[논문]진공열증착으로 성막된 산화구리 박막의 p-형 전도특성

이호년; 송병준

doi:10.5762/kais.2011.12.5.2267

진공열증착으로 성막된 산화구리 박막의 p-형 전도특성
P-type transport characteristics of copper-oxide thin films deposited by vacuum thermal evaporation 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.12 no.5, 2011년, pp.2267 - 2271

이호년 (순천향대학교 전자정보공학과) , 송병준 (순천향대학교 전기.로봇공학과)

초록
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p-채널 박막트랜지스터에 이용할 수 있는 p-형 산화구리 박막반도체를 얻기 위한 연구를 하였다. 진공열증착방법으로 산화구리 박막을 성막하였으며, 증착 후 열처리 조건을 조절하여 박막트랜지스터의 활성층에 적용 가능한 특성을 가지는 산화구리 박막반도체를 얻었다. 열처리 전에 $10^{22}\;cm^{-3}$ 수준의 전자 이송자농도를 가지던 n-형 박막이 열처리 조건을 최적화함에 따라 $10^{16}\;cm^{-3}$ 수준의 정공 이송자농도를 가지는 p-형 산화물반도체 박막으로 변화하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was focused on getting p-type copper-oxide thin-film semiconductors suitable for p-channel thin-film transistors. Vacuum thermal evaporation and thermal annealing were used to get copper-oxide thin-film semiconductor having properties adoptable as an active layer of thin-film transistors. n-type thin films having electron carrier density of about $10^{22}\;cm^{-3}$ before thermal annealing was converted to p-type thin films having hole carrier density of about $10^{16}\;cm^{-3}$ as the thermal annealing conditions were optimized.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 대면적 성막이 쉽고 공정단가가 낮은 방법을 이용하여 p-채널 산화물반도체 TFT의 제작이 가능한 수준의 p-형 전도특성을 가지는 구리산화물 박막반도체를 얻는 것을 목표로 하였다. 이를 위하여 공정 조건의 확보가 용이하고 공정비용이 낮은 진공열증착(vacuum thermal evaporation) 방법을 이용하여 박막을 성막하였으며, 후속 열처리 공정을 이용하여 TFT에 적용할 수 있는 낮은 이송자 농도 및 안정된 상태의 p-형 전도특성을 얻었다.
Cu₂O는 입방구조를 가지며 단결정 상태에서는 약 100 cm²V^-1sec⁻¹의 정공이동도를 갖는다. 비정질 내지는 미세결정 상태 Cu₂O 박막의 p-형 박막반도체로써의 응용 가능성을 확인하기 위해 수행한 연구의 결과를 본 논문에 제시한다. 산화구리 박막의 특성 변화를 연구 하기 위하여, 균일한 두께의 산화구리 박막을 제작하고 50℃ 간격으로 300℃까지 조건을 달리하여 열처리한 후 변화된 박막의 특성을 분석하였다.

제안 방법

Cu₂O분말을 사용한 진공열증착 방법으로 산화구리 박막을 성막하고 열처리 조건을 변경하여 변화되는 박막의 특성을 조사하였다. 열처리 전의 박막은 높은 이송자농도와 낮은 이동도를 가지는 n-형 전도특성을 보였다.
5 mm 두께, 25 mm×25 mm 크기의 무알카리 유리기판(삼성코닝정밀유리, Eagle XG)을 사용하여 시료를 제작하였다. 기판은 증류수를 이용한 초음파 세정 후, 아세톤, 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올을 차례로 사용 하여 증착 전 세정을 실시하였다. 세정 후 110℃에서 기판 열처리를 하여 기판 표면에 남아있는 수분을 제거하였다.
비정질 내지는 미세결정 상태 Cu₂O 박막의 p-형 박막반도체로써의 응용 가능성을 확인하기 위해 수행한 연구의 결과를 본 논문에 제시한다. 산화구리 박막의 특성 변화를 연구 하기 위하여, 균일한 두께의 산화구리 박막을 제작하고 50℃ 간격으로 300℃까지 조건을 달리하여 열처리한 후 변화된 박막의 특성을 분석하였다.
진공열증착 방법으로 성막된 산화구리박막은 약 1×10^-1 torr 압력의 진공열처리(우신크라이오벡, OmniProbe) 및 대기압열처리(동서과학, Box furnace) 등의 과정을 거쳐서 박막의 특성을 분석하였다. 산화물박막의 주요이송자 형태와 밀도, 이동도를 알기 위해서 Hall효과 측정(에코피아, HMS-3000)을 실시하였다. Hall효과 측정에는 약 0.
본 연구는 대면적 성막이 쉽고 공정단가가 낮은 방법을 이용하여 p-채널 산화물반도체 TFT의 제작이 가능한 수준의 p-형 전도특성을 가지는 구리산화물 박막반도체를 얻는 것을 목표로 하였다. 이를 위하여 공정 조건의 확보가 용이하고 공정비용이 낮은 진공열증착(vacuum thermal evaporation) 방법을 이용하여 박막을 성막하였으며, 후속 열처리 공정을 이용하여 TFT에 적용할 수 있는 낮은 이송자 농도 및 안정된 상태의 p-형 전도특성을 얻었다. 본 연구에 사용된 진공열증착 방법은 OLED 양산 공정에 적용되는 것과 같은 방식으로 대면적 생산성이 입증된 방식이다.
진공열증착 방법으로 성막된 산화구리박막은 약 1×10-1 torr 압력의 진공열처리(우신크라이오벡, OmniProbe) 및 대기압열처리(동서과학, Box furnace) 등의 과정을 거쳐서 박막의 특성을 분석하였다.

대상 데이터

0.5 mm 두께, 25 mm×25 mm 크기의 무알카리 유리기판(삼성코닝정밀유리, Eagle XG)을 사용하여 시료를 제작하였다.
세정 후 110℃에서 기판 열처리를 하여 기판 표면에 남아있는 수분을 제거하였다. 구리산화물 박막의 증착은 진공열증착 방식을 사용 하였는데, 구리산화물 원료물질로는 99.99% Cu2O 분말 (씨그마알드리치)을 사용하였다. 진공열증착은 셀코스의 CETUS OL100 시스템에서 시행되었으며, 기판을 삽입한 증착실은 5×10^-5 torr 이하의 진공을 유지하였고 Cu₂O분 말을 약 800℃의 텅스텐보트를 이용하여 증착하였다.

성능/효과

4˚에서 미약한 피크를 보이고 전체적으로 비정질의 형태를 보였다. 43.4˚는 Cu (111)면에 해당하는 피크로, 비정질 상태의 산화구리 박막에서 Cu (111)면의 구리 성분이 일부 석출되었을 것으로 해석 가능하였다. 진공열증착 과정의 진공도가 5×10^-5Torr 이하의 고진공이어서 성막된 박막의 산소분율 저하와 이에 따른 구리 성분의 석출이 유도되는 것으로 생각할 수 있다.
Cu₂O분말을 사용한 진공열증착 방법으로 성막된 박막은 1022 cm^-3 영역의 전자 이송자농도 및 약 1 cm²V_-1sec_-1 의 Hall이동도를 가지는 n-형 전도특성을 보였다. 비교적 높은 이송자농도 및 n-형 전도특성을 보여주는 것은 증착된 박막에 구리 성분이 석출된 결과로 유추된다.
O분말을 사용한 진공열증착 방법으로 산화구리 박막을 성막하고 열처리 조건을 변경하여 변화되는 박막의 특성을 조사하였다. 열처리 전의 박막은 높은 이송자농도와 낮은 이동도를 가지는 n-형 전도특성을 보였다. 이는 구리 성분의 석출에 의한 결과로 해석된다.
열처리 전의 박막 상태에 대한 해석은 X-선 회절(XRD) 분석 결과와 일치하였다. 열처리를 거치지 않은 박막의 XRD 분석 결과는 43.4˚에서 미약한 피크를 보이고 전체적으로 비정질의 형태를 보였다. 43.
즉, 50℃ 열처리 조건에서는 n-형 전도특성이 유지되지만 100℃ 이상의 열처리 조건에서는 p-형 전도특성을 얻을 수 있었다. 이송자농도는 열처리 온도가 증가할수록 감소하였으며, Hall이동도는 열처리 온도에 따라 증가하는 양상을 보였다.
Hall효과 측정결과 열처리 전 및 열처리 후의 전도는 n-형 특성을 보였다. 이송자농도는 열처리 온도에 따른 영향이 거의 없는 것으로 관측되었으나 Hall 이동도는 열처리 온도가 올라감에 따라 증가하는 양상을 보였다.
그림에서 비워진 사각형 및 동그라미는 n-형 전도특성을 의미하며, 채워진 사각형 및 동그라미는 p-형 전도특성을 의미한다. 즉, 50℃ 열처리 조건에서는 n-형 전도특성이 유지되지만 100℃ 이상의 열처리 조건에서는 p-형 전도특성을 얻을 수 있었다. 이송자농도는 열처리 온도가 증가할수록 감소하였으며, Hall이동도는 열처리 온도에 따라 증가하는 양상을 보였다.

후속연구

열처리 온도가 높아짐에 따라 1016 cm ^-3정도의 이송자농도 및 5 cm²V^-1sec^-1 이상의 Hall이동도를 얻을 수 있었는데, 이는 TFT의 활성층으로 적용가능한 수준이다. 본 연구의 결과물을 p-채널 산화물반도체 TFT 에 적용할 수 있을 것으로 판단되어 후속연구를 진행하고 있다.
본 연구에 사용된 진공열증착 방법은 OLED 양산 공정에 적용되는 것과 같은 방식으로 대면적 생산성이 입증된 방식이다. 본 연구의 열증착 방법은 원료 물질의 결합구조 및 분포의 정밀한 제어가 필요한 반응성 박막 증착 방법에 비해서 균일성 및 재현성의 확보가 용이할것으로 기대된다. 박막증착의 원료물질로 사용되는 Cu₂O 분말은 스퍼터링 방법에 사용되는 타겟이나 PLD 방법에 사용되는 결정질 원료에 비해서 단가가 매우 낮아 공정단가의 저감에 기여할 것이다.
특히, 비정질 산화물반도체는 스퍼터링 등의 방법으로 낮은 온도에서 성막이 가능하고, 이를 이용하여 제작되는 비정질산화물 TFT는 10 cm²V^-1sec^-1 내외의 비교적 높은 전계효과이동도를 가진다[5,6]. 비정질 산화물 TFT는 유기발광디스플레이(OLED), system- on-panel (SOP) 디스플레이 등 새로운 평판디스플레이에 적용 가능할 것으로 기대된다[7,8].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비정질 산화물반도체의 장점은 무엇인가?	규소 박막반도체의 한계를 극복하는 유력한 대안으로 높은 이동도 및 안정성과 쉬운 공정조건 및 낮은 단가의 장점을 동시에 가지는 산화물 박막반도체가 주목 받고 있다[3,4]. 특히, 비정질 산화물반도체는 스퍼터링 등의 방법으로 낮은 온도에서 성막이 가능하고, 이를 이용하여 제작되는 비정질산화물 TFT는 10 cm2V-1sec-1 내외의 비교적 높은 전계효과이동도를 가진다[5,6]. 비정질 산화물 TFT는 유기발광디스플레이(OLED), system- on-panel (SOP) 디스플레이 등 새로운 평판디스플레이에 적용 가능할 것으로 기대된다[7,8].
	TFT용 p-형 산화물 박막 반도체에 관한 연구 중 PLD 방법의 단점은 무엇인가?	TFT용 p-형 산화물 박막반도체의 연구에는 PLD (Pulsed Laser Deposition) 방법, 반응성 스퍼터링 방법 및 반응성 증발 방법 등이 적용되어 왔다[9-11]. PLD 방법은 다른 방법에 비해서 비교적 고품위의 박막을 얻을 수 있 으나, 결정질 소스 및 레이저 빔의 크기 제한에 의해서 적용 가능한 기판의 크기가 매우 작다. 반응성 방법에 의한 산화물 박막반도체는 박막특성의 재현성 및 신뢰성 확보에 어려움을 겪고 있다.
	산화물 박막 반도체 기술의 응용성을 높이기 위해서 p-형 산화물반도체 기술의 개발이 필요한 이유는 무엇인가?	산화물 박막반도체 기술의 응용성을 높이기 위해서는 p-형 산화물반도체 기술의 개발이 필요하다. 평판디스플레이의 화소회로 및 주변회로의 고성능화를 위해서는 n-채널 및 p-채널 산화물 TFT로 구성되는 상보성 금속산화물반도체(CMOS)기술의 확보가 필요하기 때문이다. 기판면에서 정공이 주입되는 OLED의 안정적인 구동을 위해서도 p-채널 TFT 기술의 확보가 필요하다.

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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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