제논 플래시 램프 광열처리를 활용한 결함제어 유연 a-IGZO 박막 트랜지스터의 통합 제조 공정 및 논리회로 응용 = Integrated Manufacturing Process and Logic Circuit Applications of Defect-Controlled Flexible a-IGZO Thin Film Transistors Using Xenon Flash Lamp Photonic annealing

국문 초록 (Abstract)

비정질 인듐 갈륨 아연 산화물(a-IGZO) 박막 트랜지스터(TFT)는 우수한 전 기적 특성과 저온 공정 적합성으로 인해 유연 및 신축성 전자 소자 분야에서 널리 활용되고 있다. 최근 디스플레이 기술이 고집적화 및 유연화됨에 따라 패널 내 논리 회로 구현에 대한 수요가 증가하고 있으며, 이를 위해 산화물 TFT의 다기능성과 안정성 확보가 필수적이다. 본 연구에서는 기판에 열적 손상을 주지 않으면서 결함을 패시베이션할 수 있는 초고속 광열처리 기술인 제논 플래시 램프 어닐링(XFLA)을 적용하여 a-IGZO TFT의 전기적 특성을 개선하였다. XFLA 처리된 소자는 턴온 전압 (VON)의 양의 방향 이동, 아문턱 스윙(Subthreshold Swing) 감소, 오프 전류 감 소 등의 향상된 특성을 나타냈다. 이러한 특성 개선을 바탕으로, 초기(Pristine) a-IGZO TFT를 공핍 모드 (Depletion-mode) 부하로, XFLA 처리된 TFT를 향상 모드(Enhancement-mode) 구동기로 사용하는 NMOS 인버터를 구현함으로써 회로 수준에서의 활용 가능 성을 검증하였다. 더 나아가, 무색 폴리이미드(CPI) 기판 상에 제작된 고성능 a-IGZO TFT의 기판 박리와 초고속 어닐링을 동시에 달성할 수 있는 단일 단 계 제논 플래시 램프 디본딩(XFLD) 공정을 제안한다. 몰리브덴(Mo) 광흡수층(LAL)의 순간적인 광열 흡수는 유리 기판으로부터의 깨끗한 기판 박리를 유도하는 동시에, 소자 성능 향상을 위한 충분한 열적 활 성화 에너지를 제공한다. XFLD 공정 후 TFT는 드레인 전류 증가, 문턱 전압의 양의 방향 이동, 오프 전류 감소를 보여 효과적인 채널 활성화가 이루어졌음을 확인하였다. 이는 CPI 기판으로부터 확산된 수소가 a-IGZO 층 내의 산소 공공 관련 결함을 패 시베이션하여 캐리어 이동도와 동작 안정성을 향상시켰기 때문이다. 분광 분 석 결과, 화학적 손상 없이 고분자 게이트 절연막 내의 공공 상태 감소와 C-Cl 결합 강화를 확인하였으며, 최종 제작된 소자는 우수한 투명성을 유지하 는 동시에 1,000회의 굽힘 평가 후에도 안정적인 특성을 유지하였다. 결과적으로, 본 연구에서 제시하는 확장 가능한 제논 플래시 램프 기반 공 정 기술은 산화물 반도체의 문턱 전압 조절과 고집적 기판 박리 공정을 동시 에 해결할 수 있는 유망한 경로를 제공하며, 향후 차세대 유연/투명 디스플레 이 및 웨어러블 전자 회로 시스템 구현에 크게 기여할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 제2장 이론적 배경 3
• 2.1 a-IGZO의 물리적, 전기적 특성 및 결함 구조 3
• 2.1.1 a-IGZO의 원자 구조 및 전하 운송 메커니즘 3
• 2.1.2 산화물 반도체 내의 산소 공공 및 수소의 역할 5
• 2.2 제논 플래시 램프 광열처리 공정 7
• 2.2.1 제논 플래시 램프의 광흡수 메커니즘 및 급속 광열처리 원리 7
• 2.2.2 광열 흡수층을 이용한 국부적 선택 가열 기술 9
• 2.3 유연 기판 기술 및 논리 회로 응용 11
• 2.3.1 무색 폴리이미드의 화학적 구조 및 광학적 특성 11
• 2.3.2 산화물 박막트랜지스터 기반 논리 회로 구동 원리 13
• 2.4 산화물 박막트랜지스터 특성 분석을 위한 수치 해석 모델링 15
• 2.4.1 상태 밀도 모델링 개요 15
• 2.4.2 물리적 파라미터 추출 및 최적화 방법 16
• 제3장 제논 플래시 램프 광열처리를 이용한 a-IGZO 박막 트랜지스터의 문턱전압 엔지니어링 및 논리 회로 구현 17
• 3.1 a-IGZO TFT 제작 및 제논 플래시 램프 광열처리 최적화 17
• 3.1.1 소자 적층 구조 설계 및 박막 증착 공정 17
• 3.1.2 제논 플래시 램프 광열처리 에너지 밀도 최적화 20
• 3.1.3 제논 플래시 램프 광열처리 및 통상적 열처리 비교 22
• 3.2 광열 효과에 따른 전기적 특성 제어 27
• 3.2.1 a-IGZO 두께에 따른 제논 플래시 램프 후 동작 전압 변화 27
• 3.2.2 수치 해석 시뮬레이션을 이용한 상태 밀도 및 결함 상태 분석 30
• 3.3 재료 및 계면 분석을 통한 성능 향상 메커니즘 규명 34
• 3.3.1 X선 흡수 분광법 및 광전자 분광법 분석을 통한 화학 결합 분석 34
• 3.3.2 열 프로파일 시뮬레이션을 박막 내 온도 분포 분석 37
• 3.4 산화물 반도체 기반 NMOS 인버터 응용 38
• 3.4.1 광열 처리된 구동 소자를 활용한 논리 회로 설계 및 구동 특성 평가 38
• 제4장 단일 조사 제논 플래시 램프를 이용한 유연 a-IGZO 박막 트랜지스터의 기판 박리 및 광열처리 통합 공정 42
• 4.1 무색 폴리이미드 기반 유연 박막트랜지스터의 설계 및 박리 공정 최적화 42
• 4.1.1 몰리브덴 광흡수층/무색 폴리이미드 기반 유연 박막트랜지스터 소자 설계 및 제작 공정 42
• 4.1.2 제논 플래시 램프 기반 기판 박리 조건 최적화 45
• 4.2 무색 폴리이미드 기판의 물성 분석 및 박리 계면 특성 평가 48
• 4.2.1 무색 폴리이미드의 투과도 분석 및 화학적 합성 경로 확인 48
• 4.3 제논 플래시 램프 광열처리 및 박리 기반 유연 소자의 전기적 성능 및 신뢰성 평가 52
• 4.3.1 무색 폴리이미드로부터의 수소 확산을 통한 산소 공공 결함 패시베이션 효과 52
• 4.3.2 제논 플래시 램프 전후의 전압-전류 특성 변화 및 채널 활성화 분석 57
• 4.3.3 유연 환경에서의 기계적 신뢰성 및 반복 굽힘 시험 결과 65
• 제5장 결론 및 고찰 69
• 참고문헌 71
• ABSTRACT 79
• 발표논문 82