[논문]XRD와 XPS를 사용한 산화아연 박막의 결함형성과 산소연관 결합사이의 상관성

오데레사

doi:10.3740/mrsk.2013.23.10.580

XRD와 XPS를 사용한 산화아연 박막의 결함형성과 산소연관 결합사이의 상관성
Correlation between Oxygen Related Bonds and Defects Formation in ZnO Thin Films by Using X-ray Diffraction and X-ray Photoelectron Spectroscopy 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.23 no.10, 2013년, pp.580 - 585

Abstract ▼ AI-Helper

To observe the formation of defects at the interface between an oxide semiconductor and $SiO_2$, ZnO was prepared on $SiO_2$ with various oxygen gas flow rates by RF magnetron sputtering deposition. The crystallinity of ZnO depends on the characteristic of the surface of the substrate. The crystallinity of ZnO on a Si wafer increased due to the activation of ionic interactions after an annealing process, whereas that of ZnO on $SiO_2$ changed due to the various types of defects which had formed as a result of the deposition conditions and the annealing process. To observe the chemical shift to understand of defect deformations at the interface between the ZnO and $SiO_2$, the O 1s electron spectra were convoluted into three sub-peaks by a Gaussian fitting. The O 1s electron spectra consisted of three peaks as metal oxygen (at 530.5 eV), $O^{2-}$ ions in an oxygen-deficient region (at 531.66 eV) and OH bonding (at 532.5 eV). In view of the crystallinity from the peak (103) in the XRD pattern, the metal oxygen increased with a decrease in the crystallinity. However, the low FWHM (full width at half maximum) at the (103) plane caused by the high crystallinity depended on the increment of the oxygen vacancies at 531.66 eV due to the generation of $O^{2-}$ ions in the oxygen-deficient region formed by thermal activation energy.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

1(b)는 ZnO 증착 후 진공 중에서 온도에 따른 (002)/(103)의 비를 나타내며, 온도가 올라갈수록 (002)/(103)의 비가 커지면서 결정성이 더 높아지는 것을 알 수 있다. 기판의 종류에 따른 특성을 알아보기 위해서 SiO₂/Si 위에 증착한 ZnO 박막의 XRD 특성을 살펴보았다.
본 연구에서 ZnO 산화물 반도체 물질의 계면 특성의 변화에 따라 생성되는 결함의 특성을 조사하기 위해서 ZnO를 RF 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 박막을 성장시켰으며, 열처리를 통하여 계면의 특성을 변화시켰다. 모든 박막들은 XRD, XPS를 이용하여 물리적 화학적인 특성을 분석하였다.
3(b)로부터 산소의 유량이 많은 70 sccm인 박막에서 반측 폭이 감소하였으며, 이러한 특성은 결정성이 더욱 좋아졌다는 것을 의미한다. 특히 산소유량이 50 sccm인 경우에서 열처리 후 peak이 약해지거나 없어지는 현상이 나타나서 비정질 특성이 나타나는 현상에서 XPS에서 산소관련 데이터의 변화에 대하여 살펴보았다.

제안 방법

SiO2/Si 기판 위에서 ZnO 박막을 증착 할 경우 XRD의 33°~34° 근처에서 픽이 관찰되지 않았으며, 산소의 유량을 다양하게 하여 SiO2/Si 기판 위에 제작한 ZnO 박막을 열처리를 하여 계면에서 발생하는 결함으로써 metal oxygen(Zn interstitial), 산소공공(oxygen vacancy), OH 결함의 발생원인과 결정성에 대하여 조사였다.
서로 다른 박막들 사이에서 생성되는 결합의 특성과 박막의 물리적 화학적 특성 변화 사이의 상관성을 분석하였다. ZnO 박막의 결함들은 산소 공공에 의한 결합 및 metal oxygen(Zn interstitial)에 의한 결함, OH그룹에 의한 결함들이 있으며, SiO₂/Si 기판 위에 여러 가지 조건에서 처리된 ZnO 박막과의 상관성에 대하여 분석하였다.
56 MHz, 100 W 였다. ZnO 박막의 특성과 열처리 온도에 따른 특성을 분석하기 위해서 XRD(X-ray diffraction, XDS2000)와 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy, ESCALAB210)를 이용하여 분석하였다.
광학소자에 많이 이용되고 있는 투명 전도성 산화막인 ZnO 박막을 스퍼터링 방법으로 증착하고 열처리를 하여 산소공공과 결정성과의 상관성을 조사하였다. ~수 nm 수준으로 박막의 두께가 얇아질수록 전자소자의 전기적인 특성은 계면에서 생기는 결함들에 의한 의존도가 높다.
p-Si기판은 유기물과 산화물을 제거하기 위해 RCA 클리닝과정을 거쳐 준비하였다. 기판의 특성과 열처리효과에 대한 영향을 알아보기 위해서 ZnO박막은 radio frequency(RF) magnetron sputtering방법으로 실리콘 기판과 SiO²/Si 기판 위에 증착 하였으며, 300도에서 저 진공 중에서 30분간 열처리를 실시하였다. 타겟은 ZnO(99.
ZnO기반의 산화물 반도체가 트랜지스터에 적용 되어지고 있으며, ZnO 박막의 경우 결정성이 전도도와 밀접한 관계가 있다. 따라서 박막의 기판의존성을 살펴보기 위해서 Si 웨이퍼와 SiO₂/Si 기판 위에서의 결정성을 분석하였다.
본 연구에서 ZnO 산화물 반도체 물질의 계면 특성의 변화에 따라 생성되는 결함의 특성을 조사하기 위해서 ZnO를 RF 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 박막을 성장시켰으며, 열처리를 통하여 계면의 특성을 변화시켰다. 모든 박막들은 XRD, XPS를 이용하여 물리적 화학적인 특성을 분석하였다. 서로 다른 박막들 사이에서 생성되는 결합의 특성과 박막의 물리적 화학적 특성 변화 사이의 상관성을 분석하였다.
모든 박막들은 XRD, XPS를 이용하여 물리적 화학적인 특성을 분석하였다. 서로 다른 박막들 사이에서 생성되는 결합의 특성과 박막의 물리적 화학적 특성 변화 사이의 상관성을 분석하였다. ZnO 박막의 결함들은 산소 공공에 의한 결합 및 metal oxygen(Zn interstitial)에 의한 결함, OH그룹에 의한 결함들이 있으며, SiO₂/Si 기판 위에 여러 가지 조건에서 처리된 ZnO 박막과의 상관성에 대하여 분석하였다.
3 × 10⁻³Torr 였다. 플라즈마 반응을 위해서 산소를 30, 50, 70 sccm을 각각 10분동안 흘려주었으며, RF 파워는 13.56 MHz, 100 W 였다. ZnO 박막의 특성과 열처리 온도에 따른 특성을 분석하기 위해서 XRD(X-ray diffraction, XDS2000)와 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy, ESCALAB210)를 이용하여 분석하였다.

대상 데이터

p-Si기판은 유기물과 산화물을 제거하기 위해 RCA 클리닝과정을 거쳐 준비하였다. 기판의 특성과 열처리효과에 대한 영향을 알아보기 위해서 ZnO박막은 radio frequency(RF) magnetron sputtering방법으로 실리콘 기판과 SiO²/Si 기판 위에 증착 하였으며, 300도에서 저 진공 중에서 30분간 열처리를 실시하였다.
타겟은 ZnO(99.999 % wt) 을 사용하였으며, 초기 압력은 4.5 × 10−5 Torr이고, 증착 중 압력은 1.2~1.3 × 10−3 Torr 였다.

성능/효과

SiO₂/Si 기판 위에서 ZnO 박막을 증착 할 경우 XRD의 33°~34° 근처에서 픽이 관찰되지 않았으며, 산소의 유량을 다양하게 하여 SiO₂/Si 기판 위에 제작한 ZnO 박막을 열처리를 하여 계면에서 발생하는 결함으로써 metal oxygen(Zn interstitial), 산소공공(oxygen vacancy), OH 결함의 발생원인과 결정성에 대하여 조사였다. ZnO 박막의 결정성이 증가하면 XRD 분석에서 신호 성분의 peak의 강도가 높아졌으며, XPS 분석에 의하면 결합에너지가 높은 방향으로 화학적 이동을 하는 것을 확인하였다. 또한 산소공공과 관련된 peak이 증가하였다.
5(c), (d), (e)는 각각의 샘플에 대한 열처리 후 비교를 나타낸다. ZnO박막은 1021.7 eV에서 Zn 2p peak이 나타나며, 산소의 유량이 많은 샘플에서 결정성이 우수해지면서 1021.7 eV보다 높은 결합에너지 쪽으로 이동하는 것을 확인하였다. 다음 수식은 전자와 홀의 이온결합을 통하여 ZnO 결합을 이루거나 산소공공 결합을 나타내고 있다.
4(b), (f)에서와 같이 상대적인 결정성이 증가하는 박막에서 peak은 높은 결합에너지 쪽으로 이동하면서 반측 폭은 감소하였다. 따라서 ZnO 박막은 결합이 증가할수록 결정성이 감소하고 XRD나 XPS분석에서 낮은 각도, 낮은 결합에너지 방향으로 이동하고 반측 폭은 서서히 증가한 다는 것을 알 수 있다. 이렇게 결정성이 감소하는 이유는 전자를 많이 갖는 주변의 금속원소에 의한 산소와의 이온결합이 증가하기 때문이며, SiO₂/Si 위에 증착한 ZnO 박막은 SiO₂표면에서 전자와 홀에 의한 이온결합이 증가하면서 많은 결합들을 포함하게 된다는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

^12-14) 전자소자의 전자방사능력은 접합계 면의 결함들과 관련이 있으며, 즉 전자소자의 이동도에 영향을 주고 있다.¹⁵⁾ 그러므로 다양한 형태의 결함들이 생성원인과 효과에 대한 명확한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ITO란 무엇인가?	가장 널리 사용되는 투명전극으로 ITO(Indium Tin Oxide)는 인듐의 독성, 저온 증착의 어려움, 스퍼터링시음이온 충격에 의한 막 손상으로 저항이 증가하며, 디스플레이의 투명전극으로 사용될 경우 400 oC정도의 높은 온도에 장시간 노출시 열화로 인한 광학적 특성이 변한다.1,2) ZnO 계열의 산화물반도체는 이러한 문제 해결의 대안으로 제시되었다.
	ITO에서 발생하는 문제를 해결하기 위하여 어떠한 대안이 제시되었는가?	가장 널리 사용되는 투명전극으로 ITO(Indium Tin Oxide)는 인듐의 독성, 저온 증착의 어려움, 스퍼터링시음이온 충격에 의한 막 손상으로 저항이 증가하며, 디스플레이의 투명전극으로 사용될 경우 400 oC정도의 높은 온도에 장시간 노출시 열화로 인한 광학적 특성이 변한다.1,2) ZnO 계열의 산화물반도체는 이러한 문제 해결의 대안으로 제시되었다. ZnO는 넓은 밴드갭에너지(3.
	ITO의 특징은 어떠한가?	가장 널리 사용되는 투명전극으로 ITO(Indium Tin Oxide)는 인듐의 독성, 저온 증착의 어려움, 스퍼터링시음이온 충격에 의한 막 손상으로 저항이 증가하며, 디스플레이의 투명전극으로 사용될 경우 400 oC정도의 높은 온도에 장시간 노출시 열화로 인한 광학적 특성이 변한다.1,2) ZnO 계열의 산화물반도체는 이러한 문제 해결의 대안으로 제시되었다.

참고문헌 (15)

Hee Yeon Yang, Young Soo No, Jin Young Kim, and Tae Whan Kim, Jap. J. Appl. Phys., 51, 06FG13 (2012).

상세보기
M. S. Kim, K. G. Yim, D. Y. Kim, S. Kim, G. Nam, D. Y. Lee, S. O. Kim, J. S. Kim, J S. Kim, J. S. Son, and J. Y. Leem, Electron. Mater. Lett., 8, 75 (2012).

상세보기
D. H. Lee, K. W. Kim, Y. S. Chun, S. S. Kim and S. Y. Lee, Curr. Appl. Phys., 12, 1586 (2012).

상세보기
Jang-Yeon Kwon, Do-Joong Lee and Ki-Bum Kim, Electron. Mater. Lett., 7/1, 1 (2011).
H. Yanagi, T. Hase, S. Ibuki, K. Ueda and H. Hosono, Appl. Phys. Lett., 78, 1583 (2001).

상세보기
Y. Ogo, H. Hiramatsu, K. Nomura, H. Yanagi, T. Kamiya, M. Kimura, M. Hirano and H. Hosono, Phys. Status Solidi A, 206, 2187 (2009).

상세보기
Chun-Chieh Lo, Tsung-Eong Hsieh, Ceram. Inter., 38, 3977 (2012).

상세보기
C. H. Ahn, Y. Y. Kim, D. C. Kim, S. K. Mohanta and H. K. Cho, J. Appl. Phys., 105, 013502 (2009).

상세보기
J. S. Park, W. J. Maeng, H. S. Kim and J. S. Park, Thin Solid Films, 520, 1679 (2012).

상세보기
S. W. Tsao, T. C. Chang, S. Y. Huang, M. C. Chen, S. C. Chen, C. T. Tsai, Y. J. Kuo, Y. C. Chen, W. C. Wu, Solid-State Electron., 54, 1497 (2010).

상세보기
S. Fernandez, A. Martinez-Steele, J. J. Gandia, F. B. Naranjo, Thin Solid Films, 517, 3152 (2009).

상세보기
H. Hosono, J. Non-Cryst. Solids, 352, 851 (2006).

상세보기
Y. S. Choi, J. W. Kang, D. K. Hwang and S. J. Park, IEEE Trans. Electron. Devices, 57, 26 (2010).

상세보기
Y. Liu, C. R. Gorla, S. Liang, N. Emanetoglu, Y. Lu, H. Shen and M. Wraback, J. Electron. Mater., 29, 69 (2000).

상세보기
Oleg Mitrofanov and Michael Manfra, J. Appl. Phys., 95, 6414 (2004).

상세보기

저자의 다른 논문 :

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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