In this dissertation, anomalous charge pumping current of polycrystalline silicon thin film transistors (poly-Si TFTs) is analyzed and modeled. In contrast with the conventional MOSFETs, large substrate resistance of poly-Si TFTs can suppress the carrier supply from the body and source/drain regions, which distorts the charge pumping current especially at high frequency range. The model can describe well the anomalous frequency characteristics that the charge pumping current starts to decrease with frequency above a critical frequency. The critical frequencies for several devices with different sizes were calculated and these were in good agreement with those of experiment. The model suggests frequency range and size of devices should be chosen carefully for the correct evaluation of trap state density. Based on the model, process influence on traps and electrical characteristics were examined for two kinds of devices: one with a gate oxide by electron cyclotron resonance (ECR) $O_2$ plasma oxidation and the other with a chemical vapor deposition (CVD) oxide. Hole capture cross section was extracted to be $1.0\times10^{-17}cm^{-2}$ for both groups, but the ECR group shows much larger substrate resistance and lower trap density which is thought to be caused by an $O_2$ passivation effect. The trap characteristics of the ECR group are related with excellent electrical characteristics such as higher mobility, lower subthreshold slope and leakage current.
We also showed by calculations and verified by experiments that the substrate resistance of poly-Si TFTs causes the large geometric component especially when the gate pulse transition time is short. We proposed a model for the geometric component explaining the rising/falling time dependence of the charge pumping current in poly-Si TFTs, which is helpful to decide the proper range of gate pulse transition times for extracting the energy distribution of traps. The proposed model is confirmed by the experimental results.
Finally, a new method is suggested to extract capture cross section distribution of traps by charge pumping method. The value of the parameter decays exponentially near band edges, which is coincide with the results of Si/$SiO_2$ interface states in MOS capacitors examined by the conductance method.
다결정 박막 트랜지스터는 고밀도 메모리, 디스플레이, 센서 등에 응용되어 활발하게 연구되어지고 있는 소자이다. 하지만 이러한 도입을 어렵게 하는 다결정 소자의 가장 큰 문제점은 트랩이 밀집되어 있는 결정 경계 (grain boundary)가 기판 내에 무작위로 존재함으로써 그 전기적 특성을 정확하게 모델링하기가 어려워 회로 설계가 쉽지 않다는 점이다. 트랩 특성의 정확한 규명은 다결정 박막 트랜지스터의 성공적 응용에 필수적이라 할 수 있으나 현재까지 신뢰할 만한 평가 방법이 구축되어 있지 못한 것이 실정이다.
최근 들어, 단결정 실리콘 트랜지스터의 Si/$Si_1O_2$, interface trap 특성을 분석하기 위해 발전되어 온 전하 펌프 기법이 다결정 소자에 응용되어 지고 있다. 단결정 실리콘 트랜지스터의 interface trap 을 규명하기 위한 전하 점프 기법은 다양한 트랩 특성을 직접적이고 용이하게 추출할 수 있는 장점을 지닌 터라 이에 대한 모델링은 이미 상당히 진행되어 왔지만 다결정 실리콘 트랜지스터에 응용되어진 경우에 대해서는 모델링은 물론이고 문제점에 대한 연구도 전무하다고 할 수 있다. 따라서 아직까지는 다결정 실리콘 소자로의 응용에 대한 신뢰성이 떨어진다. 이에 본 논문에서는 전하 펌프 기법을 다결정 소자에 적용하였을 때 나타나는 제반 문제점을 분석하고 이를 모델링함으로써 소자 내 존재하는 트랩 특성을 공정의 영향까지 고려하여 정확하게 밝히고자 최초로 시도하였다.
다결정 실리콘 트랜지스터에서의 전하 펌프 전류의 왜곡 원인으로 기판 저항을 고려하였으며, 소자 모델을 제시한 뒤 전하 펌프 전류에 관한 식을 수립하였다. 그리고 제안된 전하 점프 전류 모델이, 다결정 트랜지스터에서 게이트에 가해지는 펄스의 주파수 의존성과 rising, falling time 과 같은 펄스의 transition time 의존성에 관한 실험 결과를 훌륭하게 설명함을 확인하였다 이를 통해 확인할 수 있는 것은 다결정 실리콘 소자의 큰 기판 저항은
1. Free carrier의 transit time을 지연시킴으로써 특히 고주파영역에서 전하 펌프 작용을 억제하여 주파수 의존성에 대한 단결정 실리콘 소자에서의 전하 점프 전류 식과는 다른 결과를 보인다.
2.펄스의 transition time이 충분치 않을 경우 기판 내에서 트랩을 경유하지 않은 recombination을 통한 geometric component를 야기시킴으로써 전하 점프 전류 해석을 왜곡시킨다.
제안된 모델을 통해 트랩 특성의 정확한 규명을 위한 전하 펌프 전류 측정 조건을 찾을 수 있으며 소자의 기판 저항과 함께 트랩의 평균 밀도, 에너지 분포 및 capture cross section 등과 같은 다양한 트랩 특성을 용이하게 추출할 수 있다.
또한 본 연구에서는 트랩의 capture cross section의 에너지 분포를 용이하게 추출할 수 있는 방법을 제안하였으며 그 결과가, 기존의 MOS capacitor에서의 conductance method에서 밝힌 exponential decay와 같은 경향을 보임을 확인하였다. 트랩의 capture cross section은 그 에너지 분포를 구하기가 대단히 어려워 많은 경우 상수로 가정하게 되는데 이 경우 트랩 밀도 계산 시 오차가 발생할 수 있다. 현재까지는 MOS capacitor를 제작하여 이의 conductance를 분석함으로써 그 분포를 구하고 있으나 이는 단결정 소자에 한한 것으로 다결정 소자에서는 아직 시도도 이루어지지 않고 있다. 이에 본 연구에서는 전하 펌프 기법을 통해 간단하게 분포를 추출할 수 있는 분석적인 방법을 함께 제시하고 있는데 이 경우 단결정소자의 conductance method가 간접적임에 비해 제안된 방법은 용이하다는 것 이외에도 트랜지스터에서 직접 측정할 수 있는 장점을 가지고 있다. 제안된 모델은 실험 결과를 통해 그 정확성을 확인하였으며 다양한 산화 공정과 재결정화 공정에 영향을 받는 트랩 특성을 규명함으로써 유용성을 보이고 있다.
본 연구의 내용을 다시 한번 정리해 보면, 기존의 이론을 토대로 한 전하 펌프 기법을 그대로 다결정 소자에 적용하는 것이 불합리함을 보이고 있으며 이에 대한 새로운 모델을 제시하고 있다. 이 모델의 장점으로 신뢰할 만한 결과를 얻기 위해 필요한 측정 조건, 즉 게이트 펄스의 주파수와 transition time(rising and falling time) 선택에 대한 기준을 제시할 수 있다는 것과 트랩의 평균값, 에너지 분포, capture cross section 등과 같은 트랩 특성의 추출과 더불어 소자 기판의 저항까지 용이하게 추출 가능하다는 점이다 그리고 트랩의 capture cross section 분포를 구할 수 있는 간단한 방법을 제안하였는데 이는 트랜지스터에서 직접 측정한 실험값을 사용하고 있으므로 그 결과에 대한 신뢰성을 높이고 있다. 향후 보완해야 할 점으로 Energy band edge 근처의 트랩 분포 추출을 위한 새로운 실험적 방안에 대한 모색을 들 수 있다.
