본 이전기술에서는 산화물 TFT 소자를 구현함에 있어서 ALD 공정으로 증착한 Al2O3 박막을 수소 베리어 층으로 도입함으로써
산화물 TFT를 구동소자로 갖는 디바이스 구현시 TFT 공정 이후 후공정 진행 과정에서 수소에 의한 산화물 TFT의 특성 영향을
최소화 시킬 수 있는 TFT 구조 및 공정 기술을 포함한다.
- 본 기술이전의 목적은 산화물 반도체 TFT Array를 제작함에 있어서 Array 위에 집적될 디스플레이 기능 소자 혹은 센서 소자 집적과정에서 발생하게 되는 수소 기체의 영향으로 말미암아 산화물 반도체 TFT의 특성, 특히 문턱 전압 등이 영향 받을 수 있는 가능성을 원천적으로 제거할 수 있는 방안으로써 무수소 ALD (Atomic Layer Deposition, 원자층 증착법) 공정으로 Al2O3 Passivation 층을 형성하는 기술을 제공함에 있음.
- 산화물 반도체 TFT는 2004년 일본 동경 공대의 Hosono 교수 그룹에 의하여 InGaZnO 반도체를 채널층으로 사용하여 비정질 상태에서 상온 증착으로도 전계 효과 이동도 8 cm2/Vs 이상의 높은 전기적 특성을 보일 수 있음이 밝혀진 이후로 급속한 기술적 발전을 이루어 왔으며, 특히 2013년 일본의 Sharp에서는 고해상도 TFT-LCD 패널에, 2014년 LGD에서는 AMOLED 패널에 산화물 TFT를 적용하여 양산화에 성공함으로써 기존의 a-Si TFT나 LTPS (Low-temperature polysilicon) TFT 와 같은 Si 기반의 대면적 반도체를 대체할 수 있는 차세대 백플레인 소자로 주목을 받고 있다. 뿐만 아니라 on state에서의 높은 전기적 특성에도 불구하고 off-state에서는 sub-fA (10-15)/um 이하의 매우 낮은 off-current 특성을 가지고 있어서 산화물 반도체로 구성된 전자 기기의 대기 소비 전력을 기존 Si 소자 대비 획기적으로 낮출 수 있으며 또한 높은 On/Off ratio 특성에 따라 각종 센서 응용 동작에도 매우 이상적인 특성을 보유하고 있음.
산화물 반도체는 3 eV 이상의 높은 bandgap 에너지를 가지고 있음에도 불구하고, 반도체 제작 후의 carrier 농도는 통상 1016~1019 cm-3 에 해당하며 이는 이론적인 conduction band 및 valence band의 상태 밀도로부터 계산된 intrinsic carrier 농도 대비 매우 높은 값을 가지고 있는데 이는 산화물 반도체의 doping에 의한 carrier generation 현상이 반도체 제작 과정 혹은 이후 후공정 과정에서 매우 용이하게 이루어 지기 때문이다. 산소 Vacancy 혹은 금속 Interstitial 과 같은 내부 결함이 electron carrier를 발생시키는 것으로 알려져 있으며, 특히 수소의 경우에는 interstitial site, substitutional site 등 어느 위치에 존재하든지 shallow donor로 작용함이 이론 계산을 통해 밝혀지게 되었고 이후 실험을 통해서 수소 doping에 의해 반도체에서 도체 상태 로까지 변화될 수 있음이 확인 되었다. 따라서 산화물 반도체 박막 트랜지스터의 안정적인 동작 조건 (문턱 전압) 을 확보하기 위해서는 산화물 반도체 막내 수소 유입을 최대한 억제하거나 정밀하게 제어할 필요가 있음.
산화물 반도체는 전류 구동 환경에서 LTPS-TFT와 동등한 구동 안정성을 가지고 있어서 AMOLED 혹은 micro-LED와 같은 자발광 디스플레이 구동에 매우 적합한 소자 특성을 보유하고 있어 향후 차세대 디스플레이 백플레인 소자로써 성장 동력이 매우 높은 잠재력을 가지고 있으며, TFT 소자 제작을 위한 공정 장치는 a-Si TFT와 거의 동등하며LTPS TFT 소자 제작에서 필수적인 장비 가격 자체가 매우 고가이며 유지비 또한 높게 드는 레이저 결정화 장비 등을 필요로 하지 않아 생산성 측면에서 a-Si TFT와 거의 동등한 산업적인 측면을 가지고 있다. 따라서 향후에는 차세대 디스플레이 백플레인 구동 소자로써 확대 적용될 뿐만 아니라, IT 융합 기기 및 BT 융합 기기, 그리고 센서 구동 소자로써 광범위하게 응용될 것으로 전망 된다.
산화물 TFT는 형성 방법에 따라 Bottom 게이트 구조에서는 Etch Stopper (ES) 및 Back channel etch (BCE) 구조로 제작이 가능하며 마스크 절감 및 생산성 측면에서 BCE 구조가 유리하나 소자 동작의 안정성 측면에서는 ES 구조가 다소 유리한 것으로 알려져 있다. 또한 배선의 RC delay가 기기 동작에 있어서 중요한 관건인 경우 TFT의 기생 capacitance를 최소화 할 수 있는 self-align Top 게이트 구조로의 제작도 가능하다. 산화물 조성의 경우 InGaZnO(In:Ga:Zn=1:1:1, atomic ratio)의 경우 통상 7~15 cm2/Vs 전계 효과 이동도를 얻을 수 있으며, InZnSnO의 경우에는 20~30 cm2/Vs의 보다 높은 전
[그림 3] 응용 환경에 따른 다양한 산화물 TFT 구조 단면
계 효과 이동도를 얻을 수 있음.
앞서 기술한 바와 같이 이동도가 낮거나 혹은 높은 산화물 반도체 TFT의 안정적인 동작과 균일한 특성을 확보하기 위해서는 수소의 제어가 필수적이며 아래 그림에서 나타낸 바와 같이 ALD 공정으로 형성한 Al2O3 박막을 수소 barrier로 적용할 경우 후공정 특히 수소가 상당히 함유된 SiNx 혹은 유기막 층을 이후에 Passivation 혹은 Interlayer dielectric 층으로 추가 증착하더라고 하부 산화물 박막에는 전혀 영향을 미치지 않을 수 있음.
산화물 TFT 제작 과정에 있어서 수소 분위기가 포함된 후공정에 의한 수소 영향을 산화물 TFT가 영향 받지 않는 구조 및 공정 기술
- 본 기술에서는 산화물 TFT의 성능에 크게 영향을 미칠 수 있는 수소의 diffusion barrier 층을 형성할 수 있는 기술을 제공한다. 원자층 증착법 (Atomic Layer Deposition) 방법을 이용하여 Al2O3 40 nm 이상의 박막을 상기 그림 4와 같이 Passivation 층으로 적용할 경우 이후 수소가 상당량 함유된 SiNx:H 층이 적층 되거나 이후 열처리를 실시하더라도 SiNx:H 박막에 포함된 수소가 하부 산화물 반도체에 미치는 영향을 최소화할 수 있다. 따라서 X-ray Detector와 같이 기생 capacitance를 감소시키기 위하여 층간 절연막으로써 SiNx를 산화물 TFT 위에 적용하더라도 산화물 TFT 특성의 변동이 발생하지 않을 뿐만 아니라 이후 구동 환경에서도 수소의 산화물 TFT에 대한 영향을 배제할 수 있다.
기술명: 수소 베리어 구조가 포함된 산화물 TFT 소자 제작 공정 기술
1. Bottom Gate Etch Stopper 구조의 InGaZnO 산화물 반도체 TFT를 제작한다.
2. 이 때 상부 Passivation층에 ALD 공정으로로 형성한 Al2O3 층을 포함하며, 또한 Passivation 층 상부에 ILD 층으로써 SiNx층을 포함하여 제작한 후 TFT 특성 (문턱전압 기준)의 변화가 2 V 미만이 되도록 한다.
3. 상기 기술과 관련된 노하우 기술을 상세하게 기술한 기술문서를 제공함.
-본 기술 이전을 통해서 디스플레이 백플레인, 센서 백플레인 등 산화물 반도체 TFT를 구동 소자로 갖는 다양한 전자 소자 제작에 적용 될 수 있음.
-특히 본 기술을 통해서 TFT 동작의 수소에 의한 열화를 방지함으로써 산업용 및 의료용 Fluoroscopy의 제품 기대 수명을 연장할 수 있고, 동영상 X-ray Detector의 Lag 방지등 기존 제품 성능을 크게 향상 시킬 있을 것으로 기대됨.