Recently, ZnO has been also studied in electronic industries, such as thin film transistor (TFT), light emitting diode (LED), solar cell, transparent electrode, wave guide, micro-sensor, and etc. The applications for electronic industries using ZnO is possible due to the specific characters of ZnO. ZnO has 3.8 direct band gap, relatively larger exciton binding energy (~60 meV) than GaN which is another Ⅱ-Ⅵ compound semiconductor. However, ZnO-TFTs exhibited large threshold and high operating voltages, major limitations for portable, battery-powered applications. These limitations can be solved by using the high-k materials as a gate dielectric, which increases the capacitive coupling between the gate electrode and the active layer at low voltage. Therefore, many research groups have investigated to use high-k materials such as Al2O3, HfO2, and SiO2 mixtures However, few researchers have reported on the thermal stability between the high-k dielectric and the active layer, even though the interface change between the high-k dielectrics and the active layer plays an important role in enhancing the device performance. In this dissertation, the principal goal is that fabricating of low power ZnO-TFTs, improving of ZnO-based TFTs characters and stability by clarifying the interface characteristics between ZnO and High??k dielectric material grown by Atomic layer deposition
It was examined that the structural and compositional changes in the ZnO layer and the Al2O3 layer that were grown on a Si substrate by ALD for a TFT. After the growth, the film was subjected to RTA at 610, 615, 620, 700, and 800 °C for 30 s, in a N2 atmosphere. As the annealing progressed, the Zn that diffused into the lower layer of the film reacted with Al2O3, and then the ZnAl2O4 structure was formed. This spinel structure was independently nucleated in the Zn-rich Al2O3 layer, and there was the specific crystallographic orientation relations with ZnO, Al2O3, and ZnAl2O4. All the changes related to the degradation of ZnO and the nucleation of ZnAl2O4 rapidly occurred at ~ 600 °C. In electrical properties of ZnO-TFTs using ZnO/Al2O3 layers, typical TFT characteristics were shown until the annealing temperature increased to 600 °C, and the Vth was gradually decreased from 4.2 to 1.8 V. However, at 700 °C, the TFT devices are always open, and the ZnAl2O4 generation and the ZnO layer degradation was related with the changes of these ZnO-TFTs characteristics. Therefore, when a postannealing process is used to improve TFTs using ZnO/Al2O3, the diffusion and phase transformation should be carefully considered.
The strain & stress in the ZnO layer caused by thermal energy could be ignored, and the relative Al2O3 density difference by the ALD growth methods (thermal and plasma enhanced) affect on the degree of the Zn ion diffusion to the Al2O3 layer. Additionally, the relative low oxygen contents in the ZnO layer play an important role to generate the ZnAl2O4 structure by the oxygen rearrangement retardation. At the aspect of the Zn diffusion tendency, the Zn diffusion at the beginning stage (620 °C) showed that the relative nucleated ZnAl2O4 structures were more generated at ZnO/Al2O3 interface than Al2O3/ZnO interface. However, at 700 °C, there were less difference of the Zn diffusion. This similarity at 700 °C was because that the top Al2O3 layer was relatively less affected other layers (ZnO, bottom Al2O3 and Si-substrate).
The ZnAl2O4 was generated at 620 °C, and the generated ZnAl2O4 grains could not have strict epitaxial relations with the ZnO grains. However, although the interface of ZnO and ZnAl2O4 had irregularly distributed defects and no strict epitaxial relations, the strain in the ZnAl2O4 grains was considerably influenced by the orientation relation between ZnO and ZnAl2O4 which was related to the oxygen rearrangement for the ZnAl2O4 generation. Especially, at the ZnAl2O4 nucleation stage of Al2O3/ZnO system, the small ZnO grain at the top of the ZnO layer was not merely formed in the process of the ZnO grain growth by annealing process, and the additional energy except the Zn ion diffusion was consumed for the small ZnO grains tilting.
Using another representative high-k dielectric material HfO2 thin film for the barrier material between ZnO and Al2O3, characteristics of ZnO/HfO2/Al2O3 based thin film transistor was investigated. Lastly, IGZO-based TFTs which have better electronic characters than pure ZnO for the channel layer of TFTs were investigated at the high post annealing temperature to compare with ZnO-based TFT.
최근 들어서 ZnO는 박막 형 트랜지스터, LED, 태양전지, 투명전극, wave guide, 마이크로 센서 등 전자 산업에 있어서 연구 되고 있는 각광받는 재료이다.
ZnO를 사용하여 이러한 분야로의 적용이 가능하게 된 것은 ZnO 자체가 지니고 있는 물성적 특성 때문이며, ZnO는 3.8eV의 직접천이 형 밴드 갭을 가지며, 또 다른 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체인 GaN 보다 약 60 meV의 여기자(勵起子) 결합 에너지를 가지고 있다. 그러나 ZnO를 기반으로 박막 형 트랜지스터의 제작 시에는 기존의 실리콘 기반의 트랜지스터에 비해 높은 문턱 전압 및 동작 전압을 가지고 있어서, 휴대용 배터리의 적용 등 전력소비를 요하는 분야에서 문제가 되고 있다. 산화 아연 기반의 박막 형 트랜지스터의 이러한 문제점은 고 유전 상수 값을 가진 게이트 유전체 (誘電體)의 사용함에 따라, 낮은 전압에서도 게이트 전극과 채널 층 사이의 용량 결합 (容量結合)을 이루게 함으로써 해결이 가능하다. 따라서 본 연구에서는 고 유전 상수를 가진 Al2O3과, HfO2를 유전체로 사용함으로써 저 전압 박막형 트랜지스터의 제작과 채널 간의 안정성 및 계면특성에 따른 소자 특성에 관한 연관성을 규명하고자 한다.
본 연구에 있어서 채널과 게이트 유전체는 ZnO와 Al2O3를 사용하였으며 원자층증착법 (ALD)을 이용하여 실리콘 기판 위에 성장시켰다. 그 후 급열처리 장비를 이용 30초 동안 질소 분위기에서 610, 615, 620, 700, 그리고 800 °C 에서 열처리를 시행하였다. 열처리 진행 후 600 °C 근방에서, ZnO와 Al2O3과의 반응으로 인하여 ZnAl2O4 구조가 계면에서 형성되었다. ZnAl2O4는 대표적인 스피넬 화합물로써 Zn의 비율이 상대적으로 높은 Al2O3층과 ZnO 층의 계면에 다양한 면간 관계를 가지고 핵 생성이 이루어졌다. 그러나 이렇게 생성된 ZnAl2O4는 이것의 성장 시에 특정 방향관계 (ZnO [100]//ZnAl2O4 [11(_)0], ZnO (001)//ZnAl2O4 (111))를 가진 것이 우선적으로 이루어졌음을 규명하였다. 이러한 ZnO와 Al2O3를기반으로 한 ZnO 박막 형 트랜지스터의 전기적 특성에 있어서, 전형적인 박막 형 트랜지스터의 특성은 600 °C까지 나올 수 있었으며 문턱전압은 드레인 전압을 8 V로 고정 시에 4.2 V에서 1.8 V로 점진적으로 감소하였다. 전자의 이동성 (mobility)은 1.4에서 2.5로 증가하였다. 그러나 700 °C에서는 이러한 박막 형 트랜지스터의 특성이 나타나지 않았으며, 이는 두 층간의 반응에 의해서 생긴 ZnAl2O4가 생성된 전자의 흐름을 방해하며 누설전류의 원인이 되었기 때문이다. 따라서 본 막막구조를 기반으로 한 박막 형 트랜지스터의 특성 향상을 위한 후 열처리 과정에 있어서 주의를 기울여야 함을 밝혀내었다.
ZnAl2O4 의 생성에 있어서 ALD 증착 방법상 세부적인 조건들과 성장된 박막구조 자체에서 오는 영향들을 살펴 보았다. 응력과 변형의 영향은 무시할 수 있었으며, Al2O3를 PEALD를 이용하여 성장하였을 때 Zn의 확산이 억제됨으로써 ZnAl2O4의 생성되는 온도가 낮아졌다는 것에서 박막자체의 밀도가 영향을 크게 미침을 알 수 있었다. 또한 ZnO의 성장 온도를 달리하여 ZnO 박막 내부의 상대적인 산소량을 조절함으로써 ZnAl2O4를 형성하는데 있어서 산소의 재배열을 위해 이 산소량 또한 중요한 영향을 하는 것을 밝혀내었다. Zn 확산 자체의 경향성에 있어서는 ZnO/Al2O3 계면이 Al2O3/ZnO 계면에서 보다 더 많은 ZnAl2O4의 생성을 보여주었다. 그러나 700 °C 이상에서는 계면위치에 상관없이 동일한 모습을 보여주었다.
생성된 ZnAl2O4와 ZnO의 계면관계를 규명하기 위해 Al2O3두 층 사이에 ZnO 층이 들어간 샌드위치 구조를 형성한 후 620 °C에서 열처리를 진행하여 ZnAl2O4를 생성시켜 이들 관계를 살펴보았다. 이들 계면간에는 불규칙하게 배열된 결함들과 하나의 특정 방향관계만을 보여주지 않았지만, 생성된 ZnAl2O4내부에 존재하는 변형(strain)은 산소의 재배열과 관련된 ZnO와 ZnAl2O4의 방향관계에 영향을 받음을 밝혀내었다. 특이한 것은 Al2O3/ZnO 계면에서 ZnAl2O4의 핵생성 단계에, ZnO 층 맨 윗부분에 작은 ZnO 결정립들은 단순히 열처리 과정에 의해서 생성된 것이 아니라 ZnAl2O4를 형성하기 위해 Zn이온의 확산과 더불어 이뤄진 것임을 규명하였다.
소자적 측면에서 ZnO/Al2O3층으로 이루어진 박막형 트랜지스터의 안정성을 높이기 위해 또 다른 고유전체인 HfO2를 확산방지막으로써 사용하여 그 효과를 규명하였으며 최소 두께 및 특성에 관하여 나타내었다. 마지막으로 비정질 IGZO 기반의 박막형 트랜지스터를 제작하여 ZnO 기반 박막형 트랜지스터와의 특성평가를 비교하였다.
