투명 고신뢰성 전자소자를 위한 원자층 증착 기반 금속 산화물 박막의 산소 결함 영향 연구 = Effects of Oxygen Defects in Metal Oxide Thin Films via Atomic Layer Deposition for Transparent and Reliable Electronic Devices

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Next-generation transparent electronic devices require both high visible-light transmittance and electrical reliability for long-term, repetitive operation. In display thin film transistors (TFTs) based on metal oxide thin films, the stack configuration comprising an oxide semiconductor channel, a high-k gate dielectric, and a transparent electrode offers process compatibility and optical transparency. However, oxygen defects in the thin films simultaneously limit TFTs performance and reliability. These defects act as donor-like states that modulate electron density and band bending, increasing carrier transport, while defect levels within the bandgap operate as trap states that degrade switching behavior and induce threshold voltage (Vth) instability and leakage under bias and environmental stresses. Accordingly, this study focuses on reproducible, process driven control of defect type, density, spatial distribution, and electrical activation through thin film process design rather than complete defect elimination.
Oxygen defects were engineered using an atomic layer deposition (ALD) with oxidant selection, oxidation-step design, and process strategies combining in-situ oxidation and thermal treatment. Water and ozone provide complementary advantages in growth reactivity and oxidizing strength, Nevertheless, single-oxidant processing does not simultaneously optimize oxygen defects and impurity incorporation. In ALD ZnO, dual-step oxidation ALD suppresses oxygen vacancies (OV) while mitigating carbon-related trap formation, resulting in concurrent improvements in electrical performance and reliability relative to single-step oxidation ALD. In ALD HfO₂, in-situ ozone treatment combined with rapid thermal annealing (RTA) reduces OV driven leakage and charge trapping at moderate annealing temperatures, whereas increased annealing temperatures at ≥600 °C promote crystallization driven roughness and grain boundary pathways that increase leakage current. Finally, the ZnO/HfO₂ thin film stack exhibits an optical transmittance of ~80%, and integrated ZnO/HfO₂ TFTs demonstrate enhanced electrostatic gate control for low voltage operation and improved bias stress reliability through OV suppression near the channel/dielectric interface and retention of an amorphous dielectric structure. This process strategy is expected to contribute to the design of metal oxide TFTs configurations by providing a defect engineering approach that enables the simultanous optimization of electrical performance and long-term reliability in transparent electronic devices.

국문 초록 (Abstract)

투명 고신뢰성 전자소자를 위한 원자층 증착 기반 금속 산화물 박막의 산소 결함 영향 연구 논문제출자 이 승 훈 지 도 교 수 김 정 환 차세대 투명 전자소자는 높은 가시광 투과도와 장시간, 반복적으로 사용하 기 위한 전기적 신뢰성이 동시에 요구된다. 금속 산화물 박막 소재를 활용하 는 디스플레이용 박막 트랜지스터(TFTs)에서 산화물 반도체 채널, 고유전 게이트 절연막, 투명 전극의 구성은 공정 호환성과 투명성 측면에서 유리하 나, 박막 내 산소 결함은 소자의 성능과 신뢰성을 동시에 제약시키는 한계를 갖는다. 이는 도너성 결함으로 전자 농도와 밴드 밴딩 에너지를 변화시켜 이 동도를 향상시킬 수 있는 반면 밴드갭 내 트랩으로 작동하는 경우 스위칭 속 도 감소와 바이어스/환경 스트레스에서의 문턱전압(Vth) 이동 및 누설 경로 인한 전기적 신뢰성 감소가 유발된다. 이에 본 연구는 박막 공정 기반으로 결함의 완전 제거가 아닌 종류, 밀도, 공간 분포 및 전기적 활성을 재현성 있 게 제어하여 TFTs의 성능과 전기적 신뢰성을 동시에 확보하고자 하였다. 원자층 단위의 두께 제어, 우수한 균일도 및 피복성을 제공하는 원자층 증 착(ALD)을 기반으로 박막의 품질을 결정하는 산화제 선택과 산화 단계의 설 계, in-situ 산화 및 열처리 공정 전략들을 이용하여 산소 결함을 조절하였 다. Water 또는 ozone은 각각 성장 반응성과 산화력 측면에서 이점을 갖지 만, 단일 적용 시 박막 내 산소 결함과 더불어 불순물 농도 또한 최적화되지 않는 한계를 확인하였다. 이에 ALD ZnO 연구에서 이중 주입 산화 (Dual-step oxidation) 반응을 통해 효과적인 산소 공공 감소에도 불구하고 증가된 5.06 cm2/Vs의 포화 이동도(µsat), 9.04×108의 온/오프 비(Ion/off)와 동시에 탄소-산소 결합으로 이루어진 트랩 사이트 억제로 인한 전기적 신뢰 성 향상을 확인하였다. 또한, ALD HfO₂의 고유전 절연막에서 낮은 누설 전류와 전하 트랩 억제를 목표로 water를 이용한 산화 이후 in-situ ozone 주입과 급속 열처리를 결합 하여 박막 내 산소 결함 억제를 유도하고자 하였다. ozone은 산소 결함 감소 및 누설 억제에 유리한 경향을 보였으나, 비교적 낮은 유전율로 인해 절연막 의 최적화는 유전율의 단순 극대화가 아닌 산소 공공 및 트랩 밀도 감소가 절 연막 성능과 전기적 신뢰성 향상에 결정적임을 확인하였다. 게다가 급속 열처 리는 산소 결함 감소와 함께 박막 밀도 증가에 기여할 수 있으나, 높은 온도 (≥600 ℃)에서는 결정화로 인해 증가된 표면 거칠기 및 결정립계 형성이 8.5 nA/cm2에서 36.8 nA/cm2으로 누설 전류 밀도가 다시 증가됨을 확인하였다.. 최종적으로, ZnO/HfO₂로 구성된 박막의 투과도는 약 80%로 나타났으며, TFTs에서는 SiO2 기반 대비 고유전막 적용으로 인해 안정적인 저전압 구동 을 위한 Vth와 서브스레숄드 스윙(SS)은 각각 1.80 V에서 0.50 V, 1.11 V/dec에서 0.29 V/dec으로 크게 감소하였다. µsat와 Ion/off는 채널/절연막 계면 근처의 산소 공공 감소와 절연막의 비정질 유지에 의해 양의 바이어스 스트 레스 조건에서 각각 4.18 cm2/Vs, 1.25×108로 감소되었으나 µsat의 변화가 거의 없었으며, Vth 이동이 2.5 V에서 0.4 V로 감소됨에 따라 전기적 신뢰성 향상을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 표 목 차 ⅳ
• 그 림 목 차 ⅳ
• 국 문 요 약 ⅷ
• Ⅰ. Introduction 1
• 1.1. Transparent electronic devices 1
• 1.2. Thin film transistors (TFTs) 3
• 1.3. Metal oxide thin films 7
• 1.3.1. Metal oxide semiconductor (MOS) 7
• 1.3.2. Gate dielectric 10
• 1.4. Atomic layer deposition (ALD) 13
• 1.4.1. Atomic layer deposition (ALD) 13
• 1.4.2. Oxidants 16
• 1.5. Oxygen defects 18
• Ⅱ. Experimental methods 21
• 2.1. Dual-step oxidation for improved electrical performance of ALD
• ZnO TFTs 21
• 2.1.1. Optimization of ALD ZnO 21
• 2.1.2. Fabrication of ALD ZnO TFTs 23
• 2.2. Dielectric properties enhancement of ALD HfO2 using in-situ
• ozone pulse with RTA 26
• 2.2.1. Optimization of ALD HfO2 26
• 2.2.2. Fabrication of ALD HfO2 MIS capacitors 28
• 2.3. Electrical performance and reliability assessment of ALD ZnO/HfO2
• TFTs 29
• 2.4. Experimental analysis methods 30
• 2.4.1. Spectroscopic ellipsometry (SE) 30
• 2.4.2. X-ray diffraction (XRD) 30
• 2.4.3. X-ray reflectivity (XPF) 31
• 2.4.4. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) 31
• 2.4.5. UV-Vis spectrophotometer 32
• 2.4.6. Electrical characterization 32
• Ⅲ. Results and discussion 33
• 3.1. Dual-step oxidation for improved electrical performance of ALD
• ZnO TFTs 33
• 3.1.1. Optimization of ALD ZnO 33
• 3.1.2. Structural and optical characteristics of dual-step oxidation
• ALD ZnO 37
• 3.1.3. Chemical characteristics of dual-step oxidation ALD ZnO
• 42
• 3.1.4. Electrical performance of dual-step oxidation ALD ZnO TFTs
• 46
• 3.2. Dielectric properties enhancement of ALD HfO2 using in-situ
• ozone pulse with RTA 50
• 3.2.1. Optimization of ALD HfO2 50
• 3.2.2. Structural and chemical properties of in-situ ozone pulse
• ALD HfO2 with RTA 55
• 3.1.3. Electrical characterization of in-situ ozone pulse ALD HfO2
• with RTA 59
• 3.3. Electrical performance and reliability assessment of ALD ZnO/HfO2
• TFTs 66
• 3.3.1. Optical and electrical characterization of ALD ZnO/HfO2 TFTs
• with RTA for gate dielectric 66
• 3.3.1. Electrical reliability assessment of ALD ZnO/HfO2 TFTs with
• RTA for gate dielectric 70
• 3.3.1. Gate dielectric dependent electrical reliability assessment of
• ALD ZnO TFTs 76
• Ⅳ. Summary 79
• References 82
• ABSTRACT 87