[논문]고주파 마그네트론 스퍼터링법으로 제조된 ZnO:Ga,In(IGZO) 박막의 특성

김형민; 마대영; 박기철

doi:10.4313/jkem.2013.26.1.56

고주파 마그네트론 스퍼터링법으로 제조된 ZnO:Ga,In(IGZO) 박막의 특성
The Properties of ZnO:Ga,In(IGZO) Thin Films Prepared by RF Magnetron Sputtering 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.26 no.1, 2013년, pp.56 - 63

김형민 (경상대학교 반도체공학과) , 마대영 (경상대학교 전기공학과) , 박기철 (경상대학교 반도체공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

IGZO thin films have been prepared by RF magnetron sputtering. The structural, electrical and optical properties of the IGZO thin films have been investigated as a function of deposition condition. XRD analysis of IGZO thin films showed a typical crystallographic orientation with c-axis perpendicular regardless of deposition conditions. The carrier mobility, carrier concentration and resistivity of the IGZO films sputtered at 200 W, 1mTorr and $300^{\circ}C$ were $28.5cm^2/V{\cdot}sec$, $2.6{\times}10^{20}cm^3$, $8.8{\times}10^{-4}{\Omega}{\cdot}cm$ respectively. The optical transmittance were higher than 80% at visible region regardless of the deposition conditions under the experiments above, and specifically higher than 90% at wave length over 500 nm. The absorption edge was shifted to shorter wavelength with increase of carrier concentration.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

RF 마그네트론 스퍼터링법을 사용하여 IGZO박막을 증착하였으며, 순수한 ZnO분말에 Ga₂O₃ 분말 및 In₂O₃ 분말을 각각 3 wt%와 2 wt%로 첨가하여 타겟을 제작하 였다. 증착된 IGZO박막은 X-선 회절 패턴의 분석 결과로 증착 조건에 관계없이 (002)면으로의 수직 성장하였 으며 c-축 배향성을 보였다.
스퍼터링 시 RF출력, 분위기압 및 기판온도를 변화시켜 가면서 IGZO박막을 증착하였다. X-선 회절 분석기를 사용하여 IGZO박막의 구조적 특성을 조사하였으며, EDS를 사용하여 성분 분석을 하였다. 또한 Hall effect 측정시스템을 사용하여 캐리어 밀도, 캐리어 이동도 및 박막의 비저항을 측정하였으며, 분광광도계를 사용하여 광 투과도를 측정하고 광학적 밴드갭을 구하였다.
X-선 회절 분석기를 사용하여 IGZO박막의 구조적 특성을 조사하였으며, EDS를 사용하여 성분 분석을 하였다. 또한 Hall effect 측정시스템을 사용하여 캐리어 밀도, 캐리어 이동도 및 박막의 비저항을 측정하였으며, 분광광도계를 사용하여 광 투과도를 측정하고 광학적 밴드갭을 구하였다.
또한 측정된 광투과도로부터 흡수계수 α를 구하였 으며, 흡수계수 α와 광자에너지와의 관계식을 통해 광학적 밴드갭을 구하였다.
1 mm 두께의 구리선을 이용하여 연결하였다. 분광광도계 (AvaSpec-2048-TEC Jin young Co.)를 이용하여 IGZO박막의 광투과도를 측정하 였다. 또한 측정된 광투과도로부터 흡수계수 α를 구하였 으며, 흡수계수 α와 광자에너지와의 관계식을 통해 광학적 밴드갭을 구하였다.
본 연구에서는 박막증착 재현성과 막의 균질성이 우수하며 가장 일반적으로 사용되어지는 고주파 마그네트론 스퍼터링법으로 IGZO (ZnO:Ga,In) 박막을 제조하였다. 스퍼터링 시 RF출력, 분위기압 및 기판온도를 변화시켜 가면서 IGZO박막을 증착하였다. X-선 회절 분석기를 사용하여 IGZO박막의 구조적 특성을 조사하였으며, EDS를 사용하여 성분 분석을 하였다.
)을 사용하였다. 증착 조건에 따른 막의 결정성, 결정방향 및 미세 결정립의 크기를 조사하기위해 X-선 회절분석기 (D8 Advance, Bruker AXS Co.)를 사용하였다. 이때의 X-선의 회절각은 20°∼80°까지 변화시켰으며, 타겟의 CuKα는 1.

대상 데이터

기판은 디스플레이용 corning glass를 세척하여 사용하였으며 고주파 마그네트론 스퍼터링 시스템 (SPS-S050, ULTEC Co.)으로 표 1과 같은 증착 조건으로 제조되었다.
본 연구에서는 박막증착 재현성과 막의 균질성이 우수하며 가장 일반적으로 사용되어지는 고주파 마그네트론 스퍼터링법으로 IGZO (ZnO:Ga,In) 박막을 제조하였다. 스퍼터링 시 RF출력, 분위기압 및 기판온도를 변화시켜 가면서 IGZO박막을 증착하였다.
또한 기판온도는 상온에서 350℃까지 변화시켜가며 증착하였다. 분위기 가스로는 Ar (99.999%)가스를 사용하였으며 챔버 내의 기판과 타겟과의 거리는 10 cm로 고정하였다. 또한 매 증착 시 마다 5분 간 pre-sputtering한 후 main sputtering하였다.
순수한 ZnO (99.9%-Aldrich Co.) 분말에 Ga₂O₃ (99.99%-Aldrich Co.)와 In₂O₃ (99.99%-Aldrich Co.) 분말을 95 : 3 : 2의 무게비로 혼합하여 총 무게가 130 g 이 되게 평량하여 혼합된 분말과 지르코니아 볼, 메틸 알콜을 1:1:1의 무게비로 하여 습식볼밀 방식으로 72시간 동안 혼합하였다. 혼합된 분말을 3시간 동안 120℃ 에서 충분히 건조한 다음 500℃에서 4시간 동안 하소하 였다.
)을 사용하였다. 시편은 포토리소그라피 공정을 이용해 제작하였으며 전극부에는 고주파 마그네트론 스퍼터링 시스템을 이용해 Ag전극을 증착하였다. 증착된 전극과 측정용 PCB 기판은 0.
이때의 X-선의 회절각은 20°∼80°까지 변화시켰으며, 타겟의 CuKα는 1.5 Å 파장을 사용하였다.

이론/모형

5 Å 파장을 사용하였다. 전기적 특성을 측정하기 위해 Hall effect 측정시스템(HEM-2000, EGK Co.)을 사용하였다. 시편은 포토리소그라피 공정을 이용해 제작하였으며 전극부에는 고주파 마그네트론 스퍼터링 시스템을 이용해 Ag전극을 증착하였다.

성능/효과

500 nm 이상에서의 가시광 영역에서는 RF 출력과 무관하게 90% 이상의 광 투과도를 보였으며 특히 200 W에서는 400∼500 nm에서도 85% 이상이었다.
Hall 효과 측정 결과, RF 출력의 증가, 기판온도의 상승 및 분위기압의 감소에서 비저항은 감소하는데 이는 adatom의 에너지가 증가하여 Zn원자가 Ga, In원자로 활발히 치환되면서 캐리어 밀도가 증가하고, 미세 결정립의 증가로 인해 grain boundary scattering이 감소하여서 캐리어 이동도가 증가하기 때문으로 판단된다. IGZO박막의 광투과도 측정 결과 증착 조건에 관계없이 가시광 영역에서 80% 이상의 광투과도를 나타냈으며 특히 500 nm 이상에서는 90% 이상의 광투과도를 나타내었다. 캐리어 밀도가 증가함에 따라 광 흡수단은 단파장 쪽으로 이동하였으며, 광학적 밴드갭은 확장되었다.
증착된 IGZO박막은 X-선 회절 패턴의 분석 결과로 증착 조건에 관계없이 (002)면으로의 수직 성장하였 으며 c-축 배향성을 보였다. RF 출력과 기판온도가 상승함에 따라 X-선 회절 피크의 강도가 증가하였으며 분위기압의 증가에는 오히려 감소하였다. 또한 미세 결정 립의 크기도 RF 출력과 기판온도가 상승함에 따라 증가 하였으나 분위기압이 증가함에 따라서는 오히려 감소하 였다.
기판온도가 300℃일 때 캐리어 밀도는 2.6×1020 cm3, 캐리어 이동도는 28.5 cm2/V·sec, 비저항은 8.8×10-4 Ω·cm으로 가장 우수한 전기적 특성을 보였다.
기판온도의 변화와 무관하게 500 nm 이상의 가시광 영역에서 90% 이상의 광 투과도를 나타내었다.
RF 출력과 기판온도가 상승함에 따라 X-선 회절 피크의 강도가 증가하였으며 분위기압의 증가에는 오히려 감소하였다. 또한 미세 결정 립의 크기도 RF 출력과 기판온도가 상승함에 따라 증가 하였으나 분위기압이 증가함에 따라서는 오히려 감소하 였다. Hall 효과 측정 결과, RF 출력의 증가, 기판온도의 상승 및 분위기압의 감소에서 비저항은 감소하는데 이는 adatom의 에너지가 증가하여 Zn원자가 Ga, In원자로 활발히 치환되면서 캐리어 밀도가 증가하고, 미세 결정립의 증가로 인해 grain boundary scattering이 감소하여서 캐리어 이동도가 증가하기 때문으로 판단된다.
분말을 각각 3 wt%와 2 wt%로 첨가하여 타겟을 제작하 였다. 증착된 IGZO박막은 X-선 회절 패턴의 분석 결과로 증착 조건에 관계없이 (002)면으로의 수직 성장하였 으며 c-축 배향성을 보였다. RF 출력과 기판온도가 상승함에 따라 X-선 회절 피크의 강도가 증가하였으며 분위기압의 증가에는 오히려 감소하였다.
250 W 이상에서의 저항률의 증가는 빠른 증착률에 기인한 결함의 증가 및 미세 결정립의 크기 감소로 인한 것으로 판단된다. 캐리어 밀도, 캐리어 이동도의 증가로 RF 출력이 200 W에서 가장 낮은 비저항을 나타 냈다.
IGZO박막의 광투과도 측정 결과 증착 조건에 관계없이 가시광 영역에서 80% 이상의 광투과도를 나타냈으며 특히 500 nm 이상에서는 90% 이상의 광투과도를 나타내었다. 캐리어 밀도가 증가함에 따라 광 흡수단은 단파장 쪽으로 이동하였으며, 광학적 밴드갭은 확장되었다. RF 출력이 200 W, 분위기압은 1 mTorr, 기판온도가 300℃, 막의 두께가 3,000 Å일 때 캐리어 밀도가 2.

후속연구

38 eV의 광학적 밴드갭을 나타내었다. Ga과 In의 첨가량을 변화시키는 향후의 연구를 통하여 투명도전막으로써 응용이 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ZnO이 가지고 있는 특성은?	이러한 문제들을 해결하기 위해 대체 물질에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 ZnO 는 ITO에 비해 원료 물질이 풍부하여 가격이 월등히 저렴하며, 박막의 경우 고온에서의 열적인 안정성을 가지고 있다. 3.4 eV대의 에너지 밴드갭을 가지고 있으며, 가시광 영역에서의 우수한 광투과도 특성을 갖는다. 또한 비화학양론적인 조성에 기인하여 비교적 낮은 비저항을 갖는 n형 반도체 특성을 가지고 있다. 그럼에도 불구하고 Ⅲ족 원소 (B, Al, Ga, In)를 도핑 함으로써 더 우수한 전기적 특성을 얻을 수 있는 것으로 보고되고 있다 [3-5].
	투명전극으로 활용가능한 투명도전성 산화막은 어떤 요건이 요구되는가?	투명도전성 산화막 (transparent conductive oxide, TCO)은 평판 디스플레이, 박막 태양전지, 광전자 소자 등에 투명전극으로 많이 활용되고 있다 [1,2]. 투명전극으로 활용이 가능한 투명도전성 산화막은 90% 이상의 가시광 영역에서의 광투과도와 10 -4 Ω·cm대의 낮은 비저항이 요구된다. 그 중에서도 ITO (indium tin oxide, In 2 O 3 :Sn)는 투명도전막으로 널리 사용되고 있다.
	IGZO (ZnO:Ga,In) 박막에 Hall effect 측정시스템을 사용하여 측정할 수 있는 것은?	X-선 회절 분석기를 사용하여 IGZO박막의 구조적 특성을 조사하였으며, EDS를 사용하여 성분 분석을 하였다. 또한 Hall effect 측정시스템을 사용하여 캐리어 밀도, 캐리어 이동도 및 박막의 비저항을 측정하였으며, 분광광도계를 사용하여 광 투과도를 측정하고 광학적 밴드갭을 구하였다.

참고문헌 (14)

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저자의 다른 논문 :

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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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