Highly Reliable Nitrogen-Doped IGZO Thin-Film Transistors through Generation of Oxygen Vacancy and Post-N-Filling

Abstract

기존 CMOS 스케일링이 5 나노 노드를 넘어서는 물리적 한계에 부딪히면서 back-end-of-line (BEOL)에 주변 회로를 배치하는 모놀리식 3D-IC가 등장하고 있다. 여러 BEOL 트랜지스터 후보 중 인듐-갈륨-아연–산소 (IGZO) 박막 트랜지스터 (TFT)는 높은 이동성, 높은 투명도, 낮은 누설 전류, 낮은 공정 온도 등 우수한 특성으로 가장 유망 받고 있다. 그러나 스트레스 인가 시 야기되는 IGZO TFT 불안정성은 해결되지 않은 문제로 남아있으며, 이는 BEOL 트랜지스터 로서의 잠재력을 방해한다. 불안정성은 산소 원자의 탈착으로 인한 산소 공공의 형성에서 비롯되기 때문에 IGZO TFT의 신뢰도를 높이기 위해서는 산소 공공을 억제하는 것이 필수적이다. 산소 공공을 억제하기 위해, 연구자들은 IGZO 내부에 질소를 도핑함으로 금속–산소 결합보다 더 안정적인 금속–질소 결합의 형성을 연구해오고 있다. 그럼에도 불구하고 IGZO에 질소 도핑을 진행하는 기존 연구의 경우 IGZO 내부에 존재하는 불안정한 금속–산소 결합 때문에 안정성이 크게 개선되지 못한다. 본 연구에서는 질소 도핑 전에 IGZO 내부의 불안정한 금속–산소 결합을 제거하고 질소 플라즈마를 통해 질소를 순차적으로 채우는, 새로운 질소 도핑 방법론; 산소 공공 형성 후 질소 치환 (VGF) 을 제시한다. 기존 질소 도핑 방식이 산소 공공을 억제하는데 중점을 둔 것과 달리 우리의 VGF 방법은 탈착에 취약한 불안정한 금속–산소 결합을 사전에 제거하고, 형성된 산소 공공에 안정된 질소를 효과적으로 채우는 방식이다. 불안정한 금속–산소 결합의 제거와 질소의 치환은 지속적인 광전도 효과와 다양한 분광법으로 철저히 분석되었다. 그 결과, VGF 방법을 통한 IGZO:N 박막 트랜지스터는 기존 질소 도핑 방식의 IGZO:N 박막 트랜지스터에 비해 효과적으로 줄어든 양의 바이어스 하의 문턱전압 변화량 (23%)을 보였으며, 이를 통해 매우 향상된 안정성을 보였다.

As the traditional CMOS scaling encounters a physical limit beyond 5 nm node, monolithic 3D-IC that places peripheral circuitry on the back-end-of-line (BEOL) is emerging. Among several BEOL transistor candidates, InGaZnO (IGZO) thin film transistor (TFT) is the most promising with its superior properties such as high mobility, high transparency, ultra-low off current, and low process temperature. However, the instability of IGZO TFTs under stress remains unresolved, hindering its potential as a BEOL transistor. As the instability originates from the desorption of oxygen atoms, suppressing oxygen vacancy is essential to improve reliability of IGZO TFTs. For suppressing oxygen vacancy, researchers have studied nitrogen incorporation to the IGZO film as the metal–nitrogen bonds are more stable than metal–oxygen bonds. Nevertheless, the IGZO TFTs still suffer from poor instability due to its intrinsic unstable metal–oxygen bonds which are still preserved in IGZO thin film. In this study, we present a novel nitrogen doping methodology by removing the unstable metal oxygen bonding in IGZO before nitrogen doping, and filling them by nitrogen plasma sequentially. Unlike conventional nitrogen doping methods, our VGF method can increase nitrogen doping concentration as there is plenty of dangling bonds in IGZO after detachment of unstable metal–oxygen bonds. The reduced metal–oxygen bonds and high concentration nitrogen doping were confirmed by persistent photoconductivity measurement and various spectroscopy. As a results, the IGZO:N TFTs by VGF showed reduced ∆Vth under positive bias stress by 23% compared to the IGZO:N TFTs by the conventional nitrogen doping method.