The complementary metal-oxide-semiconductor (MOS) technology has been rapidly enhanced for high-performance and low-power devices. According to the international technology roadmap for semiconductors, the conventional MOS structures should be replaced by high-k/metal gate structures with strained channels, ultra-thin body structures with silicon-on-insulator (SOI), and multi-gate structures such as Fin-type field-effect-transistors until 2018. On the other hand, the cathode ray tubes (CRTs) have been replaced by the flat panel displays owing to the thin-film-transistors (TFTs), which exploit the hydrogenated amorphous Si channels. However, in order to implement the transparent and flexible displays for future electronic industries, conventional TFT devices should be significantly improved. For this goal, the amorphous oxide semiconductors such as indium-gallium-zinc oxides have been considered as the promising channel materials in such TFT devices.
However, the device instabilities such as flat band and threshold voltage shifts are problematic for the mass production of future electronic devices based on metal-oxide-semiconductor field-effect-transistors (MOSFETs) or TFTs. In the extensive study of conventional Si-based MOS devices, the origin of such instabilities is attributed to defects and impurities in the oxide or at the interface. Therefore, such new devices on the future roadmap might be hindered by other different types of defects from those in the conventional structures. For several decades, the atomic and electronic structures of defects in a crystal have been successfully studied by first-principles density-functional calculations. Although some experimental works such as x-ray photoemission spectroscopy analyses show several defect properties, theoretical approach in the atomic scale gives more profound insights on such problems. Therefore, in this work, some defect properties related to the instabilities in the MOSFET and TFT devices are systematically studied under the density-functional theory framework.
The first trial is performed for O-vacancy defects (Vo) in the HfSiO4-based MOS devices. In amorphous HfSiO4, there are three types of Vo defects such as Si-, HfSi-, and Hf-related defects. Among them, Si-related Vo defects are easily formed although they are not charge trap centers in HfSiO4-based MOS devices. Therefore, Si incorporations into HfO2 effectively reduce the Hf-related defects, which act as charge trap centers in HfO2-based MOS devices, resulting in the mitigation of device instability. The effects of Vo defects at the metal/high-k interfaces on the effective work functions are also studied, using simple interface model structures such as Ni/c-HfO2 and Ni/α-quartz. As the ratio of Vo defects at the Ni/c-HfO2 interface increases, the effective work functions of Ni on c-HfO2 are reduced unlike the Ni/α-quartz interface. This result is attributed to the charge transfer from the Hf to Ni atoms. Therefore, in metal/high-k interface structures, the effective work functions are significantly affected by the interface bonding configurations, as compared to the metal/SiO2 interface structures.
On the other hand, several studies for TFT devices are also performed using amorphous In-Ga-Zn-O semiconductors (a-IGZO), which are considered as the best candidate for the channel materials in transparent and flexible TFT devices. First, some electronic properties of Vo defects in a-IGZO are investigated. As a result, in contrast to crystalline In-Ga-Zn-O, there are a few ionized Vo defects, which might affect the positive threshold voltage shift under the positive bias stress. However, most Vo defects in a-IGZO have deep defect levels, supporting the negative bias illumination stress (NBIS) instability mechanism, where the photo-induced holes are captured by hole traps, resulting in the negative threshold voltage shift.
지금까지 반도체 메모리 분야에서의 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 기술은 고성능 저전력 소자 개발을 위해 빠르게 발전되어 왔다. 최근 게시된 international technology roadmap에 따르면, 현재의 전통적인 CMOS 구조는 이러한 발전을 지속시키기 위해 2018 년까지 metal gate/high-k oxide/strained channel에 의해 scaling된 planar CMOS 구조, SOI(silicon-on-insulator)에 의한 ultra-thin body 구조, 그리고 FinFET(Fin-type field-effect-transistor)에 의한 multi-gate 구조로 바뀌어갈 것으로 전망하고 있다. 한편, 디스플레이 분야에서는 수소화된 비정질 실리콘 채널로 이루어진 TFT(thin-film-transistor) 소자 기술의 응용으로 CRT(cathode ray tube)와 같은 구형 디스플레이가 평면 디스플레이로 꾸준히 대체되어 오고 있는 상황이지만, 향후 투명하고 구부리기 쉬운 평면 디스플레이로 발전해 나가기 위해서는 TFT 소자 기술에 대한 개선이 필요한 실정이다. 이를 위해 현재, 비정질 인듐-갈륨-아연 산화물과 같은 비정질 산화물 반도체를 TFT 소자의 새로운 채널 물질로 사용하는 방안이 활발하게 연구되어 오고 있다.
그러나, 이러한 새로운 소자에서 발생하는 flat band 및 threshold voltage shift와 같은 불안정성 문제는 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect-transistor) 및 TFT를 기반으로 하는 미래형 전자 제품 양산에 큰 장애가 된다. 전통적인 실리콘 기반의 MOS(metal-oxide-semiconductor) 소자에 대한 여러 가지 연구에서, 그러한 불안정성은 SiO2 층이나 계면 상의 결함 혹은 불순물에 의해 나타나는 것으로 여겨지고 있다. 따라서, 미래의 technology roadmap 상에서 고려하고 있는 새로운 구조의 소자들에서도 기존 MOS 소자에서와는 다른 형태의 결함에 의해 소자의 불안정성 문제가 야기되는 것일 수 있다. 결정질 내 결함들의 원자 및 전자 구조적 특징은 범밀도 함수 이론에 기반한 제일원리 계산을 통해 그 동안 성공적으로 연구되어 왔다.
XPS(x-ray photoemission spectroscopy) 분석과 같은 실험을 통해서도 몇몇 결함 특성들을 알아낼 수 있지만, 원자 수준에서의 이론 연구는 결함 관련 문제를 보다 종합적으로 바라볼 수 있게 해 준다. 따라서 이 논문에서는 새로운 구조와 함께 발생하는 소자 불안정성과 관련된 결함 특성에 관해 범밀도 함수 이론을 이용한 연구를 수행한다.
이에 대한 첫 번째 시도로, HfSiO4를 gate dielectric으로 이용하는 MOS 소자 내의 산소 결핍 결함에 관한 연구를 수행한다. 비정질 HfSiO4에는 세 가지 유형의 산소 결핍 결함이 나타나는데, 이들은 각각 Si-, HfSi-, 그리고 Hf-관련 결함으로 명명할 수 있다. 이들 중 Si-관련 결함은 에너지적으로 쉽게 형성되지만 HfSiO4 기반 MOS 소자에서 charge trap으로 작용하지 않는다. 따라서, HfO2에 Si 원자를 주입할 경우, HfO2에서 charge trap으로 여겨지고 있는 Hf-관련 결함을
효과적으로 줄일 수 있고, 이에 따라 소자 불안정성이 완화된다. 한편, high-k oxide/metal gate 계면 상의 산소 결핍 결함이 금속의 effective work function에 미치는 영향을 간단한 Ni/c-HfO2 및 Ni/α-quartz 계면 모델을 통해 조사해 본다. Ni/α-quartz 계면에서와는 달리, Ni/c-HfO2 계면 상에서는, 산소 결핍 결함이 증가하게 되면 Ni 의 effective work function이 감소하게 되며, 이는 Hf 원자에서 Ni 원자로 전하가 이동함에 따라 나타나는 현상이다. 따라서, high-k oxide/metal gate 계면 구조에서 금속의 effective work function은 SiO2 oxide/metal gate 계면 구조에 비해 계면 상의 결합 상태에 따른 영향을 훨씬 더 크게 받는다.
다음으로 투명하면서 구부리기 쉬운 TFT 소자의 채널 물질로 각광받고 있는 비정질 In-Ga-Zn-O (a-IGZO)에 대한 몇 가지 연구를 수행한다. 먼저 a-IGZO 내 산소 결핍 결함의 전자 구조 특성을 분석해 본 결과, 결정질 In-Ga-Zn-O에서와는 달리 이온화된 산소 결핍 결함이 나타나고 있으며, 이는 양의 게이트 전압 하에서 발생되는 threshold voltage shift의 한 원인이 될 수 있다. 하지만, 대부분의 산소 결핍 결함은 deep한 결함 에너지 준위를 가지고 있으며, 이는 NBIS(negative bias illumination stress) 불안정성 메커니즘을 잘 뒷받침해 준다. 이 메커니즘에 따르면, 빛에 의해 여기된 정공이 deep한 결함 에너지 준위를 갖는 charge trap에 포획됨으로써
threshold voltage shift가 일어나게 되는데 산소 결핍 결함은 그러한 charge trap에 대응된다.
