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문제 정의
- 본 연구에서는 타겟 조성에 매우 근접한 박막 제작이 가능한 펄스 레이저 증착법(PLD; pulsed laser deposition)을 사용하여 ZnO 박막을 제작하였으며, 공정조건 변화에 따른 ZnO 박막의 전기적, 광학적 및 결정성 특성을 조사하였다. 그 기 초 결과를 고려하여 전도성이 높은 결정성 실리콘(c-Si)을 기판 겸 전극으로 하고, 저압화학기상증착법(LPCVD)으로 성 장된 9*4 박막을 절연층으로 하는 botton-gate 형 박막 트 랜지스터 소자 구조에 ZnO 박막을 활성 채널층으로 응용하였다.
제안 방법
- ZnO (100nm)를 활성 채널층으로 하는 박막 트랜지스터 소자는 게이트 진극 역할을 겸하도록 도핑된 결정성 Si 위에 LPCVD 법으로 100 nm 두께의 SiN 박막을 절연층으로 올리 고, 상기한 다양한 특성의 ZnO 박막을 활성 채널층으로 제작 한 후, 진공증착법으로 제작된 A1 전극을 80 lim의 간격을 갖는 소스/드레인 컨택으로 패터닝하여 제작하였다. 그림1.
- . ZnO 박막의 펄스 레이저 증착 시에 산소 가스의 유입 유량을 각기 5, 50, 100, 200 mTorr의 분압이 되도록 조 절하였다. 또한, 기판을 적외선 조사법으로 가열시켰으며, 기 판의 온도는 100, 200, 300 및 400℃笆가 되도록 변화시켰다.
- 본 연구에서는 타겟 조성에 매우 근접한 박막 제작이 가능한 펄스 레이저 증착법(PLD; pulsed laser deposition)을 사용하여 ZnO 박막을 제작하였으며, 공정조건 변화에 따른 ZnO 박막의 전기적, 광학적 및 결정성 특성을 조사하였다. 그 기 초 결과를 고려하여 전도성이 높은 결정성 실리콘(c-Si)을 기판 겸 전극으로 하고, 저압화학기상증착법(LPCVD)으로 성 장된 9*4 박막을 절연층으로 하는 botton-gate 형 박막 트 랜지스터 소자 구조에 ZnO 박막을 활성 채널층으로 응용하였다. 펄스 레이저 증착 공정 파라메터가 완성된 박막 트랜 지스터 소자의 주요 특성인 전계효과이동도 (fi 이 d effect mobility, Ufe) 및 on-off ratio 등에 미치는 영향을 조사 하였다.
- 한편, 평판 디스플레이의 active matrix 구동용 박막 트랜지스터 소 자는 액정 디스플레이의 경우, 450℃ 이하에서 열안정성을 갖는 유리기판 위에 제작되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 기판온도를 400X2 이하 하는 조건에서 펄스 레이저 증착법으 로 ZnO 박막을 제작하여 박막 트랜지스터의 활성 채널층으 로 응용하였다. 소자 제작시, 기판 온도를 낮게 할수록 전체 제작 단가를 절감할 수 있으며, 고온 공정시 수반되는 다른 부분의 열적 변화에 의한 영향을 줄일 수 있는 장점이 있다.
- ZnO 박막의 펄스 레이저 증착 시에 산소 가스의 유입 유량을 각기 5, 50, 100, 200 mTorr의 분압이 되도록 조 절하였다. 또한, 기판을 적외선 조사법으로 가열시켰으며, 기 판의 온도는 100, 200, 300 및 400℃笆가 되도록 변화시켰다. 한편, ZnO 타겟과 기판 사이의 간격은 40 cm로 일정하게 유지 하였다.
- 이와 같은 기초 특성을 갖는 ZnO 박막이 박막 트랜지스터 소자의 활성 채널층으로 사용될 경우 신뢰성 있는 소자로 동 작이 가능한 지 여부를 검토하기 위해 HP4140B picoamroter 를 사용하여 전류-전압(I-V) 특성을 Vsti=lV 로 하고, 게이트 전압 V#를 -10~30V로 변화시키는 조건에서 측정하였다. 전 류-전압 특성 측정을 통하여 ZnO-TFT 소자의 전계효과이 동도(field effect mobility, jjfe) 및 on-off ratio 특성을 분석 할 수 있었다.
- 이와 같은 기초 특성을 갖는 ZnO 박막이 박막 트랜지스터 소자의 활성 채널층으로 사용될 경우 신뢰성 있는 소자로 동 작이 가능한 지 여부를 검토하기 위해 HP4140B picoamroter 를 사용하여 전류-전압(I-V) 특성을 Vsti=lV 로 하고, 게이트 전압 V#를 -10~30V로 변화시키는 조건에서 측정하였다. 전 류-전압 특성 측정을 통하여 ZnO-TFT 소자의 전계효과이 동도(field effect mobility, jjfe) 및 on-off ratio 특성을 분석 할 수 있었다. 그림5에 펄스 레이저 증착법으로 다양한 조건 에서 제작된 ZnO-TFT 소자의 대표적인 전류-전압 특성이 나와 있으며, 산소압력이 100 또는 200 mTorr 이고, 기판온 도는 100℃에서 4000로 100'C 씩 변화시킨 ZnO 박막으로 제작한 TFT 소자의 Ids-Vgs 특성곡선을 보여주고 있다.
- 5°(004) 방향성)가 관찰되었으며, 따라서, 펄스 레 이저 증착법으로 제작된 ZnO 박막이 우수한 c-축 배향성을 가짐을 확인할 수 있었다. 증착 공정시 파라메터 변화가 ZnO 박막의 결정에 미치는 미세한 영향은 각 20=345°(002) 피크 의 FWHM (full width half maximum)을 조사하여 수행하였으며, 그림3에 그 결과가 나와 있다. FWHM 값은 분석된 ZnO 박막의 XRD 피크의 최대반전폭 값이며, 그 크기가 작 을 수록 결정입자 크기가 크고 결정성 이 더 우수함을 나타낸다.
- 그 기 초 결과를 고려하여 전도성이 높은 결정성 실리콘(c-Si)을 기판 겸 전극으로 하고, 저압화학기상증착법(LPCVD)으로 성 장된 9*4 박막을 절연층으로 하는 botton-gate 형 박막 트 랜지스터 소자 구조에 ZnO 박막을 활성 채널층으로 응용하였다. 펄스 레이저 증착 공정 파라메터가 완성된 박막 트랜 지스터 소자의 주요 특성인 전계효과이동도 (fi 이 d effect mobility, Ufe) 및 on-off ratio 등에 미치는 영향을 조사 하였다.
대상 데이터
- 산소분압 및 기판 온도를 달리하여 펄스 레이저 증착법으 로 제작된 ZnO 박막의 광학 투명도(optical transmission)을 실온에서 UV-visible photometer# 사용하여 조사한 결과, 기판 온도에 영향을 받지 않고 80% 이상의 광학 투명도를 보인 반면, 산소 분압에 따라 각기 다른 광학 투명도를 보였 으며, 200 mTorr의 산소 분압에서 제작한 시편을 제외한 다른 박막은 모두 가시광 영역에서 80% 이상의 광학 투명도를 보임을 확인하였다. 따라서, 박막 트랜지스터 소자에 적용될 ZnO 박막은 200 mTorr 이하의 산소분압에서 제작하였다. 그 림2에 산소분압과 기판 온도를 달리하여 제작된 ZnO 박막의 광학 투명도를 조사한 결과 나와 있다.
- 본 연구에서 제작된 ZnO 박막은 quartz glass 및 p-type Si 기판을 에탄올 및 아세톤으로 각각 5분간 초음파 세척한 후, 5x10-5 Torr 진공도의 체임버에 설치하고 순도 99.9%의 상용 ZnO (Tohwa Chemical, Japan) 타겟을 일정 회전수로 회전시키면서 KrF 펄스 레이저 빔(*=248 nm, pulse duration 25 ns, 주파수 10 Hz, 레이저 에너지 200 mJ)을 조사하여 증 착하였다..
- KrF 펄스 레이저 증착법으로 산소분압 및 기판온도를 다 양하게 변화시켜 제작된 ZnO 박막은 80% 이상의 우수한 광 학 투명도와 c-축 배향 결정성을 보였으며, 박막 트랜지스터 소자의 활성 채널층으로 사용될 수 있음을 보였다. 본 연구에서 제작된 투명 ZnO-TFT는 펄스레이저 증착 공정 파라메 터의 변화에 따라 2.4-6.1 cne/Vs의 전계효과이동도(field effect mobility)를 보였으며, lOelO6의 on-off ratio를 보였다. 본 연구에서 소개된 ZnO-TFT 중에서는 기판온도 3001, 산 소압력 100 mTorr에서 제작된 시편이 가장 우수한 TFT 특 성으로 그 전계효과이동도는 6.
이론/모형
- 산소압력 및 기판온도 변화에 따른 ZnO 박막의 전기전도 도는 Hall-van der Pauw 측정 법으로 조사하였으며, 그 결과가 그림4에 나와 있다. ZnO 박막을 TFT의 활성 채널층에 사용하기 위해서는 낮은 전자 농도 즉, 높은 저항이 요구된다.
성능/효과
- ZnO 박막의 결정성은 XRD법으로 조사하였으며, 하나의 우세한 피크(26=34.5。:(002) 방향성)와 다른 하나의 미약한 피크(26=72.5°(004) 방향성)가 관찰되었으며, 따라서, 펄스 레 이저 증착법으로 제작된 ZnO 박막이 우수한 c-축 배향성을 가짐을 확인할 수 있었다. 증착 공정시 파라메터 변화가 ZnO 박막의 결정에 미치는 미세한 영향은 각 20=345°(002) 피크 의 FWHM (full width half maximum)을 조사하여 수행하였으며, 그림3에 그 결과가 나와 있다.
- KrF 펄스 레이저 증착법으로 산소분압 및 기판온도를 다 양하게 변화시켜 제작된 ZnO 박막은 80% 이상의 우수한 광 학 투명도와 c-축 배향 결정성을 보였으며, 박막 트랜지스터 소자의 활성 채널층으로 사용될 수 있음을 보였다. 본 연구에서 제작된 투명 ZnO-TFT는 펄스레이저 증착 공정 파라메 터의 변화에 따라 2.
- ZnO 박막을 TFT의 활성 채널층에 사용하기 위해서는 낮은 전자 농도 즉, 높은 저항이 요구된다. PLD법으로 제작된 ZnO 박막의 저항값(Qcm)은 산소압력 에 관계없이 유사한 경향을 보인 반면, 기판 온도를 높일수록 증가하는 경향을 보였다.
- ZnO 공정 시- 산소압력 변화에 따른 TFT 특성 변화를 측정한 결과, ZnO-TFT 소자는 기판 온도에 관계없이 진공 중 또는 5 mTorr 산소압력에서 제작된 것이 더 높은 산소압력 에서 제작된 소자에 비해 열악한 TFT 특성을 보였다 반면 에, 전계효과이동도는 기판온도가 높을수록 좋아지는 결과를 보였.다.
- . ZnO-TFT 소자의 전계효과이동도는 기판온도에 관계없이 현 재까지 보고된 바 있는 다른 TCO 보다 우수한 2.4 cm2/V-s 이상의 값을 보였으며, 100℃ 및 200笆로 낮은 온도에서 제작 된 ZnO 박막을 활성층으로 하는 경우에는 상대적으로 낮은 값을 보였다. 기판 온도 300℃ 및 400℃ 에서 제작된 ZnO 박 막을 활성층으로 박막트랜지스트의 경우에는 5.
- Kobayashi 등은 ZnO가 아닌 다른 TCO 인 GaN 을 마그네트론 스퍼터 링법으로 제작한 TFT를 보고한 바 있다.© 현재까지 보고된 ZnOTFT 의 전계효과이동도가 1 cm2/Vs 이하에 머물고 있는데 비해, 본 연구에서 PLD 법으 로 제작된 ZnO-TFT는 2.4~6.1 crgVs 로 월등히 우수한 전계효과이동도를 보였다. 또한 일부 시편을 제외한 대부분의 시 편에서 IO。수준의 on-off rati。를 보여주었다.
- 4 cm2/V-s 이상의 값을 보였으며, 100℃ 및 200笆로 낮은 온도에서 제작 된 ZnO 박막을 활성층으로 하는 경우에는 상대적으로 낮은 값을 보였다. 기판 온도 300℃ 및 400℃ 에서 제작된 ZnO 박 막을 활성층으로 박막트랜지스트의 경우에는 5.2 cnbVs 이상의 값을 보였으며, 우수한 전계효과이동도를 달성하기 위해서는 기판 온도가 높아야 함을 알 수 있었다. on-off ratio 특 성에서는 ZnO 박막 제작시 기판 온도에 따른 영향이 현저하 지는 않았으나, 역시 기판 온도가 높을 경우 IO1" 수준의 특성을 보였다.
- FWHM 값은 분석된 ZnO 박막의 XRD 피크의 최대반전폭 값이며, 그 크기가 작 을 수록 결정입자 크기가 크고 결정성 이 더 우수함을 나타낸다. 따라서, 펄스 레이저 증착법으로 ZnO 박막을 제작할 경우, 산소압력이 작을 수록, 기판 온도가 높을수록 결정성이 더 우수한 박막을 제작할 수 있음을 볼 수 있다.
- 1 cne/Vs의 전계효과이동도(field effect mobility)를 보였으며, lOelO6의 on-off ratio를 보였다. 본 연구에서 소개된 ZnO-TFT 중에서는 기판온도 3001, 산 소압력 100 mTorr에서 제작된 시편이 가장 우수한 TFT 특 성으로 그 전계효과이동도는 6.1 cm%Vs, on-off ration는 106 수준이었다. 이러한 결과들을 고려하면, PLD 법으로 증 착된 ZnO를 활성채널층으로 사용하는 TFT를 제작할 경우에는 산소압력이 200 mTorr 이하이고, 기판온도는 3001 부근 으로 할 경우, 가장 우수한 TFT 소자특성을 얻을 수 있다.
- on-off ratio 특 성에서는 ZnO 박막 제작시 기판 온도에 따른 영향이 현저하 지는 않았으나, 역시 기판 온도가 높을 경우 IO1" 수준의 특성을 보였다. 본 연구에서 제작된 ZnO-TFT 소자 중에서는 기 판온도 300r 및 산소분압 lOOmTorr에서 제작된 소자가 전 계효과이동도 6.1 crrSVs, on-off ratio가 10° 수준으로 가장 우수하였다.
- 산소분압 및 기판 온도를 달리하여 펄스 레이저 증착법으 로 제작된 ZnO 박막의 광학 투명도(optical transmission)을 실온에서 UV-visible photometer# 사용하여 조사한 결과, 기판 온도에 영향을 받지 않고 80% 이상의 광학 투명도를 보인 반면, 산소 분압에 따라 각기 다른 광학 투명도를 보였 으며, 200 mTorr의 산소 분압에서 제작한 시편을 제외한 다른 박막은 모두 가시광 영역에서 80% 이상의 광학 투명도를 보임을 확인하였다. 따라서, 박막 트랜지스터 소자에 적용될 ZnO 박막은 200 mTorr 이하의 산소분압에서 제작하였다.
- 위와 같은 결과들로 미루어 볼 때, 본 연구에서 펄스 레이 저 증착법으로 제작된 ZnO 박막을 박막 트랜지스터로응용하기 위해서는 기판 온도를 판 온도를 300℃ 이상으로, 산소압 력은 200 mTorr 이하로 하여야 함을 예상할 수 있다. 한편, 평판 디스플레이의 active matrix 구동용 박막 트랜지스터 소 자는 액정 디스플레이의 경우, 450℃ 이하에서 열안정성을 갖는 유리기판 위에 제작되어야 한다.
- 1 cm%Vs, on-off ration는 106 수준이었다. 이러한 결과들을 고려하면, PLD 법으로 증 착된 ZnO를 활성채널층으로 사용하는 TFT를 제작할 경우에는 산소압력이 200 mTorr 이하이고, 기판온도는 3001 부근 으로 할 경우, 가장 우수한 TFT 소자특성을 얻을 수 있다.
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