[논문]Zn 타겟을 이용한 ZnO 박막트랜지스터의 스퍼터링 성장

우맹; 조중열

Zn 타겟을 이용한 ZnO 박막트랜지스터의 스퍼터링 성장
Sputtering Growth of ZnO Thin-Film Transistor Using Zn Target 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.13 no.3, 2014년, pp.35 - 38

우맹 (아주대학교 정보통신대학 전자공학과) , 조중열 (아주대학교 정보통신대학 전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Flat panel displays fabricated on glass substrate use amorphous Si for data processing circuit. Recent progress in display technology requires a new material to replace the amorphous Si, and ZnO is a good candidate. ZnO is a wide bandgap (3.3 eV) semiconductor with high mobility and good optical transparency. ZnO is usually grown by sputtering using ZnO ceramic target. However, ceramic target is more expensive than metal target, and making large area target is very difficult. In this work we studied characteristics of ZnO thin-film transistor grown by rf sputtering using Zn metal target and $CO_2$. ZnO film was grown at $450^{\circ}C$ substrate temperature, with -70 V substrate bias voltage applied. By using these methods, our ZnO TFT showed $5.2cm^2/Vsec$ mobility, $3{\times}10^6$ on-off ratio, and -7 V threshold voltage.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 Zn 타겟을 이용하여 양질의 ZnO 박막을 성장시킬 수 있으면 대면적 기판의 디스플레이 생산 공정에 아주 중요한 기술이 될 수 있다[3,4]. 본 연구에서는 Zn 타겟을 이용한 스퍼터링으로 ZnO 를 성장시키고 thin-film transistor (TFT)를 제작하여 off 특성 변화와 전자이동도를 살펴보고 원인을 분석하였다.
Ar은 항상 on 상태를 유지하였다. 이 방법의 목적은 CO₂ off 상태에서 Zn가 타겟에서 방출되어 기판에 증착되고, 이어서 CO₂가 on 상태가 되면 CO₂에서 이온화된 O⁺ 가 이미 증착된 Zn를 산화시켜서 ZnO 박막을 성장시키자는 것이다. 이때 CO₂ off 의 경우 타겟에서 방출되는 것은 반드시 Zn만 있는 것은 아니다.
CO₂ 와 O₂의 유량은 각각 5 sccm 이고 어닐 과정에서의 압력은 CO₂ + O₂일 때 240 mTorr, O₂일 때 160 mTorr 였다. 이때 350℃ 단계의 목적은 산화 반응이 완결되지 않은 ZnO의 반응을 촉진시키는 것이고, 250℃ 과정은 남아있는 누설전류 경로를 O₂로 완전히 차단시켜서 off 특성을 개선하고자 하는 것이다.

제안 방법

우리의 ZnO박막성장 과정에서Vsub를 -70 V로 일정하게 유지하고 CO₂를 on/off 시키는 방법으로 성장시켰다. Ar은 항상 on 상태를 유지하였다.

대상 데이터

스퍼터링의 고진공은 diffusion pump로 만들어졌고 성장중의 압력은 Ar 4 sccm에서 4 mTorr 였다. Fig. 1은 실험에 사용된 스퍼터링 장비의 간단한 구성도로서 타겟의 직경은 5 cm, 기판의 직경은 10 cm, 타겟과 기판 거리는 6 cm 이다. 박막 성장중에 Vsub를 이용하여 기판에 −70 V의 전압이 인가되었다.
p⁺ Si 기판 은 TFT의 gate로 사용되었다. Source, drain 전극은ZnO 박막 위에 텅스텐 선을 고정시키고 그 위에 shadow mask를 덮고 200 nm 두께의 Al을 증착하여 제작하였다. 텅스텐 선의 직경은 25 µm이며 이는TFT 채널 길이 (L)가 되고 채널의 폭(W)은 500 µm이다.
이 연구에 사용된 ZnO 박막은 Zn 타겟과 CO₂ 산화제를 사용하여 13.56 MHz rf 스퍼터링으로 성장되었다. 스퍼터링의 고진공은 diffusion pump로 만들어졌고 성장중의 압력은 Ar 4 sccm에서 4 mTorr 였다.

성능/효과

연구는 Zn metal 타겟을 사용하여 ZnO thin-film transistor를 제작하는 것으로서 실험결과 Zn 타겟과 이산화탄소를 이용한 rf 스퍼터링으로 양질의 ZnO 박막을 성장시킬 수 있다는 것을 보였다. 스퍼터링 조건에서 측정한 기판 전류는 개스의 종류에 따라서 달라졌으며, 산소 성분이 있을 때 더 큰 전류를 보였다. 기판 전류는 Zn metal 타겟을 사용하는 경우에 타겟 표면의 산화정도를 알려주는 유용한 지표가 될 수 있다.
연구는 Zn metal 타겟을 사용하여 ZnO thin-film transistor를 제작하는 것으로서 실험결과 Zn 타겟과 이산화탄소를 이용한 rf 스퍼터링으로 양질의 ZnO 박막을 성장시킬 수 있다는 것을 보였다. 스퍼터링 조건에서 측정한 기판 전류는 개스의 종류에 따라서 달라졌으며, 산소 성분이 있을 때 더 큰 전류를 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	InGaZnO의 장단점은?	최근에는 비정질 실리콘의 한계를 극복하기 위하여ZnO, InGaZnO 등 금속산화물 반도체가 많이 연구 되고 있다. InGaZnO는 전자이동도는 우수하지만 인듐의 가격이 비싸고 3가지의 금속이 들어가기 때문에 성장조건이 복잡하다는 문제가 있다[1]. 이에 비하여 ZnO 는 박막 성장과정이 단순하고 생산원가가 저렴하다는 것이 큰 장점이다 [2].
	InGaZnO에 비해 ZnO의 큰 장점은?	InGaZnO는 전자이동도는 우수하지만 인듐의 가격이 비싸고 3가지의 금속이 들어가기 때문에 성장조건이 복잡하다는 문제가 있다[1]. 이에 비하여 ZnO 는 박막 성장과정이 단순하고 생산원가가 저렴하다는 것이 큰 장점이다 [2]. ZnO는 넓은 밴드갭 (3.
	Zn 타겟을 이용하여 양질의 ZnO 박막을 성장시킬 수 있으면 대면적 기판의 디스플레이 생산 공정에 아주 중요한 기술이 될 수 있는 이유는?	또한 화학적 안정성과 좋은 광 투과율 등으로 인하여 광소자의 투명 전극으로도 많은 관심을 받고 있다. 스퍼터링으로ZnO 박막을 성장시킬 때 ZnO 타겟과 Zn 타겟 두가지가 사용 가능한데, ZnO 타겟은 세라믹이기 때문에 금속인 Zn타겟에 비하여 가격이 비싸고 대면적 타겟을 만드는 것이 어렵다. 따라서 Zn 타겟을 이용하여 양질의 ZnO 박막을 성장시킬 수 있으면 대면적 기판의 디스플레이 생산 공정에 아주 중요한 기술이 될 수 있다[3,4].

참고문헌 (7)

Nomura, K., Ohta, H., Takagi, A., Kamiya, T., Hirano, M., and Hosono, H., "Room-temperature fabrication of transparent flexible thin-film transistors using amorphous oxide semiconductors," Nature, Vol. 432, 488, 2004.

상세보기
Jo, J., Seo, O., Choi, H., and Lee, B., "Enhancement-mode ZnO thin-film transistor grown by metalorganic chemical vapor deposition," Applied Physics Express, Vol. 1, 041202, 2008.

상세보기
Abe Y., Shinya K., Chiba Y., Kawamura M., and Sasaki K., "Time-dependent variation of the target mode in reactive sputtering of Al- $O_2$ system," Vacuum, Vol. 84, 1365, 2010.

상세보기
Li, S., Cai, Y., Han, D., Wang, Y., Sun, L., Chan, M., and Zhang, S., "Low-Temperature ZnO TFTs Fabricated by Reactive Sputtering of Metallic Zinc Target," IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 59, 2555, 2012.

상세보기
Takayanagi, S., Yanagitani, T., and Matsukawa, M., "Effect of metal mode and oxide mode on unusual c-axis parallel oriented ZnO film growth on Al/glass substrate in a reactive magnetron sputtering of Zn target," Journal of Crystal Growth Vol. 363, 22, 2013.

상세보기
Yoo, D., Kim, H., Kim, J., and Jo, J., "Current Variation in ZnO Thin-Film Transistor under Different Annealing Conditions," J. of the Semiconductor & Display Technology, Vol. 13, 63, 2014.
Erhart, P., Klein, A., and Albe, K., "First-principles study on the structure and stability of oxygen related point defects in zinc oxide," Phys. Rev. B, Vol. 72, 085213, 2005.

상세보기

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증