진 a-IGZO 활성층에 수소이온조사와 후 열처리 공정에 따라 광학적 밴드 갭 에너지 준위의 변화와 박막 및 박막 트랜지스터 특성을 변화시킨다는 결과를 도출하였다.

• Journal of the Microelectronics and Packaging Society
• /
• v.30 no.3
• /
• pp.56-63
• /
• 2023

In this paper, we studied the effect of electron beam irradiation on sol-gel indium-gallium-zinc oxide (IGZO) thin films under air and nitrogen atmosphere and carried out the electrical characterization of the s ol-gel IGZO thin film transistors (TFTs). To investigate the optical properties, crystalline structure and chemical state of the sol-gel IGZO thin films after electron beam irradiation, UV-Visible spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were carried out. The sol-gel IGZO thin films exhibited over 80% transmittance in the visible range. The XRD analysis confirmed the amorphous nature of the sol-gel IGZO films regardless of electron beam irradiation. When electron beam irradiation was conducted in a nitrogen (N₂) atmosphere, we observed an increased proportion of peaks related to M-O bonding contributed to the improved quality of the thin films. Sol-gel IGZO TFTs subjected to electron beam exposure in a nitrogen atmosphere exhibited enhanced electrical characteristics in terms of on/off ratio and electron mobility. In addition, the electrical parameters of the transistor (on/off ratio, threshold voltage, electron mobility, subthreshold swing) remained relatively stable over time, indicating that the electron beam exposure process in a nitrogen atmosphere could enhance the reliability of IGZO-based thin-film transistors in the fabrication of sol-gel processed TFTs.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
• /
• 2014.02a
• /
• pp.231.2-231.2
• /
• 2014

훌륭한 전기적 특성을 갖는 ZnO 기반의 산화물 반도체 박막트랜지스터(TFT)는 AMOLEDs에 적용될 수 있다. 하지만 이러한 장점에도 불구하고 산화물 반도체 TFT소자에 전압이 인가되었을 때 문턱 전압이 이동하게 되는 안정성 문제를 갖는다. 따라서 이를 해결하기 위한 연구가 널리 진행 되고 있다. 본 연구소에서는 고압 분위기 열처리를 통해 안정성의 원인으로 작용할 수 있는 산소공공(Oxygen vacancy)을 감소시키는 연구를 진행하였다. 산화물 반도체 TFT소자의 안정성을 향상시키는 대표적인 분위기 열처리로는 산소 고압 열처리(HPA)가 있으며, 또한 H2O 기체를 사용한 열처리를 통해 TFT소자의 안정성을 높일 수 있다는 연구 결과가 보고된 바 있다. 본 연구에서는 IGZO TFT소자에 H2O보다 더 큰 반응성을 갖는 산화제인 H2O2 기체를 사용한 HPA를 통해 positive bias stress(PBS) 및 negative bias illumination stress(NBIS) 조건에서 안정성이 향상됨을 확인하였고 이를 H2O 기체를 사용한 경우와 비교하였다. 그 결과 H2O2 기체를 산화제로 사용할 때 기존 H2O 기체에 비해 효과적인 PBS 및 NBIS 신뢰성 개선을 확인하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
• /
• 2014.02a
• /
• pp.334.2-334.2
• /
• 2014

본 연구에서는 a-InGaZnO (IGZO) 활성층에 대기분위기에서 열처리 온도를 각각 $150^{\circ}C$, $250^{\circ}C$, $350^{\circ}C$ 실시하여 전자구조와 광학적 특성분석 및 화학적 결합 상태의 변화를 알아보고, 이러한 물성 변화에 따른 소자의 특성을 알아 보았다. 박막 트랜지스터 소자의 전기적 특성은, IGZO 박막에 후 열처리 공정온도 후 제작한 박막 트랜지스터는 $150^{\circ}C$에서 3.1 cm2/Vs의 전계 효과 이동도와 0.38 V/decade의 문턱전압 이하 기울기를 보였으나, $350^{\circ}C$에서는 8.8 cm2/Vs의 전계 효과 이동도와 0.20 V/decade의 문턱전압 이하 기울기로 더 향상된 박막 트랜지스터의 전기적 특성 결과를 관측하였다. 전기적 소자 특성의 변화와 활성층 IGZO 박막 특성 변화와의 상관관계를 조사하기 위하여 X-ray Absorption Spectroscopy (XAS)과 Spectroscopy Ellipsometry (SE)로 측정된 흡수 스펙트럼을 통하여 3 eV 이상의 광학적 밴드 갭은 기존에 보고 되었던 a-IGZO와 유사한 특성을 보이고 있음을 확인하였고, 이러한 측정, 분석법들을 통해 후 열처리 공정 온도에 따른 밴드 갭 부근의 결함준위의 양 변화와 가전자대의 전자구조의 변화에 따라 전기적 특성이 달라짐을 확인 할 수 있었다. 또한, X-ray Photoemission Spectroscopy (XPS)를 통해 측정한 O-1s를 통해 Oxygen deficient state와 밴드 갭 부근의 결함준위와의 상관관계를 도출해낼 수 있었다. 이는 a-IGZO 활성층에 후 열처리 공정 온도 변화에 따라서 전자구조의 혼성변화와 밴드 갭 부근의 결함준위의 양의 변화, 에너지 준위의 변화 및 이와 연관된 화학적 상태 변화가 박막 트랜지스터의 특성 변화를 예상할 수 있다는 결과를 도출하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
• /
• 2015.08a
• /
• pp.208.2-208.2
• /
• 2015

최근 산화물 반도체에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 비정질 산화물 반도체인 In-Ga-Zn-O(IGZO)는 기존의 비정질 실리콘에 비해 공정 단가가 낮으며 넓은 밴드 갭으로 인한 투명성을 가지고 있고, 저온 공정이 가능하여 다양한 기판에 적용이 가능하다. 반도체의 공정 과정에서 열처리는 소자의 특성 개선을 위해 필요하다. 일반적인 열처리 방법으로 furnace 열처리 방식이 주로 이용된다. 그러나 furnace 열처리는 시간이 오래 걸리며 일반적으로 고온에서 이루어지기 때문에 최근 연구되고 있는 유리나 플라스틱, 종이 기판을 이용한 소자의 경우 기판이 손상을 받는 단점이 있다. 이러한 단점들을 극복하기 위하여 저온 공정인 마이크로웨이브를 이용한 열처리 방식이 제안되었다. 마이크로웨이브 열처리 기술은 소자에 에너지를 직접적으로 전달하기 때문에 기존의 다른 열처리 방식들과 비교하여 에너지 전달 효율이 높다. 또한 짧은 공정 시간으로 공정 단가를 절감하고 대량생산이 가능한 장점을 가지고 있으며, 저온의 열처리로 기판의 손상이 없기 때문에 기판의 종류에 국한되지 않은 공정이 가능할 수 있을 것으로 기대된다. 따라서 본 연구에서는 마이크로웨이브 열처리가 소자의 전기적 특성 개선에 미치는 영향을 확인하였다. 제작된 IGZO 박막 트렌지스터는 p-type bulk silicon 위에 thermal SiO2 산화막이 100 nm 형성된 기판을 사용하였다. RCA 클리닝을 진행한 후 RF sputter를 사용하여 In-Ga-Zn-O (1:1:1) 을 70 nm 증착하였다. 이후에 Photo-lithography 공정을 통하여 active 영역을 형성하였고, 전기적 특성 평가가 용이한 junctionless 트랜지스터 구조로 제작하였다. 후속 열처리 방식으로 마이크로웨이브 열처리를 1000 W에서 2분간 실시하였다. 그리고 기존 열처리 방식과의 비교를 위해 furnace를 이용하여 N2 가스 분위기에서 $600^{\circ}C$의 온도로 30분 동안 열처리를 실시하였다. 그 결과, 마이크로웨이브 열처리를 한 소자의 경우 기존의 furnace 열처리 소자와 비교하여 우수한 전기적 특성을 나타내는 것을 확인하였다. 따라서 마이크로웨이브를 이용한 열처리 공정은 향후 저온 공정을 요구하는 소자 공정에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
• /
• 2015.08a
• /
• pp.210.1-210.1
• /
• 2015

최근 산화물 반도체에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 비정질 산화물 반도체인 In-Ga-Zn-O (IGZO)는 기존의 비정질 실리콘에 비해 공정 단가가 낮으며 넓은 밴드 갭으로 인한 투명성을 가지고 있고, 저온 공정이 가능하여 다양한 기판에 적용이 가능하다. 반도체의 공정 과정에서 열처리는 소자의 특성 개선을 위해 필요하다. 일반적인 열처리 방법으로 furnace 열처리 방식이 주로 이용된다. 그러나 furnace 열처리는 시간이 오래 걸리며 일반적으로 고온에서 이루어지기 때문에 최근 연구되고 있는 유리나 플라스틱, 종이 기판을 이용한 소자의 경우 기판이 손상을 받는 단점이 있다. 이러한 단점들을 극복하기 위하여 저온 공정인 마이크로웨이브를 이용한 열처리 방식이 제안되었다. 마이크로웨이브 열처리 기술은 소자에 에너지를 직접적으로 전달하기 때문에 기존의 다른 열처리 방식들과 비교하여 에너지 전달 효율이 높다. 또한 짧은 공정 시간으로 공정 단가를 절감하고 대량생산이 가능한 장점을 가지고 있으며, 저온의 열처리로 기판의 손상이 없기 때문에 기판의 종류에 국한되지 않은 공정이 가능할 수 있을 것으로 기대된다. 따라서 본 연구에서는 마이크로웨이브 열처리가 소자의 전기적 특성 개선에 미치는 영향을 확인하였다. 제작된 IGZO 박막트렌지스터는 p-type bulk silicon 위에 thermal SiO2 산화막이 100 nm 형성된 기판을 사용하였다. RCA 클리닝을 진행한 후 RF sputter를 사용하여 In-Ga-Zn-O (1:1:1)을 70 nm 증착하였다. 이후에 Photo-lithography 공정을 통하여 active 영역을 형성하였고, 전기적 특성 평가가 용이한 junctionless 트랜지스터 구조로 제작하였다. 후속 열처리 방식으로 마이크로웨이브 열처리를 1000 W에서 2분간 실시하였다. 그리고 기존 열처리 방식과의 비교를 위해 furnace를 이용하여 N2 가스 분위기에서 $600^{\circ}C$의 온도로 30분 동안 열처리를 실시하였다. 그 결과, 마이크로웨이브 열처리를 한 소자의 경우 기존의 furnace 열처리 소자와 비교하여 우수한 전기적 특성을 나타내는 것을 확인하였다. 따라서, 마이크로웨이브를 이용한 열처리 공정은 향후 저온 공정을 요구하는 소자 공정에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
• /
• 2016.02a
• /
• pp.256-256
• /
• 2016

기존의 디스플레이 기슬은 마스크를 통해 특정 부분에만 유기재료를 증착시키는 방법을 사용하였으나, 기판의 크기가 커짐에 따라 공정조건에 제약이 발생하였다. 이를 해결하기 위해 최근 용액 공정에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 용액 공정은 기존 진공 증착 방식과 비교하였을 때 상온, 대기압에서 증착이 가능하며 경제적이고, 대면적 균일 증착에 유리하다는 장점이 있다. 반면, 용액 공정으로 제작한 소자는 시간이 지남에 따라 점차 전기적 특성이 변하는 aging effect를 보인다. Aging effect는 용액에 포함된 C기와 OH기 기반의 불순물의 영향으로 시간의 경과에 따라서 문턱전압, subthreshold swing 및 mobility 등의 전기적 특성이 변하는 현상으로 고품질의 박막을 형성하기 위해서는 고온의 열처리가 필요하다. 지금까지 고품질 박막 형성을 위한 열처리는 퍼니스 (furnace) 장비에서 주로 이루어졌는데, 시간이 오래 걸리고, 상대적으로 고온 공정이기 때문에 유리, 종이, 플라스틱과 같은 다양한 기판에 적용하기 어렵다는 단점이 있다. 따라서, 본 연구에서는 $100^{\circ}C$ 이하의 저온에서도 열처리가 가능한 microwave irradiation (MWI) 방법을 이용하여 solution-processed InGaZnO TFT를 제작하였고, 기존의 열처리 방식인 furnace로 열처리한 TFT 소자와 aging effect를 비교하였다. 먼저, solution-processed IGZO TFT를 제작하기 위해 p type Si 기판을 열산화시켜서 100 nm의 SiO2 게이트 산화막을 성장시켰고, 스핀코팅 방법으로 a-IGZO 채널층을 형성하였다. 증착후 열처리를 위하여 1000 W의 마이크로웨이브 출력으로 15분간 MWI를 실시하여 a-IGZO TFT를 제작하였고, 비교를 위하여 furnace N2 gas 분위기에서 $600^{\circ}C$로 30분간 열처리한 TFT를 준비하였다. 제작된 직후의 TFT 특성을 평가한 결과, MWI 열처리한 소자가 퍼니스 열처리한 소자보다 높은 이동도, 낮은 subthreshold swing (SS)과 히스테리시스 전압을 가지는 것을 확인하였다. 한편, aging effect를 평가하기 위하여 제작 후에 30일 동안의 특성변화를 측정한 결과, MWI 열처리 소자는 30일 동안 문턱치 전압(VTH)의 변화량 ${\Delta}VTH=3.18[V]$ 변화되었지만, furnace 열처리 소자는 ${\Delta}VTH=8.56[V]$로 큰 변화가 있었다. 다음으로 SS의 변화량은 MWI 열처리 소자가 ${\Delta}SS=106.85[mV/dec]$인 반면에 퍼니스 열처리 소자는 ${\Delta}SS=299.2[mV/dec]$이었다. 그리고 전하 트래핑에 의해서 발생하는 게이트 히스테리시스 전압의 변화량은 MWI 열처리 소자에서 ${\Delta}V=0.5[V]$이었지만, 퍼니스 열처리 소자에서 ${\Delta}V=5.8[V]$의 큰 수치를 보였다. 결과적으로 MWI 열처리 방식이 퍼니스 열처리 방식보다 소자의 성능이 우수할 뿐만 아니라 aging effect가 개선된 것을 확인할 수 있었고 차세대 디스플레이 공정에 있어서 전기적, 화학적 특성을 개선하는데 기여할 것으로 기대된다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
• /
• 2015.08a
• /
• pp.208.1-208.1
• /
• 2015

최근, 차세대 투명 디스플레이 구동소자로서 산화물 반도체를 이용한 Transparent Amorphous Oxide Semiconductor (TAOS) 기술이 큰 주목을 받고 있다. 산화물 반도체는 기존의 a-Si에 비해 우수한 전기적인 특성과 낮은 구동전압 그리고 넓은 밴드 갭으로 인한 투명성의 장점들이 있다. 그리고 낮은 공정 온도에서도 제작이 가능하기 때문에 유리나 플라스틱과 같은 다양한 기판에서도 박막 증착이 가능하다. 하지만 기존의 furnace를 이용한 열처리 방식은 낮은 온도에서 우수한 전기적인 특성을 내기 어려우며, 공정 시간이 길어지는 단점들이 있다. 따라서 본 연구에서는 산화물 반도체중 In-Ga-Zn-O (IGZO)와 In-Sn-O(ITO)를 각각 채널 층과 게이트 전극으로 이용하였다. 또한 마이크로웨이브 열처리 기술을 이용하여 기존의 열처리 방식에 비해 에너지 전달 효율이 높고 짧은 시간동안 저온 공정이 가능하며 우수한 전기적인 특성을 가지는 투명 박막 트랜지스터를 구현 하였다. 본 실험은 glass 기판위에서 진행되었으며, RF sputter를 이용하여 ITO를 150 nm 증착한 후, photo-lithography 공정을 통하여 하부 게이트 전극을 형성하였다. 이후에 RF sputter를 이용하여 SiO2 와 IGZO 를 각각 300, 50 nm 증착하였고, patterning 과정을 통하여 채널 영역을 형성하였다. 또한 소자의 전기적인 특성 향상을 위해 마이크로웨이브 열처리를 1000 Watt로 2 분간 진행 하였고, 비교를 위하여 기존 방식인 furnace 를 이용하여 N2 분위기에서 $400^{\circ}C$로 30분간 진행한 소자도 병행하였다. 그 결과 마이크로웨이브를 통해 열처리한 소자는 공정 온도가 $100^{\circ}C$ 이하로 낮기 때문에 glass 기판에 영향을 주지 않고 기존 furnace 열처리 한 소자보다 전체적으로 전기적인 특성이 우수한 것을 확인 하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
• /
• 2015.08a
• /
• pp.209.1-209.1
• /
• 2015

Indium gallium zinc oxide (IGZO), indium zinc oxide (IZO) 그리고 zinc tin oxide (ZTO) 같은 zinc oxide 기반의 산화물 반도체는 높은 이동도, 투과도 그리고 유연성 같은 장점을 갖고 있어, display application의 backplane 소자로 적용되고 있다. 또한 최근에는 산화물 반도체를 이용한 thin-film transistor (TFT) 뿐만아니라 resistive random access memory (RRAM), flash memory 그리고 pH 센서 등 다양한 반도체 소자에 적용을 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 그러나 zinc oxide 기반의 산화물 반도체의 전기 화학적 불안정성은 위와 같은 소자에 적용하는데 제약이 있다. 산화물 반도체의 안정성에 영향을 미치는 다양한 요인들 중 한 가지는, sputter 같은 plasma를 이용한 공정 진행 시 active layer가 plasma에 노출되면서 threshold voltage (Vth)가 급격하게 변화하는 plasma damage effect 이다. 급격한 Vth의 변화는 동작 전압의 불안정성을 가져옴과 동시에 누설전류를 증가시키는 결과를 초래 한다. 따라서 본 연구에서는, IGZO 기반의 TFT를 제작 후 plasma 분위기에 노출시켜, power와 노출 시간에 따른 전기적 특성 변화를 확인 하였다. 또한, thermal annealing을 적용하여 열처리 온도와 시간에 따른 Vth의 회복특성을 조사 하였다. 이러한 결과는 추후 산화물 반도체를 이용한 다양한 소자 설계 시 유용할 것으로 기대된다.