Enhancing the electrical characteristics of solution-processed IGZO TFTs through depth-dependent composition control

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Metal-oxide semiconductors (MOS) thin-film transistors (TFTs) have many advantages such as low off-current and high uniformity. Especially, solution-processed indium-gallium-zinc oxide (IGZO) TFTs are widely used because they do not require complex vacuum equipment. Electrical characteristics of IGZO TFTs depend on the IGZO composition ratio. The concentration of oxygen vacancies increases as the ratio of indium (In) increases. However, gallium (Ga) suppresses excess carrier concentration. Therefore, carrier concentration and mobility increase as the In ratio increases, and the Ga ratio decreases. Also, there is a trade-off relationship between mobility and stability. High concentration of oxygen vacancies improves mobility, but it deteriorates stress stability. In particular, concentration of oxygen vacancies in the back channel region is more relevant with stability. Thus, it is important to control the composition ratio of IGZO.
In this study, we investigated the effect of depth-dependent composition control in solution-processed IGZO TFTs. Conventional solution processes use only one solution to form the IGZO film. However, we used two different solutions. We spin coated the In+Zn and Ga+Zn solutions sequentially. We were able to form uniform films with a thickness of 10 nm. This approach created different composition ratios between the front channel region and back channel region. Therefore, there were different concentrations of oxygen vacancies. The IGZO film formed by first spin coating the In+Zn solution had high oxygen vacancy concentration in the front channel region, and low concentration in the back channel region. Also, X-ray reflectivity (XRR) measurements revealed that the films produced by the dual solution process exhibited a higher mass density compared to conventional single solution films. The reason for density increase is dual spin coating process. During the second spin coating, it penetrates to underlying layer and fill voids and pin holes thus reducing defects. There were significant differences in electrical characteristics between conventional IGZO TFTs and dual solution processed TFTs. The mobility increased from 0.57 to 0.83 cm2/V·s, and threshold voltage shift under positive bias stress (VG = 10 V, 500 s) was reduced from 9.02 to 5.15 V. These results demonstrate that engineering a depth-dependent composition gradient via dual solution processing is a promising strategy for enhancing bias stress stability without reducing mobility.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 용액 공정으로 제작한 IGZO TFT의 전기적 특성을 향상하기 위한 새로운 방법을 제안한다. 일반적으로 IGZO 박막 내 산소 공공은 인듐의 비율이 높아지고 갈륨의 비율이 낮아질수록 많아진다. 산소 공공이 증가하면 이동도는 증가하지만, 소자의 안정성이 악화되어 바이어스 스트레스를 인가했을 때 큰 문턱전압 이동이 발생한다. 특히 후면 채널 영역에서의 높은 산소 공공 농도는 주변 산소나 물 분자와의 반응을 통해 소자의 안정성을 크게 악화시킬 수 있다. 따라서 일반적인 IGZO TFT에서는 이동도와 안정성 간의 트레이드 오프 관계가 존재한다. 이 관계를 극복하고 소자의 특성을 향상시키기 위해 여러가지 연구가 진행되고 있다. 본 연구에선 용액 공정으로 제작한 IGZO TFT의 특성을 향상시키기 위해 인듐과 아연이 포함된 용액을 먼저 스핀 코팅한 뒤, 그 위에 갈륨과 아연이 포함된 용액을 스핀 코팅하고 열처리 과정을 거쳐 최종적으로 박막을 형성하여 소자를 제작하였다. 측정 결과, 기존 소자와 비교해서 두 가지 용액을 사용하여 제작한 소자의 이동도와 안정성이 모두 향상되었다. 우선 Atomic force microscopy (AFM) 분석을 통해 박막의 거칠기와 두께를 확인해 균일한 박막이 형성되었음을 확인하였다. 또한 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) 분석을 통해 제작한 박막의 깊이에 따라 조성비가 다른 것을 확인하였다. 그 결과, 기존 소자와 비교해서 전면 채널 영역의 산소 공공 농도가 증가하고 후면 채널 영역에서의 산소 공공의 농도가 낮아진다. 추가로 X-ray reflectivity (XRR) 분석을 통해 두 가지 용액을 사용하여 제작한 TFT의 활성층이 더 높은 밀도를 가지고 있는 것을 확인하였다. 박막을 제작할 때, Ga+Zn 용액이 In+Zn 박막으로 스며들어가, 박막 내의 기공과 같은 구조적 결함들을 줄이면서 밀도가 높아지며, 공정 시 불순물의 침투를 막아주어 전자 트랩으로 작용할 수 있는 결함의 생성을 억제한다. 그러므로 이 연구에서 제시된 방법을 통해 소자의 이동도와 안정성과 같은 전기적 특성을 동시에 향상할 수 있다. 더 나아가, 본 연구에서 제안된 깊이에 따른 조성 제어 방법은 용액 공정 뿐만 아니라 Atomic layer deposition (ALD)와 같은 다른 박막 증착 기술에도 적용할 수 있을 것으로 기대되며, 이를 통해 다양한 산화물 반도체 기반 소자의 성능 향상에 활용될 수 있을 것이다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract iv
• 1. Introduction 1
• 2. Background 3
• 2.1 Metal-oxide semiconductors 3
• 2.2 Mobility-bias stress stability trade-off 6
• 2.3 Solution (sol-gel) process 9
• 2.4 TFT operation principle 11
• 3. Experiments 15
• 3.1 Precursor solution synthesis 15
• 3.2 Device fabrication 16
• 3.3 Measurement and analysis methods 18
• 4. Results and Discussion 19
• 4.1 Electrical characteristics 19
• 4.2 Atomic force microscopy analysis 23
• 4.3 X-ray photoelectron spectroscopy depth profile 25
• 4.4 X-ray reflectivity 31
• 5. Conclusion 35
• References 36
• Korean Abstract 40