1. 서 론

평판 디스플레이 분야에서, 비정질 실리콘(~1 cm²/Vs) 대비 높은 전하 이동도를 가진 In-Ga-Zn-O(> 10 cm²/Vs) 와 같은 비정질 산화물 반도체가 각광받았고, 활발하게 연 구되고 있다. 이러한 산화물 반도체의 적용은 대면적, 고 화질 및 고주사율 등의 AMLCD 및 AMOLED디스플레 이 구현을 가능하게 하였으며, 나아가 차세대 디스플레 이로 각광받고 있는 플렉서블 디바이스의 구현에도 이 를 이용한 많은 연구가 진행되고 있다.^1-2)

플렉서블 디스플레이 구현을 위하여 고분자 기판이 주 로 이용되고 있으며, 이러한 고분자 기판은 rigid 기판과 매우 큰 차이를 보인다. 대표적인 차이 중 하나는 공정 온도이다. 평판 디스플레이의 경우 약 660 °C의 유리전 이온도를 갖는 유리 기판을 사용하여 공정 온도의 범위 가 비교적 넓다. 하지만 플렉서블 디스플레이의 경우 유 연한 특성을 갖는 고분자 기판을 사용하며, 고분자 기 판의 유리전이온도는 약 350 °C로 유리 기판에 비해 낮 다. 따라서 고분자 기판은 rigid 기판 대비 열에 약하고, 고온(Φ 350 °C) 열처리 시 변형이 발생하기 때문에 thermal SiO₂와 같은 방법으로 기판 위에 절연막을 증착할 수 없 다. 따라서 PECVD와 같은 공정을 이용해 상대적으로 350 °C 이하의 낮은 온도에서 절연막을 증착해야 한다. 수분과 관련된 불순물 또한 고분자 기판에 자체적으로 많이 함유되어 있는 경우가 많기에, 이를 차단하기 위 해 복잡한 공정이 추가적으로 필요하다.^3-4)

본 연구에서는 서로 다른 적층 구조를 가지는 기판 위 에 직류 스퍼터링(DC sputtering)법을 이용하여 In-Sn- Zn-O(ITZO) 반도체 층과 고주파 스퍼터링(RF Sputtering) 법을 이용하여 ITO 소오스 및 드레인(Source & Drain, S/D)을 각각 증착하여 박막 트랜지스터를 제조하였다. 이 를 이용하여 기판 종류 및 절연막 증착 방법, 적층 구 조 차이 등에 따른 ITZO 박막 트랜지스터의 물리적 특 성과 전기적 특성 변화 등을 분석하고 플렉서블 디스플 레이 적용 가능성을 평가하였다. XPS 분석에서, PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition)를 이용해 절연막을 증착한 유리 및 PI(polyimide) 기판을 사용하 였을 때, thermal SiO₂ 절연막을 제조한 rigid 기판 대비 ITZO 내 산소 공공의 비율이 증가하는 것을 확인하였 다. 또한 고분자 기판을 이용한 박막 트랜지스터의 전 기적 특성과 안정성이 rigid 기판을 이용한 트랜지스터 에 비해 현저히 떨어지는 것을 확인하였다.

2. 실험 방법

고분자 기판과 PECVD 절연막 구조에 따른 ITZO TFT의 특성을 분석하기 위해 세 종류의 device를 제작 하였다. Fig. 1에서 볼 수 있듯이 device A는 thermal SiO₂/ P⁺⁺ - Si(substrate A) 기판을 사용하였으며 device B는 SiOx / SiNx / Cu / Ti / SiOx / Glass(substrate B), device C는 SiOx / SiNx / Cu / Ti / SiOx / PI / Glass(substrate C) 기판을 사용하여 박막트랜지스터(TFT)를 제작하였다. 이 때, 유연한 고분자 기판으로 사용한 PI가 TFT의 특성에 어떤 영향을 미치는지 비교 분석하기 위하여 device B 구조에 추가적으로 도입하였다. device B와 C 구조에서 상부 SiOx / SiNx는 PECVD로 제작한 절연층이며 Cu / Ti는 게이트 전극, 하부 SiOx는 버퍼층이다.

박막 내 산소의 결합 상태를 분석하기 위해 단파장의 Al Ka X 선 source를 이용한 X선 광전자분광법(XPS) 을 실시하였다. 분석 전 각 박막의 표면 오염을 제거하 기 위해 30초 간 Ar+ 이온 빔으로 sputtering을 실시하 였다. 모든 peak은 표준 결합 에너지가 284.5 eV인 C 1s peak을 이용하여 보정하였다. 또한, 트랜지스터 구조 내 수소 관련 불순물의 분포는 이차 이온 질량 분석 (SIMS)을 이용하여 분석하였다. 6 kV(primary), 4.37 kV (secondary), 5 nA의 Cs+ 이온 빔을 이용하였으며, 래스터 크기는 200 μm × 200 μm, 분석 면적은 63 μm(Φ) 이다.

다음으로 DC sputtering과 3인치 ITZO 타겟을 이용하 여 채널(channel) 층을 증착하였다. ITZO박막의 조건은 반응 가스인 Ar과 O의 비가 5:5 sccm, DC power는 1.09 W/cm²로 모두 동일하며 RF sputtering을 이용하여 소오 스 및 드레인인 ITO를 증착하여 TFT를 제작하였다. 모 든 TFT의 구조는 bottom gate 구조이며, 쉐도우 마스크 (shadow mask)를 이용하여 패터닝(pattering) 하였다. Table 1에서는 각 device의 구조와 재료를 나타내었다. 또한, PI 기판은 고온에서(Φ 350 °C) 변형을 동반하는 등 열에 취 약한 특성을 가지고 있기 때문에 300 °C에서 열처리를 실시하였다.

3. 결과 및 고찰

Fig. 2는 XRD(X-ray diffraction)를 이용하여 각각의 기판 위에 증착된 ITZO 박막의 결정 구조를 분석한 결 과이다. 게이트 전극으로 이용한 Ti와 Cu peak 이외의 peak은 존재하지 않았으며, 따라서 세 종류의 기판 위에 증착된 ITZO 박막은 모두 비정질의 결정 구조를 갖는다.

AFM(atomic force microscope) 을 이용하여 각 기판 위에 증착된 ITZO 박막의 표면을 분석한 결과를 Fig. 3 과 Table 2에 나타내었다. substrate B와 C는 A에 비해 다층 구조로 이루어져 있으며, substrate B와 C에서 roughness가 A에 비해 상대적으로 높게 측정되었다. Roughness 증가의 원인을 분석하기 위해 PI 층이 포함된 substrate C 기판 위에 ITZO TFT를 증착 하고, FIB(focus ion beam)를 이용하여 시편을 제작하였다. 그 후, TEM (transmission electron microscope)으로 단면을 촬영하였 다. 촬영한 TEM 이미지를 Fig. 4에 도시하였으며, 분석 결과 상대적으로 증가한 roughness는 전극으로 사용한 Cu 층에 의한 것임을 확인하였다.

세 기판 위에 동일한 조건으로 증착된 ITZO 박막을 XPS(X-ray photoelectron spectroscope)를 통해 화학적 조성비(Table 3)와 O 1s peak spectra(Fig. 5)를 분석하 였다. 이 때, O 1s peak은 두 개의 sub-peak으로 나누 어지며 약 530.8 eV의 결합에너지는 금속과 산소간의 결 합(M-O)을 나타내고 약 532.7 eV의 결합에너지는 산소 공공(Vo)을 나타낸다.5-6) 일반적으로 n-type의 산화물 반 도체에서 산소 공공은 전자를 trap하기 때문에 전기적 특 성의 저하를 초래한다. ITZO 박막 내의 조성비는 기판 에 관계없이 유사한 비율을 가지지만 substrate A에 비 해 substrate B와 C에서 산소 공공의 비가 상대적으로 높아진 것을 확인하였다.

ITZO 박막 내의 불순물 함량을 분석하기 위하여 SIMS (secondary ion mass spectroscope)를 통해 ITZO 박막 과 절연막 및 계면의 수소 관련 불순물인 H와 OH, H₂O 함량을 비교 분석하였다. Fig. 6에서, substrate B와 C에 증착된 ITZO와 절연막 계면 및 절연막 내부에서 substrate A 대비 불순물 함량이 증가하였다. 이는 PECVD 를 이용한 SiOx와 SiNx 절연막이 thermal SiO₂ 절연막 보다 치밀하지 못하여 불순물이 ITZO 에서 절연막으로 더 쉽게 확산되는 것으로 보인다. 특히 substrate B와 C 를 비교하였을 때, PI가 포함될 경우 ITZO/절연막 계면 과 절연막 내의 수소 관련 불순물 함량이 증가하는 것 을 확인하였다. 이는 PI가 자체적인 수소 관련 불순물을 함유하고 있기 때문이며, 제작 과정 중에 이들이 절연 막 및 계면으로 확산된 것으로 볼 수 있다. 이러한 불 순물은 ITZO channel층 내에서 환원반응을 일으키며 산 소 공공이 증가하여 전자의 trapping으로 인한 이동도 감 소 등 전기적 특성 열화를 야기한다.7-8) Fig. 7은 –20~ 20 V의 게이트 전압(VG)과 10 V(saturation region)와 0.1 V(linear region)의 드레인 전압(V_D)에서 측정한 기판에 따른 ITZO TFTs의 transfer curve이며, 추출한 주요 전 기적 특성 수치를 나타내었다. XPS O 1s peak spectra 분석 결과에서 보듯, device B와 C에서 상대적으로 증 가한 산소 공공 sub-peak으로 인하여 전기적 특성 열화 가 발생하였다. 일반적으로 박막 내 산소 공공이 증가 하면 donor 작용으로 인하여 캐리어 농도가 증가하고 전 기전도도가 증가하게 된다. 그러나 산소 공공이 너무 많 을 경우, 전자를 trapping하게 되어 이동도가 감소할 수 있다. 특히 PI를 포함한 device C는 상대적으로 수소 관 련 불순물 함량이 높기 때문에 더 많은 불순물이 ITZO 로 확산되고, 결과적으로 더 많은 산소 공공이 형성되 어 전자를 trapping 함으로써 전기적 특성이 가장 크게 저하되었다.⁹⁾

TFT에 지속적인 스트레스를 가할 경우, 소자의 특성 열화가 발생하고 문턱 전압이 변하는 등 전기적 특성 저 하가 나타난다. 이러한 특성 저하가 클 경우 디스플레 이의 수명이 짧아지게 된다. 따라서 높은 전계 효과 이 동도와 낮은 SS(subthreshold swing) 값을 갖는 TFT의 제조도 중요하지만, 좋은 안정성 또한 중요하다. 본 연 구에서는 NBS(negative bias stress)와 NBIS(negative bias illumination stress), PBS(positive bias stress)신뢰 성을 측정하였다. NBS와 NBIS 측정 시 VG= −20~20 V, V_D= −10 V의 전압을 인가하였고, 스트레스 시간은 3600 초이며 광원의 조도는 1500 lux로 설정하였다. PBS에서 인가된 V_D는 0.1 V이다. Fig. 8은 NBS와 NBIS, PBS 신뢰성 측정 결과를 나타내었으며 Table 4는 각각의 신 뢰성에 대한 문턱전압 변화를 추출한 값이다. NBS는 반 도체/절연막 계면에서 hole이 trapping되면서 음의 방향 으로 문턱전압이 변화한다고 알려져 있다. NBIS의 경우 인가된 빛에 의해 deep state의 산소공공이 과잉 자유 전 자를 발생시켜 문턱 전압의 변화량을 급격하게 증가하 게 된다. 따라서 문턱 전압이 NBS 대비 더 크게 음의 방향으로 치우치게 된다.^10-11) PBS의 경우 NBS, NBIS 와 달리 전자의 trapping을 야기하는 수소 관련 불순물의 영향으로 문턱 전압이 양의 방향으로 이동하게 된다. PI 층이 포함되어 있는 device C의 경우, 불순물 함량이 더 높기 때문에 더 큰 문턱 전압 변화량을 보여준다.¹²⁾Table 5

4. 결 론

차세대 디스플레이로 각광받고 있는 플렉서블 디스플 레이 적용을 위하여 PI 기판 위에 제조한 ITZO TFT의 특성을 분석하였다. 1000 °C 이상의 고온에서 성장시킨 SiO₂는 고온에 취약한 플렉서블 TFT 제작에 적용할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 PECVD를 이용하여 350 °C 의 보다 낮은 공정 온도로 SiOx/SiNx 절연막을 증착 하 고 ITZO TFT를 제작하였다. 그 결과 PI 기판 위에 PECVD로 제작한 절연막과 ITZO 계면에서 많은 수소 관련 불순물이 검출되었으며, ITZO channel 층 내에 더 많은 산소 공공이 형성된 것을 확인하였다. 이는 TFT 제 작 과정에서 절연막과 PI에 존재하는 수소 관련 불순물 이 channel 층으로 확산된 것으로 예상된다. ITZO channel 층 및 절연막 계면에 존재하는 불순물과 산소 공공은 TFT의 전기적 특성과 신뢰성 저하의 원인이 될 수 있다. 따라서 고성능의 플렉서블 디스플레이용 산화 물 박막 트랜지스터를 구현하기 위하여, channel 층 내 부로의 불순물 확산을 방지할 수 있는 buffer 막(Al₂O₃ 등)의 개발이 필수적이라고 할 수 있다.