Characterization of sputter-deposited ultra-thin metal oxide thin-film transistors for monolithic 3D integration

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Monolithic three-dimensional (M3D) integration requires transistors that can be fabricated at low temperatures while maintaining high reliability and scalability. Oxide semiconductors such as amorphous In–Ga–Zn–O (a-IGZO) are attractive candidates due to their low off-current and low process temperature. However, a-IGZO suffers from instability under electrical and optical stress, originating from deep-level defects and numerous trap states. Furthermore, as channel thickness is scaled below 5 nm to meet future integration-density requirements, device performance rapidly degrades due to increased influence of interface traps. This dissertation addresses these challenges through two research directions aimed at improving oxide TFT reliability and channel scalability for M3D applications. First, c-axis–aligned crystalline IGZO (CAACIGZO) was investigated to enhance device reliability by reducing deep-level x defects. TFTs fabricated with CAAC-IGZO were evaluated under negativebias illumination stress (NBIS), persistent photoconductivity (PPC), and deep trap characterization. Second, channel-thickness scaling in the sub-5-nm regime was examined using IGZO and Zn–Sn–O (ZTO) channels. Ultrathin IGZO TFTs showed severe degradation as thickness decreased. Interface trap analysis revealed that these degradations arise from the growing dominance of interface traps as the channel becomes ultrathin. ZTO TFTs, by contrast, maintained higher mobility, improved subthreshold behavior, and reduced instability at the same thickness, owing to a more favorable interface defect profile. Overall, this work enhances oxide TFT reliability using deep-defectsuppressed CAAC-IGZO, and identifies ultrathin-channel degradation mechanisms and demonstrates ZTO as a high-performance material for sub5-nm oxide TFTs. These findings provide design guidelines for reliable, scalable oxide semiconductor devices in future M3D integrated systems.

국문 초록 (Abstract)

모놀리식 3차원(M3D) 집적화는 높은 신뢰성과 확장성을 유지하면서 낮은 온도에서 제조할 수 있는 트랜지스터를 필요로 한다. 비정질 In-Ga–Zn–O(a-IGZO)와 같은 산화 물 반도체는 낮은 오프 전류와 낮은 공정 온도로 인해 매력적인 후보이다. 그러나 aIGZO는 깊은 수준의 결함과 수많은 트랩 상태로 인해 전기적 및 광학적 스트레스 하에 서 불안정성을 가지고 있다. 또한, 늘어가는 집적 밀도 요구 사항을 충족하기 위해 채널 두께를 5nm 이하로 조정함에 따라 인터페이스 트랩의 영향력이 증가하여 장치 성능이 급격히 저하된다는 이슈도 고려해야 한다. 본 논문은 M3D 응용을 위한 산화물 TFT의 신뢰성과 채널 확장성을 향상시키기 위한 두 가지 연구 방향을 통해 이러한 과제를 해결 하였다. 첫째, 딥 레벨의 결함을 줄여 장치 신뢰성을 높이기 위해 c축 정렬 결정질 IGZO(CAAC-IGZO)를 연구하였다. CAAC-IGZO로 제조된 TFT는 음의 바이어스 조 명 스트레스(NBIS), 지속적인 광전도도(PPC), 깊은 트랩 특성화 하에서 평가되었다. 둘 째, IGZO와 Zn–Sn–O(ZTO) 물질을 사용하여 5nm 이하의 채널 두께를 가지는 초박막 트랜지스터를 제작하였다. 초박막 IGZO TFT는 두께가 감소함에 따라 심각한 열화를 보 였다. 계면 트랩 분석 결과, 이러한 열화는 채널이 얇아짐에 따라 인터페이스 트랩의 지 배력이 증가함에 따라 발생하는 것으로 나타났다. 반면, ZTO TFT는 더 낮은 계면 트랩 밀도로 인해 동일한 두께에서 더 높은 이동성과 전류값을 유지했다. 정리하자면, 본 연 구는 깊은 결함 억제 CAAC-IGZO를 사용하여 산화물 TFT의 신뢰성을 향상시키고, 초 박막 채널 열화 메커니즘을 분석하고 5nm 이하 산화물 TFT의 고성능 소재로서의 ZTO를 입증했다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Applying oxide semiconductors to 3D integration 1
• 1.2 High stability CAAC-IGZO thin film transistors 5
• 1.3 Sputter-deposited ultrathin oxide thin film transistors 7
• Chapter 2. High stability CAAC-IGZO thin film transistors 10
• 2.1 Introduction 10
• 2.2. Experimental procedure 11
• 2.3. Results and discussion 12
• 2.4. Conclusion 38
• Chapter 3. Sputter-deposited ultrathin oxide thin film transistors 39
• 3.1 Introduction 39
• 3.2. Experimental procedure 40
• 3.2.1 Device fabrication 40
• 3.2.2 Measurements 40
• 3.3. Results and discussion 42
• 3.3.1 Electrical characteristics Oxide TFTs with varying channel thickness 42
• 3.3.2 Effects of channel thickness on the charge transport properties 44
• 3.3.3 Relationship of interface trap density and channel thickness 46
• 3.4. Conclusion 77
• References 79