[논문]ZnO를 사용한 MOS 커패시터의 제작 조건에 따른 특성 변화

남형진

[국내논문] ZnO를 사용한 MOS 커패시터의 제작 조건에 따른 특성 변화
Property Variations of ZnO-based MOS Capacitor with Preparation Conditions 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.9 no.3, 2010년, pp.75 - 78

Abstract ▼ AI-Helper

In this study we investigated the electrical properties of ZnO-based MOS capacitor with $HfO_2$ as the gate dielectric. MIM capacitor, which uses either $HfO_2$ or $Al_2O_3$ as the dielectric layer, is also studied to understand the dependency of the dielectrics on the preparation conditions. It was found that thinner $HfO_2$ films yield better electrical properties, namely lower leakage current and higher breakdown electric field. These properties were observed to deteriorate when subsequently annealed. Capacitance in the depletion region of MOS capacitor was found to increase with UV ozone treatment time up to 60min. However, when the treatment time was extended to 120min, the trend is reversed. The 'threshold voltage' was also observed to positively shift with UV ozone treatment time up to 60min. The shift apparently saturated for longer treatment.

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문제 정의

특히 유전체 증착 전 ZnO를 UV 오존으로 처리한 다음 이에 의한 효과를 분석하였다. 본 논문에서는 UV 오존 처리 조건을 조절함으로써 MOS 커패시터 또는 TFT의 문턱 전압을 임의로 조절할 수 있는 가능성을 제시한다.
여기서의 ‘문턱전압’은 depletion 영역에서 일정하게 유지되는 커패시턴스가 증가하기 시작하는 게이트 전압 즉, dC/dV가 0에서 양의 값으로 변화하는 전압으로 정의하였다. 이러한 결과는 UV 오존 처리 조건을 조절함으로써 TTFT의 문턱전압을 임의로 조절할 수 있는 가능성을 암시하는 것이다.
본 연구에서는 우선 유전체로서의 HfO₂를 특성을 이해하기 위해 metal-insulator-metal(MIM) 커패시터를 제작하고 전기적 특성을 분석한 다음 단층의 HfO₂를 유전체로 하는 top 게이트 방식의 metal-oxide-semiconductor(MOS) 커패시터를 제작 특성을 분석하였다. 특히 유전체 증착 전 ZnO를 UV 오존으로 처리한 다음 이에 의한 효과를 분석하였다.

제안 방법

를 유전체로 하는 top 게이트 방식의 metal-oxide-semiconductor(MOS) 커패시터를 제작 특성을 분석하였다. 특히 유전체 증착 전 ZnO를 UV 오존으로 처리한 다음 이에 의한 효과를 분석하였다. 본 논문에서는 UV 오존 처리 조건을 조절함으로써 MOS 커패시터 또는 TFT의 문턱 전압을 임의로 조절할 수 있는 가능성을 제시한다.
ITO 유리 기판 위에 100 nm 두께의 ZnO 박막을 RF magnetron 스퍼터링 방법으로 ZnO target을 사용하여 증착하였다. 증착은 상온에서 진행되었으며 기판과 target 간 거리는 대략 15 cm, 초기 진공은 2 × 10^-6 torr, 증착 시 진공은 ~9 mtorr였다.
소자제작은 140 nm두께의 Ni을 thermal evaporation 방법으로 증착하여 지름이 300 mm 인 원형 형태의 전극을 형성함으로써 완성하였다. I-V 분석은 HP4155A 를 사용하여 수행하였으며 C-V 분석은 HP4280을 사용하여 1MHz에서 수행하였다.
하지만 ZnO 박막의 특성이 박막을 준비하는 환경에 매우 민감하게 변화를 보임에 따라 이를 기반으로 제작된 소자의 특성 또한 박막 준비 과정에 따라 변화된 특성을 보이게 되어 재현성이 낮은 편인 것으로 조사되었다. 이러한 재현성 문제를 보완하기 위해 ZnO 박막 증착 후 표면을 처리하여 전기적 특성을 조정하는 방법으로 UV 오존 처리에 따른 영향을 분석하였다.
본 연구에서는 ZnO 박막을 능동층으로 하고 HfO₂, Al₂O₃ 등을 유전체로 사용한 MIM 커패시터 및 MOS 커패시터를 제작하여 특성을 분석하였다. 우선 MIM 커패시터의 경우 유전체 박막의 두께에 따라 percolation 현상에 의해 게이트 누설전류는 크게 증가하고 항복전계값은 감소하였다.

대상 데이터

유전체는 ZnO 박막 또는 ITO 유리 기판 위에 아르곤 가스와 HfO₂ 또는 Al₂O₃ target을 사용하여 130W 의 전력에서 RF magnetron 스퍼터링 방법으로 증착하였으며 유전체 박막 두께는 20 nm에서 100 nm까지 변수로 사용하였다. 아울러 일부 샘플의 경우 400℃에서 질소를 흘려주며 20분간 열처리하였다.

성능/효과

그림에서 볼 수 있듯이 2가지 유전체 모두 비슷한 항복전계치를 갖는 것으로 관찰되었다. 항복현상이 일어나기 전 누설전류의 경우 전류 크기 면에서는 Al₂O₃ 가 상대적으로 낮은 것으로 관찰되었으나 인가전압에 따라 전류가 증가 하는 정도는 HfO₂ 가 우수한 것으로 관찰되었다. 아울러 상위 전극을 ITO에서 Al으로 대체하는 경우 누설전류는 급격하게 감소하는 것으로 조사되었다.
MOS 커패시터의 누설전류는 RF 전력이 증가함에 따라 100배 정도 감소하는 것으로 관찰되었으며 동일한 조건으로 제작된 MIM 커패시터 경우에 비해 누설 전류가 RF 전력에 따라 10² ~ 10⁴ 정도 큰 것으로 조사 되어 HfO₂ 의 특성이 ZnO와의 반응에 의해 현저히 나빠지는 것으로 관찰되었다. 하지만 ZnO 박막의 특성이 박막을 준비하는 환경에 매우 민감하게 변화를 보임에 따라 이를 기반으로 제작된 소자의 특성 또한 박막 준비 과정에 따라 변화된 특성을 보이게 되어 재현성이 낮은 편인 것으로 조사되었다.
의 특성이 ZnO와의 반응에 의해 현저히 나빠지는 것으로 관찰되었다. 하지만 ZnO 박막의 특성이 박막을 준비하는 환경에 매우 민감하게 변화를 보임에 따라 이를 기반으로 제작된 소자의 특성 또한 박막 준비 과정에 따라 변화된 특성을 보이게 되어 재현성이 낮은 편인 것으로 조사되었다. 이러한 재현성 문제를 보완하기 위해 ZnO 박막 증착 후 표면을 처리하여 전기적 특성을 조정하는 방법으로 UV 오존 처리에 따른 영향을 분석하였다.
인가전압에 따른 커패시턴스 변화가 매우 작은 것을 볼 수 있는데 이는ZnO를 능동층으로 사용하여 MOS 커패시터를 제작하는 경우 능동층의 높은 저항 때문에 기인한 것으로 보고되고 있다[10]. 하지만 본 결과는 오존 처리를 안 했거나(UV0) 처리 시간이 짧은 경우(15분 처리: UV15) 에 비해 상대적으로 오랜 시간 처리한 샘플의 경우(60분 처리: UV60, 120분 처리: UV120) accumulation 영역에서의 커패시턴스 증가 정도가 현저히 작음을 나타내고 있다. Accumulation 영역에서의 커패시턴스 급격한 증가는 인가전압에 따른 누설전류의 증가에 의한 것이다.
Accumulation 영역에서의 커패시턴스 급격한 증가는 인가전압에 따른 누설전류의 증가에 의한 것이다. 따라서 비교적 오랜 시간 UV 오존에 의해 처리된 ZnO의 경우 게이트 누설전류가 감소되는 등 특성이 향상된다는 것을 알 수 있다.
이러한 문턱전압의 이동 경향과 본 연구에서 관찰된 C-V 특성 결과를 종합하여 볼 때 오존 처리에 따라 샘플 내에서 donor로 작용하는 V_o 등의 결함이 감소하고 acceptor로 작용하는 oxygen interstitial (O_i) 의 결함이 증가하는 것으로 사료된다. 즉, 이러한 결함 종류 및 밀도 변화에 따라 ZnO 박막의 전도도가 n형에서 n형을 거쳐 진성반도체와 유사한 특성을 갖게 되는 것으로 보인다.
또한 유전체 증착 후 열처리를 하는 경우 박막 내의 micro void가 성장하여 특성이 급격히 감소하는 것으로 조사되었다. 반면 MOS 커패시터의 경우 같은 조건으로 제작한 MIM 커패시터에 비해 누설전류가 큰 것으로 조사되어 ZnO 박막과 유전체 간 경계면에서의 반응에 따라 전기적 특성이 저하됨을 알 수 있었다. 커패시터의 특성은 ZnO 박막 표면을 UV 오존으로 처리함에 따라 변화하여 게이트 누설 전류가 크게 감소하며 특히 문턱전압의 경우 음의 값에서 양의 값으로 변화하는 것을 관찰하였다.
반면 MOS 커패시터의 경우 같은 조건으로 제작한 MIM 커패시터에 비해 누설전류가 큰 것으로 조사되어 ZnO 박막과 유전체 간 경계면에서의 반응에 따라 전기적 특성이 저하됨을 알 수 있었다. 커패시터의 특성은 ZnO 박막 표면을 UV 오존으로 처리함에 따라 변화하여 게이트 누설 전류가 크게 감소하며 특히 문턱전압의 경우 음의 값에서 양의 값으로 변화하는 것을 관찰하였다. 이는 곧 ZnO 박막 표면을 UV 오존이나 산소 플라즈마 등으로 처리하여 enhancement 모드 TTFT 제작이 가능함을 암시하는 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 실리콘을 사용하는 TFT-LCD나 EL의 단점을 보완하기 위해 연구되고 있는 물질은 어떤 것인가?	최근 대면적 평면 디스플레이에 대한 관심이 점점 높아지면서 기존의 실리콘을 사용하는 TFT-LCD나 EL의 단점을 보완하기 위해 ITO, AZO 등 투명한 전도성 산화물질(Transparent Conductive Oxide; TCO) 및 투명한 능동층 구현 용 다결정 또는 비정질 형태의 산화금속에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 ZnO는 비교적 우수한 전도성, 3.
	ZnO 박막을 능동층으로 하고 HfO2, Al2O3 등을 유전체로 사용한 MIM 커패시터 및 MOS 커패시터는 어떤 특성을 나타냈는가?	본 연구에서는 ZnO 박막을 능동층으로 하고 HfO 2 , Al 2 O 3 등을 유전체로 사용한 MIM 커패시터 및 MOS 커패시터를 제작하여 특성을 분석하였다. 우선 MIM 커패시터의 경우 유전체 박막의 두께에 따라 percolation 현상에 의해 게이트 누설전류는 크게 증가하고 항복전계값은 감소하였다. 또한 유전체 증착 후 열처리를 하는 경우 박막 내의 micro void가 성장하여 특성이 급격히 감소하는 것으로 조사되었다. 반면 MOS 커패시 터의 경우 같은 조건으로 제작한 MIM 커패시터에 비해 누설전류가 큰 것으로 조사되어 ZnO 박막과 유전체 간 경계면에서의 반응에 따라 전기적 특성이 저하 됨을 알 수 있었다. 커패시터의 특성은 ZnO 박막 표면을 UV 오존으로 처리함에 따라 변화하여 게이트 누설 전류가 크게 감소하며 특히 문턱전압의 경우 음의 값에서 양의 값으로 변화하는 것을 관찰하였다. 이는 곧 ZnO 박막 표면을 UV 오존이나 산소 플라즈마 등으로 처리하여 enhancement 모드 TTFT 제작이 가능함을 암시하는 것이다.
	ZnO는 어떤 특징을 갖고 있는가?	최근 대면적 평면 디스플레이에 대한 관심이 점점 높아지면서 기존의 실리콘을 사용하는 TFT-LCD나 EL의 단점을 보완하기 위해 ITO, AZO 등 투명한 전도성 산화물질(Transparent Conductive Oxide; TCO) 및 투명한 능동층 구현 용 다결정 또는 비정질 형태의 산화금속에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 ZnO는 비교적 우수한 전도성, 3.37eV의 광대역 에너지 갭, 높은 광 흡수계수, 상온에서의 큰 exciton 결합 에너지(60 meV로 널리 사용되고 있는 GaN의 exciton 결합에너지인 26 meV 보다 훨씬 커서 상온에서 두 배이상의 빛 방출이 가능), 대면적 기판의 활용 가능성 등의 특징을 갖고 있어 태양열판, 발광 다이오드, 레이저, 광 감지기, UV-검출기 등과 같은 많은 응용분야에 서 연구와 시제품 제작이 이루어지고 있다[1-4].

참고문헌 (10)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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