After over a decade of huge effort, oxide TFTs have been adopted in the backplane of high resolution TFT-LCD and AMOLED displays. However, as displays evolve to next generation, high resolution over 2000 ppi and high driving speed are required. To meet these demands, realization of high mobility switching and driving TFTs are crucial. Indium oxide (IO) has been suggested as a potential high mobility materials, but its high carrier density and polycrystalline phase often limit the electrical performance. To address this limitation, we propose ultra-thin IO films by means of plasma-enhanced atomic layer deposition. By applying PEALD, uniform and well-defined films can be obtained with precisely fcontrolled thickness. The film was successfully grown by the reaction between $Et_2InN(SiMe_3)_2$ precursor and oxygen plasma. Plasma reaction facilitate film growth rate and change properties of films. A variety of tools were used to measure chemical and electrical characteristics of IO films with deposition temperature ranged from $100^\circ C$ to $250^\circ C$. Depending on substrate temperatures, each film contained different amount of impurities and Si, resulting in chemical composition difference. To estimate the IO film as a channel layer, a bottom-gate coplanar structured TFTs were fabricated with 5-nm thick IO layer. Even though it had polycrystalline structure, not fully amorphous phase, it exhibited quite high mobility. The resultant device fabricated at substrate temperature of $250^\circ C$ showed the field-effect mobility of as high as $39.2 cm^[2}/V \cdot s$, acceptable turn-on voltage value of -1.18 V, subthreshold voltage of 0.27 V/dec. in linear region. Furthermore, this PEALD-IO layer was adopted to vertical channel TFT which has the smallest footprint among the TFTs. Although its field-effect mobility was degraded, it showed a possibility of high performance TFT with good step coverage.
금속 산화물 반도체를 이용한 박막 트랜지스터 (Thin-film transistor, TFT)는 기존의 실리콘 기반의 TFT가 가지지 못하는 장점들이 보고 되면서, 지난 10여 년간 경쟁적으로 연구되어 왔다. 금속 산화물 반도체의 대표적인 특성으로는 투명성, 균일성과 높은 전하 이동도가 있다. 최근에는 실제로 디스플레이 산업에 적용되어, 산화물 반도체를 기반으로 한 AMOLED TV 가 제품으로 출시되고 있다. 하지만 홀로그램, 초고해상도 디스플레이와 같은 차세대 디스플레이로 발돋움 하기 위해서는, 고 이동도TFT 와 더불어 3차원적인 구조적 개선이 필요하다. 특히나 최근에는 수직 채널 TFT와 같이, 아주 작은 픽셀을 구현하는 새로운 구조의 TFT 연구도 활발히 진행되고 있다.
본 연구에서는 활성 층으로서 인듐 산화물 ($In_2O_3$)를 이용하였다. 인듐 산화물은 고이동도 특성을 나타내는 재료로, 이미 인듐 산화물을 기반으로 한 인듐 옥사이드, 인듐 징크 옥사이드, 인듐 갈륨 징크 옥사이드 등이 연구되었다. 인듐 산화물은 연속적으로 연결된 모서리 공유형 $InO_6$으로 인해서 전자를 전달하는 능력이 뛰어나다. 이러한 구조는 인듐을 포함한 다성분계 산화물 안에서도 존재하며 결과적으로 높은 전하 이동도를 구현한다. 그에 따라 이미 스퍼터링, 용액 공정 등의 다양한 방법으로 증착한 인듐 산화물 TFT가 많이 보고 되었다. 하지만 이와 같은 고이동도 산화물 활성층 물질은 본질적으로 많은 양의 캐리어를 포함하고 있고, 특히 결정입계에서의 전자 산란으로 인해 좋은 전기적 특성을 얻기가 어려웠다.
이를 해결하기 위해서 우리는 플라즈마 원자층 증착법 (Plasma-enhanced atomic layer depo-sition, PEALD) 으로 인듐 산화물 활성층을 증착하였다. PEALD를 이용하면 아주 얇은 두께의 균일하고 좋은 품질의 박막 증착이 가능하기 때문에 박막 내의 캐리어를 조절하기에 적절한 방법일 수 있다. 박막 자체의 물리적, 전기적 특성은 XRD, XPS, AFM, TEM, Hall measurement등의 다양한 분석 장비를 이용해 평가되었다. 증착 온도에 따라서 박막은 다른 전기적, 물리적 특성을 보였다. 결과적으로 5nm 의 얇은 인듐 산화물 박막을 TFT에 적용하였고, 특히 250도에서 증착한 박막의 경우 bottom-gate coplanar 구조에서 다결정임에도 불구하고 $39 cm^{2}/V \cdot s$ 정도 의 높은 이동도를 나타내었다. 그리고 PBTS에서 아주 좋은 신뢰성을 보여주었으나, NBTS에서는 oxygen vacancy와 관련된 defect로 인해 NBTS 조건에서 저하된 신뢰성을 나타내었다. PEALD를 이용한 인듐 산화물을 수직 채널 구조의 TFT에도 적용하여 특성을 확인한 결과, 완벽한 step coverage를 나타내었지만, bottom-gate coplanar 구조에 비해서 $13 cm^{2}/Vs$ 정도의 크게 절하된 이동도를 나타내었다. 이것은 소스/드레인 ITO 전극의 과도한 식각에 의해 길어진 채널 길이와 back-channel defect에 의한 것으로 추측된다. 최종적으로, 플라즈마 원자층 증착법을 이용한 인듐 산화물의 고 이동도 박막 트랜지스터로의 적합성을 확인하였다.