GaInZnO 박막트랜지스터 제작, 평가 및 AMOLED 디스플레이 응용

Abstract

최근 투명 광전자 소자를 유기발광 (organic light emitting diode) 디스플레이나 투명 디스플레이와 같은 미래형 디스플레이에 적용하기 위해 많은 연구가 이뤄지고 있다. 특히 투명 광전자 소자들 중에서 산화물 반도체를 기반으로 하는 산화물 박막트랜지스터 (thin-film transistor, TFT)는 넓은 bandgap energy를 갖는 투명소자로서 디스플레이의 개구율을 향상시킬 수 있는 최적의 스위칭 소자로 주목을 받고 있다. 특히 이동도 측면에서는 현재 liquid crystal display (LCD)에 스위칭 소자로 실용화되고 있는 비정질 실리콘 (a-Si) TFT 보다 수십 배 이상 우수한 특성을 나타낸다. 따라서 TFT의 크기를 작게 하여도 높은 구동 전류를 발생시킬 수 있다. 또한 저온 다결정 실리콘 (low temperature polycrystalline silicon, LTPS) TFT 보다 전기적 균일성이 우수하여 대면적 디스플레이의 균일한 시인특성을 얻을 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 active matrix organic light emitting diode (AMOLED) 디스플레이에 응용하기 위하여 zinc oxide를 기반으로 하는 GaInZnO (GIZO) TFT를 스퍼터링으로 제작하고, 평가하였다. 먼저 TFT를 구성하는 각각의 막층에 대한 전기적 특성을 분석하였다. TFT의 전극인 source와 drain의 전극재료를 Ti-Au 합금으로 선정하였다. 전극재료는 증착 후 300℃에서 3분간 열처리를 통해 접촉저항 2.4×10-3Ω㎠을 얻었다. GIZO TFT의 gate절연체로 사용하는 Si3N4 박막의 최적 공정을 확보하였다. Si3N4 박막은 plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD)장비를 사용하였으며 통계적 실험기법을 통해 공정 압력 2 torr, NH3 유량 150 sccm, RF 파워 500 W, 박막성장시간 120 sec를 확보하였다. Si3N4 박막의 공정확보를 위해 박막의 평가 항목으로는 증착속도, 박막의 수축율, buffered oxide etchant (BOE) 의 식각 속도, 박막의 굴절률 등을 평가하였다. 다음으로 채널로 사용되는 GIZO 박막의 공정조건을 확보하였다. GIZO 박막의 공정확보는 Minitab을 이용한 통계적 시험방법인 Design of Experiment (DOE)를 사용하여 최적화하였다. 고농도 도핑된 실리콘 웨이퍼를 TFT의 gate로 이용하였으며 shadow mask를 사용하여 TFT를 제작하였다. GIZO 박막은 10 인치 크기의 타겟을 사용하는 RF magnetron 스퍼터링 방식으로 제작하였다. 제작된 박막을 X-ray diffraction (XRD)로 분석 결과 비정질의 결정구조를 가짐을 알 수 있었다. 일반적으로 산화물 TFT의 전기적 특성은 산소결핍 농도에 의해 많은 영향을 받기 때문에 산소 유량을 변경하면서 GIZO 박막의 전기적 특성을 평가하였다. 산소유량이 4 sccm 이하에서는 도체의 특성을 나타내었고, 산소유량이 4 ~ 6 sccm에서는 gate 전압이 -50 V 에서 TFT가 turn on이 되었다. 산소유량이 6 ~ 15 sccm에서는 문턱전압이 -50 V ~ 5 V의 특성을 나타내며, 15 sccm 이상에서는 부도체의 특성을 나타내었다. GIZO 박막의 최적공정조건은 RF파워 500 W, Ar 유량 110 sccm, 산소 유량 10 sccm를 최종공정으로 확보하였다. GIZO TFT를 제작 후 대기압 분위기에서 열처리한 후 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)를 통해 박막 형성 원소들의 정량분석 및 각 원소들의 결합에너지 변화를 분석 평가하였다. 열처리 후 박막표면과 박막내부의 결합에너지를 분석한 결과 박막표면에서 Ga과 Zn 원소의 결합에너지가 0.3 eV 감소하였다. 이것은 GIZO TFT의 캐리어 역할을 하는 산소 결핍이 열처리에 의해 산소로 치환되면서 결합에너지가 감소한 것으로 보인다. 그 결과 on/off ratio가 증가하고 이동도의 증가를 나타내었다. 디스플레이에서 스위칭 소자의 시간에 따른 전기적 특성의 변화는 화질의 변화를 초래하기 때문에 제품의 장기 신뢰성에 큰 장애요소가 된다. 본 연구에서는 고분자층과 산화물층을 교차 6층 코팅하여 외부의 산소 및 습기를 차단하였다. GIZO TFT 를 이루는 박막을 통계적 실험기법을 통해 실제 현업에 사용할 수 있는 공정을 확보하였으며 전자이동도 11 ㎠/V.s, drain 전류 on/off ratio 1.7×108, 문턱전압 5.0 V의 TFT 특성을 확보하였다. 최종적으로 마스크를 제작하여, 6 인치 x 6 인치 유리기판에 GIZO TFT를 제작하여 AMOLED 디스플레이의 backplane으로 사용하였다. 이렇게 제작한 AMOLED 에 화상신호를 제어할 수 있는 외부구동회로를 제작하여 정지화상을 구현하였다.