• Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea SD
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• v.48 no.6
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• pp.1-6
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• 2011

A transparent oxide thin film transistors (Transparent Oxide-TFT) have been fabricated by RF magnetron sputtering at room temperature using amorphous indium zinc oxide (a-IZO) as both of active channel and source/drain, gate electrodes and co-sputtered $HfO_2-Al_2O_3$ (HfAIO) as gate dielectric. In spite of its high dielectric constant > 20), $HfO_2$ has some drawbacks including high leakage current and rough surface morphologies originated from small energy band gap (5.31eV) and microcrystalline structure. In this work, the incorporation of $Al_2O_3$ into $HfO_2$ was obtained by co-sputtering of $HfO_2$ and $Al_2O_3$ without any intentional substrate heating and its structural and electrical properties were investigated by x-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM) and spectroscopic ellipsometer (SE) analyses. The XRD studies confirmed that the microcrystalline structures of $HfO_2$ were transformed to amorphous structures of HfAIO. By AFM analysis, HfAIO films (0.490nm) were considerably smoother than $HfO_2$ films (2.979nm) due to their amorphous structure. The energy band gap ($E_g$) deduced by spectroscopic ellipsometer was increased from 5.17eV ($HfO_2$) to 5.42eV (HfAIO). The electrical performances of TFTs which are made of well-controlled active/electrode IZO materials and co-sputtered HfAIO dielectric material, exhibited a field effect mobility of more than $10cm^2/V{\cdot}s$, a threshold voltage of ~2 V, an $I_{on/off}$ ratio of > $10^5$, and a max on-current of > 2 mA.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2015.08a
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• pp.214.1-214.1
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• 2015

Thin-film transistors (TFTs)의 채널층으로 널리 쓰이는 indium-gallium-zinc oxide (IGZO)는 높은 전자 이동도(약 10 cm2/Vs)를 나타내며 유기 발광 다이오드디스플레이(OLED)와 대면적 액정 디스플레이(LCD)에 필수적으로 사용되고 있다. 하지만, 이러한 재료는 우수한 TFT의 채널층의 특성을 가지는 반면, ZnO 기반 재료이기 때문에 소자 구동에서의 안정성은 가장 큰 문제로 남아있다. 따라서 최근, IGZO layer의 특성을 향상시키기 위한 연구가 다양한 방법으로 시도되고 있다. IGZO의 조성비를 조절하여 전기적 특성을 최적화거나 IGZO layer의 조성 중 Ga을 다른 금속 메탈로 대체하는 연구도 이루어지고 있다. 그러나 IGZO에 미량의 도펀트를 첨가하여 박막 특성 변화를 관찰한 연구는 거의 진행되지 않고 있다. 산화물 TFTs의 전기적 특성과 안정성은 산소 함량에 영향을 많이 받는 것으로 알려져 있으며, 더욱이 TFT 채널층으로 쓰이는 IGZO 박막의 고유한 산소 공공은 디바이스 작동 중 열적으로 활성화 되어 이온화 상태가 될 때 소자의 안정성을 저하시키는 것이 문제점으로 지적되고 있다. 그러므로 본 연구에서는 낮은 전기 음성도(1.22)와 표준전극전위(-2.372 V)를 가지며 산소와의 높은 본드 엔탈피 값(719.6 kJ/mol)을 가짐으로써 산소 공공생성을 억제할 것으로 기대되는 yttrium을 IGZO의 도펀트로 도입하였다. 따라서 본 연구에서는 Y-IGZO의 박막 특성 변화를 관찰하고자 한다. 본 연구에서는 magnetron co-sputtering법으로 IGZO 타깃(DC)과 Y2O3 타깃(RF)를 이용하여 기판 가열 없이 동시 방전을 이용해 non-alkali glass 기판 위에 증착 하였다. IGZO 타깃은 DC power 110 W으로 고정하였으며 Y2O3 타깃에는 RF Power를 50 W에서 110 W까지 증가시키면서 Y 도핑량을 조절하였다. Working pressure는 고 순도 Ar을 20 sccm 주입하여 0.7 Pa로 고정하였다. 모든 실험은 $50{\times}50mm$ 기판 위에 총 두께 $50nm{\pm}2$ 박막을 증착 하였으며, 그 함량에 따른 전기적 특성 및 광학적 특성을 살펴보았다. 또한, IGZO 박막 제조 시 박막의 안정화를 위해 열처리과정은 필수적이다. 하지만 본 연구에서는 열처리를 진행하지 않고 Y-IGZO의 안정성 개선 여부를 보기 위하여 20일 동안 상온에서 방치하여 그 전기적 특성변화를 관찰하였다. 나아가 Y-IGZO 채널 층을 갖는 TFT 소자를 제조하여 소자 구동 특성을 관찰 하였다. Y2O3 타깃에 가해지는 RF Power가 70 W 일 때 Y-IGZO박막은 IGZO박막과 비교하여 상대적으로 캐리어 밀도는 낮은 반면 이동도는 높은 최적 특성을 얻을 수 있었다. 상온방치 결과 Y-IGZO박막은 IGZO박막에 비해 전기적 특성 변화 폭이 적었으며 이것은 Y 도펀트에 의한 안정성 개선의 결과로 예상된다. 투과도는 Y 도핑에 의하여 약 1.6 % 정도 상승하였으며 밴드 갭 내에서 결함 준위로 작용하는 산소공공의 억제로 인한 결과로 판단된다.

• Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers
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• v.50 no.2
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• pp.98-103
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• 2013

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.