비정질 InGaZnO 무접합 박막 트랜지스터의 특성과 BEOL 소자 응용에 관한 연구 = A study on characteristics of amorphous InGaZnO junctionless thin film transistor and its application in BEOL device
In this study, the device design parameters that affect the device characteristics and reliability of junctionless a-IGZO TFTs (amorphous InGaZnO thin film transistor) have been analized and the lifetime prediction model for display devices and BEOL (Back End Of Line) transistor applications have been suggested.
First, the device performance and instability of junctionless a-IGZO TFTs with transparent source and drain depending on the thermal annealing conditions and active layer thickness have been investigated. As the thermal annealing temperature and the thickness of the active layer increase, the transfer curve shifts negatively. Device instability was performed under PBS (Positive gate Bias Stress) and HC (Hot Carrier) stress for devices with different thermal annealing conditions. The controlled devices with a RTP (Rapid Thermal Processing) treatment in addition to conventional thermal annealing showed less degradation after PBS and HC stress at the same stress biases. The reason for lower device degradation could be explained by the higher effective barrier energy which may be resulting from oxygen out-diffusion. However, the controlled device showed more serious degradation at the same actual stress voltages to the intrinsic part of device. This result may be attributed to the increased channel electron concentrations resulted from the increased oxygen vacancies. The degradation of the controlled devices was more serious after hot carrier stress than after PBS. From C-V measurement and transfer characteristics in forward and reverse mode measurements, hot carrier induced degradation could be attributed to the interface state generation and the electron trappings at interface between the active channel layer and the gate dielectric layer. In addition to the thickness of the active layer and thermal annealing, in order to provide an optimization guideline for design parameters of junctionless a-IGZO TFTs to completely deplete the active layer in the OFF state, ATLAS simulation was used to study the device performance depending on dielectric constant, gate work function, and oxide layer thickness.
Second, the device performance and instability of a-IGZO TFTs with ITO LCBL (Local Conducting Buried Layer) under the source/drain region and in the middle of the active channel region for increase on current have been investigated. Device instability was performed under NBS (Negative gate Bias Stress) and NBIS (Negative gate Bias illumination stress). From the increased drain current of a-IGZO TFTs with ITO LCBL, one can control the drive current by modulating the length of ITO LCBL without changing the ratio of channel width and length. The reason for the less degradation of a-IGZO TFTs with LCBL under NBS than that of device without LCBL was explained by the fact that ITO LCBL could act to reduce the effective energy barrier and act as a hole damping layer. However, the device degradation of a-IGZO TFTs with ITO LCBL under NBIS was more significant than that of one without LCBL due to the electron hole pair generation in ITO layer under illumination.
Finally, for the display devices and BEOL transistors application of a-IGZO TFTs, the lifetime prediction models have been suggested by measuring threshold voltage change and drain current change after stress. Four different types of test devices according to the active layer thickness, source/drain electrode materials and thermal treatments have been used. The device lifetimes under high gate bias stress and hot carrier stress were extracted through fittings of the stretched-exponential equation for threshold voltage shifts and the current estimation method for drain current degradations. Our suggested lifetime extraction methods could be used in any kinds of structures of BEOL transistors with embedded a-IGZO TFTs. a-IGZO TFTs with embedded ITO local conducting layer under source/drain is better for BEOL transistor application and a-IGZO TFTs with IGZO thin film as source/drain electrodes may be better for the application of display devices.
본 논문에서는 디스플레이 소자 및 BEOL(Back End Of Line) 트랜지스터 응용을 위한 a-IGZO 무접합 TFTs(amorphous InGaZnO 무접합 박막트랜지스터)의 소자 특성과 신뢰도에 영향을 주는 소자 설계 변수에 대한 분석과 소자 수명을 결정하기 위한 모델을 제시하였다. 연구를 위해서 사용된 소자는 a-IGZO 무접합 TFTs 및 ITO 매몰층이 채널 영역에 부분적으로 위치한 a-IGZO TFTs 이다.
첫째, a-IGZO 무접합 TFTs 소자의 전류-전압 특성 측정으로부터 소자 설계 변수의 최적화에 대한 연구를 수행하였다. 열 처리 조건과 활성층 두께가 다른 a-IGZO 무접합 TFTs 소자를 제작해 성능을 분석하였다. 열 처리 온도와 활성층의 두께가 증가함에 따라 소자의 전달 곡선은 음의 방향으로 이동하였다. 소자 불안정성은 열 처리 조건이 다른 소자를 PBS(Positive gate Bias Stress) 및 HC(Hot Carrier) 스트레스 조건에서 분석했다. CTA(Conventional Thermal Annealing)후에 RTP(Rapid Thermal Processing) 처리를 한 소자는 PBS 및 HC 스트레스 후에 더 적은 열화를 보였다. 적은 열화의 이유는 산소의 외부 확산으로 인한 더 높은 평균 유효 장벽 에너지에 의해 설명 될 수 있다. 그러나, RTP 처리된 소자는 채널 영역에 가해지는 실제 스트레스 전압이 동일한 경우에서 더 심각한 열화를 보였다. 이런 결과는 산소 빈자리의 증가로 채널 전자 농도가 증가된 것으로 사료된다. RTP 처리된 소자는 HC 스트레스 조건에서 PBS 스트레스 조건보다 열화가 더 심각하였다. 순방향 및 역 모드 C-V 측정 및 전달 특성으로부터, HC 열화는 활성 채널 층과 게이트 유전체 층 사이의 계면에서의 인터페이스 상태 생성 및 전자 트랩핑에 기인된 것으로 사료된다. 활성층의 두께와 열 처리 외에 추가적으로 소자를 오프 시킬때 활성층을 완전히 공핍 시키기 위한 a-IGZO 무접합 TFTs 소자 설계 변수의 최적화 가이드라인 제시를 위해 ATLAS 시뮬레이션을 활용해 유전체의 유전율, 게이트의 일함수, 산화층의 두께에 따른 소자 성능을 연구하였다.
둘째, a-IGZO TFTs의 구동전류를 크게하기 위하여 ITO LCBL(Local Conducting Buried Layer)이 소스 와 드레인 아래에 위치한 경우와 채널 중앙에 위치한 경우에 각각 ITO의 간격에 따른 a-IGZO TFTs 소자의 성능과 신뢰도를 측정 분석하였다. ITO LCBL을 사용한 a-IGZO TFTs의 증가된 드레인 전류로부터 채널 폭과 길이의 비율을 변경하지 않고 ITO LCBL의 길이를 변조함으로써 구동 전류를 제어 할 수 있었다. 소자 불안정성 분석은 NBS(Negative gate Bias Stress)와 NBIS(Negative gate Bias Illumination Stress) 조건에서 수행 하였다. NBS 조건에서 LCBL을 갖는 a-IGZO TFTs가 LCBL이 없는 소자보다 덜 열화됨으로부터 ITO LCBL이 유효 장벽 에너지를 감소시키고 홀 감쇠층으로서 작용할 수 있는 것으로 사료된다. 그러나 NBIS 조건에서 ITO LCBL을 갖는 a-IGZO TFTs의 소자 열화는 조명 조건에서 ITO 층의 전자 홀 쌍 생성으로 인해 더 심각함을 알 수 있었다.
마지막으로, a-IGZO TFTs의 디스플레이 소자 및 BEOL 트랜지스터 응용을 위하여 스트레스 후에 문턱전압 변화와 드레인 전류변화를 측정하여 소자의 수명 시간을 예측할 수 있는 모델을 제시하였다. 활성층 두께, 소스/드레인 전극 재료 및 열 처리에 따라 4 가지 유형으로 구분한 테스트 소자를 사용하였다. PBS 및 HC 스트레스 조건에서 소자 수명시간을 문턱전압 변화에 대한 확장 지수 방정식 및 드레인 전류 저하에 대한 전류 추정 방법을 피팅을 통해 추출하였다. 수명시간 추출 결과 소스/드레인 ITO LCBL이 내장된 a-IGZO TFTs는 BEOL 트랜지스터 응용에 유리하고, 소스/드레인 전극으로 IGZO 박막을 갖는 무접합 a-IGZO TFTs는 디스플레이 소자의 응용에 유리한 것으로 사료된다.
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