Nitric oxide plasma treatment for enhanced electrical properties of SiO₂ and a-InGaZnO thin-film transistors

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As semiconductor devices continue to scale down, the dielectric properties of silicon dioxide (SiO2) degrade due to its reduced thickness, which increases leakage current through tunneling mechanisms such as direct tunneling and Fowler-Nordheim tunneling. Additionally, interfacial defects, oxygen vacancies and suboxide states further diminish SiO2 by acting as charge trapping sites and increasing the density of interface states (Dit). To mitigate these issues, plasma-based post treatment process is utilized to improve the structural and electrical properties of dielectric films. In this study, we investigate nitric oxide (NO) plasma treatment as a new process to enhance PECVD-grown SiO2 thin film. NO-plasma exposure for 0, 1, 4 and 10 minutes on the 100 nm SiO2/Si film. The results demonstrated a reduction in leakage current density from 9x10-9 A/cm2 to 1.2 x 10-10 A/cm2, while the breakdown electric field increased from 6.79 MV/cm to over 10 MV/cm. Capacitance-voltage (C-V) analysis showed a reduction in interface trap density, which decreased nearly tenfold from 7.4x1012 cm-2eV-1 to 7.17x1011 cm-2eV-1. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) confirmed the reduction of suboxide states (Si0, Si+, Si2+, Si3+) and the formation of stable Si-O bonds, while atomic force microscopy (AFM) measurements showed improved surface morphology, with roughness decreasing form 0.86 nm to 0.56 nm. Furthermore, the PECVD based NO plasma treated SiO2 films was used in indium-gallium-zinc-oxide (a-IGZO) thin-film transistors (TFTs), as the gate insulator to evaluate their device performance. The NO_treated TFT exhibited enhanced electrical performance and bias-stress stability compared to the reference device. This study proposed the potential of NO-plasma treatment for enhancing the dielectric and structural properties in SiO2 thin film, making them more suitable for next generation semiconductor and display applications.

국문 초록 (Abstract)

반도체 소자가 소형화가 진행됨에 따라, 실리콘 산화막(SiO2)의 두께가 얇아지면서 유전 특성이 저하되고, 직접 터널링(direct tunneling) 및 파울러 노드하임 터널링(Fowler-Nordheim tunneling)과 같은 터널링 메커니즘에 인해 누설 전류가 증가하는 문제가 발생한다. 또한 계면 결함(interfacial defects), 산소 공공(oxygen vacancies), 그리고 서브옥사이드 상태(suboxide states)는 전하 트래핑 사이트로 작용하여 계면 상태 밀도(Dit)를 증가시키고 SiO2의 전기적 특성을 저하시키는 주요 원인으로 작용한다. 이러한 문제를 완화하기 위해, 플라즈마 기반 후처리 공정이 SiO2 박막의 구조적 및 전기적 특성을 향상시키는 방법으로 주목받고 있다. 본 연구에서는 PECVD로 성장된 SiO2 박막의 특성을 향상시키기 위한 새로운 후처리 공정으로 일산화질소(NO) 플라즈마 처리 공정을 제안하였다. 100 nm 두께의 SiO2/Si 기판에 대해 0, 1, 4, 10분 동안 NO 플라즈마 처리를 수행하였으며, 그 결과 누설 전류 밀도가 9×10-9 A/cm2에서 1.2×10-10 A/cm2 로 감소하였으며, 절연 파괴 전계(breakdown electric field)는 6.79 MV/cm에서 10 MV/cm이상으로 증가하였다. 또한 정전용량-전압(C-V) 분석 결과, 계면 트랩 밀도(Dit)는 약 10배 감소하여 7.4×1012 cm-2eV-1에서 7.17×1011 cm-2eV-1로 개선되었다. X-선 광전자 분광법(XPS) 분석을 통해 Si0, Si+, Si2+, Si3+와 같은 불안정한 서브옥사이드 상태가 감소하고 안정적인 Si-O 결합의 형성되었음이 확인되었다. 또한 원자힘현미경(AFM) 분석 결과, 표면 거칠기(RMS)가 0.86 nm에서 0.56 nm로 감소하여 표면 평탄도가 향상된 것으로 나타났다. 더 나아가, NO 플라즈마로 처리된 PECVD 기반 SiO2 박막을 게이트 절연막으로 적용하여 인듐-갈륨-아연 산화물(a-IGZO) 박막 트랜지스터(TFT)를 제작하고 전기적 특성을 평가하였다. 플라즈마 처리된 TFT는 기준 소자에 비해 우수한 전기적 특성 및 바이어스 스트레스 안전성을 나타내었다. 본 연구는 NO 플라즈마 처리가 SiO2 절연막의 유전 특성과 계면 품질을 향상시키는 효과적인 공정임을 입증하였으며, 이를 차세대 반도체 및 디스플레이 소자 응용에 적합한 기술로 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1 Requirement of AOS and challenges 1
• 1.2 Global Warming Potential 4
• 1.3 Objectives of this thesis 6
• 2. Theoretical background and preliminary research 7
• 2.1 Defect and charge in oxide thin film 7
• 2.2 Oxidation precursors for PECVD-grown SiO2 thin film 11
• 2.3 Preliminary research to reduce the defects of SiO2 thin film by plasma treatment 13
• 2.4 Oxide based-thin film transistors and its challenges 15
• 3. Experimental details 18
• 3.1 SiO2 thin film deposition and Nitric oxide plasma treatment through PECVD 18
• 3.2 Fabrication process of MOS structures 20
• 3.3 Fabrication process of bottom gate a-IGZO transistor using NO-plasma treated SiO2 thin film 23
• 3.4 Characterization of SiO2 insulating layer and a-IGZO TFT 26
• 4. Results and Discussions 28
• 4.1 Leakage current density-Electric field (J-V) properties of plasma treated SiO2 28
• 4.2 Interface Trap Density (Dit) properties on SiO2/Si 31
• 4.3 Chemical properties of SiO2 by XPS 34
• 4.4 Surface morphological properties of SiO2 by AFM 40
• 5. Properties of a-IGZO TFTs with plasma treated SiO2 gate insulator 42
• 5.1 Effect of plasma treatment on the interfacial and device properties of a-IGZO/SiO2 TFTs 42
• 5.2 Reliability improvement of a-IGZO TFTs by plasma treatment 46
• 6. Conclusions 51
• References 53
• Korean Abstract 60