High-Bias-Stress Stability of Indium Oxide Thin-Film Transistors through Conductivity-Engineered Thermal Crystallization = 열적 결정화로 전도도를 제어해 높은 바이어스-스트레스에 안정적인 성능을 가지는 인듐 산화물 박막 트랜지스터

국문 초록 (Abstract)

산화물 반도체는 고유한 장점으로 인해 차세대 전자 소자의 유망한 후보로 주목받고 있다. 그러나 강한 게이트 바이어스 스트레스 하에서 높은 안정성을 확보하는 것은 특히 첨 단 전자 시스템 응용에서 여전히 중요한 도전 과제로 남아 있다. 본 연구에서는 인듐 산화물(InO ) 박막 트랜지스터(TFT)의 고 바이어스-스트레스 유발 불안정성을 크게 완화하기 위한 전도도 맞춤형 열적 결정화 전략을 제안한다. 특히, 이트륨 산화물(YO ) 캡핑층의 도입은 열 어닐링 과정에서 발생하는 과도한 자유전자의 생성을 효과적으로 억제하여, 문턱전압(V ) 및 on/off 전류비의 열화를 방지한다. 그 결과, 제안된 결정화 공정은 초기 전기적 특성과 바이어스 안정성을 동시에 향상시킨다.
주목할 점은, 고결정성 InO /YOX TFT의 경우 ΔVT와 전계 스트레스(ESTR) 간의 관계, 즉ΔVT 의 ESTR 기울기가 대조군에 비해 현저히 감소했다는 것이다. 또한 ΔVT–ESTR 간의 수학적 관계와, 소자 열화의 물리적 메커니즘을 반영하는 stretched-exponential 모델 매개변수 의 해석은, 열적 결정화가 InOX 벌크 내 acceptor-like 트랩 상태에서의 전자 포획을 억제 함을 시사한다. 이러한 억제 효과는 고전계 안정성의 획기적인 향상으로 이어졌다. 이러한 결과는, 단일칩 3차원 집적(monolithic 3D integration), 메모리, 차세대 디스플레이 기술 등 강한 게이트 전계 내구성과 장기적 안정성이 요구되는 응용 분야에서 산화물 반도 체의 미세구조 공학적 구조(microstructural engineering)가 매우 중요함을 잘 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 2. Background 8
• 2.1 Thin-film transistors (TFTs) 8
• 2.1.1 Configuration 8
• 2.1.2 Operation 11
• 2.2 Materials of oxide semiconductor 20
• 2.3 Fabrication process 26
• 2.3.1 Solution process 26
• 2.4 Capping layer 33
• 3. Experimental 36
• 4. Results and discussion 38
• 4.1 Concept of conductivity-tailored thermal crystallization of InOX 38
• 4.2 Thin-film characterization of crystalline InOX and YOX capping layer 43
• 4.3 Electrical characteristics of crystalline InOX TFTs 45
• 4.4 Bias stress stability and degradation mechanisms of crystalline InOX TFTs 50
• 5. Conclusion 62
• Abstract in Korean 66