Co-sputtered HfO_2-Al2O_3을 게이트 절연막으로 적용한 IZO 기반 Oxide-TFT 소자의 성능 향상 (Enhanced Device Performance of IZO-based oxide-TFTs with Co-sputtered HfO_2-Al_2O_3 Gate Dielectrics)

서지정보

· 발행기관 : 대한전자공학회
· 수록지 정보 : 전자공학회논문지 - SD / 48권 / 6호 / 1 ~ 6페이지
· 저자명 : 손희근, 양정일, 조동규, 우상현, 이동희, 이문석

초록

투명 산화물 반도체 (Transparent Oxide-TFT)를 활성층과 소스/드레인, 게이트 전극층으로 동시에 사용한 비결정 indium zinc oxide (a-IZO), 절연층으로 co-sputtered HfO_2-Al_2O_3 (HfAlO)을 적용하여 실온에서 RF-magnetron 스퍼터 공정에 의해제작하였다. TFT의 게이트 절연막으로써 HfO_2 는 그 높은 유전상수 ( >20)에도 불구하고 미세결정구조와 작은 에너지 밴드갭 (5.31eV) 으로 부터 기인한 거친 계면특성, 높은 누설전류의 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는, 어떠한 추가적인 열처리공정 없이 co-sputtering에 의해 HfO_2와 Al_2O_3를 동시에 증착함으로써 구조적, 전기적 특성이 TFT 의 절연막으로 더욱 적합하게 향상되어진 HfO_2 박막의 변화를 x-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM) and spectroscopic ellipsometer (SE)를 통해 분석하였다. XRD 분석은 기존 HfO_2 의 미세결정 구조가 Al_2O_3와의 co-sputter에 의해 비결정 구조로 변한 것을확인 시켜 주었고, AFM 분석을 통해 HfO_2 의 표면 거칠기를 비교할 수 있는 RMS 값이 2.979 nm 인 것에 반해 HfAlO의 경우 0.490 nm로 향상된 것을 확인하였다. 또한 SE 분석을 통해 HfO_2 의 에너지 밴드 갭 5.17 eV 이 HfAlO 의 에너지 밴드 갭5.42 eV 로 향상 되어진 것을 알 수 있었다. 자유 전자 농도와 그에 따른 비저항도를 적절하게 조절한 활성층/전극층 으로써의 IZO 물질과 게이트 절연층으로써 co-sputtered HfAlO를 적용하여 제작한 Oxide-TFT 의 전기적 특성은 이동도 10cm^2/V·s 이상, 문턱전압 2 V 이하, 전류점멸비 10^5 이상, 최대 전류량 2 mA 이상을 보여주었다.

영어초록

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 (HfAlO) 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 Al2O3 into HfO_2 was obtained by co-sputtering of HfO_2and 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 HfAlO. By AFM analysis, HfAlO films (0.490nm) were considerably smoother than HfO_2 films (2.979nm) due to their amorphous structure.
The energy band gap (Eg) deduced by spectroscopic ellipsometer was increased from 5.17eV (HfO_2) to 5.42eV (HfAlO).
The electrical performances of TFTs which are made of well-controlled active/electrode IZO materials and co-sputtered HfAlO dielectric material, exhibited a field effect mobility of more than 10cm2/V·s, a threshold voltage of~2 V, an Ion/off ratio of >105, and a max on-current of >2 mA.

참고자료

· 없음