[논문]스퍼터 공정을 이용한 SiZnSnO 산화물 반도체 박막 트랜지스터의 증착 온도에 따른 특성

고경민; 이상렬

doi:10.4313/jkem.2014.27.5.282

스퍼터 공정을 이용한 SiZnSnO 산화물 반도체 박막 트랜지스터의 증착 온도에 따른 특성
Effect of Deposition Temperature on the Electrical Performance of SiZnSnO Thin Film Transistors Fabricated by RF Magnetron Sputtering 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.27 no.5, 2014년, pp.282 - 285

Abstract ▼ AI-Helper

We have investigated the structural and electrical properties of Si-Zn-Sn-O (SZTO) thin films deposited by RF magnetron sputtering at various deposition temperatures from RT to $350^{\circ}C$. All the SZTO thin fims are amorphous structure. The mobility of SZTO thin film has been changed depending on the deposition temperature. SZTO thin film transistor shows mobility of 8.715 $cm^2/Vs$ at room temperature. We performed the electrical stress test by applying gate and drain voltage. SZTO thin film transistor shows good stability deposited at room temperature while showing poor stability deposited at $350^{\circ}C$. As a result, the electrical performance and stability have been changed depending on deposition temperature mainly because high deposition temperature loosened the amorphous structure generating more oxygen vacancies.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 연구는 스퍼터 공정을 이용한 증착 온도에 따른 SZTO 박막의 특성에 대해 연구하였다. 증착 온도가 증가함에 따라 전기적 특성과 안정성에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
특히 ZTO (zinc tin oxide) 계열의 TFT의 활성층은 높은 이동도와 뛰어난 전기적 특성을 나타내고 있다. 본 연구에서는 RF 마그네트론 스퍼터링 방법을 이용하여 SZTO 박막을 증착하고, 증착 온도에 따른 박막의 구조 및 전기적 특성을 분석하고, 또한 전기적 안정성을 고찰하였다.

제안 방법

스퍼터링 타겟으로는 2 wt%의 실리콘이 도핑된 직경 2인치의 디스크 타입 SZTO 타겟을 사용하였다. 공정압력은 5 mTorr, 가스 분위기는 아르곤과 산소의 비율이 49:1로 혼합된 가스를 사용하였고, 증착 온도는 상온(RT), 200℃, 350℃에서 이루어졌다. RF 파워에 50 W를 사용하였다.
이에 대한 트랜지스터의 전기적 특성은 semiconductor parameter analyzer를 이용하여 상온에서 측정하였고 증착 시 증착 온도에 따라 관찰하고 분석하기 위해 다른 공정조건들은 같은 조건으로 진행되었다. 또한 증착 온도에 따른 전기적 안정성과 박막의 상태를 확인하기 위해 NBTS (negative bise temperature stress)와 XRD를 측정하여 분석하였다.
소스와 드레인 전극 형성은 전자빔 증착법 (electron beam evaporation)과 열증착법 (thermal evaporation)을 사용하여 티타늄 (titanium)을 10 nm 증착하고, 골드 (gold)를 50 nm 증착하였으며 lift-off 방식으로 전극 패턴을 형성하였다. 또한 채널의 외부에서 미치는 전기적인 영향을 억제하기 위해 passivation 용액을 사용하는 추가 공정을 진행하였다. 이에 대한 트랜지스터의 전기적 특성은 semiconductor parameter analyzer를 이용하여 상온에서 측정하였고 증착 시 증착 온도에 따라 관찰하고 분석하기 위해 다른 공정조건들은 같은 조건으로 진행되었다.
또한 채널의 외부에서 미치는 전기적인 영향을 억제하기 위해 passivation 용액을 사용하는 추가 공정을 진행하였다. 이에 대한 트랜지스터의 전기적 특성은 semiconductor parameter analyzer를 이용하여 상온에서 측정하였고 증착 시 증착 온도에 따라 관찰하고 분석하기 위해 다른 공정조건들은 같은 조건으로 진행되었다. 또한 증착 온도에 따른 전기적 안정성과 박막의 상태를 확인하기 위해 NBTS (negative bise temperature stress)와 XRD를 측정하여 분석하였다.

대상 데이터

본 실험에서는 RF magnetron sputtering 방법을 사용하여 SZTO 박막을 p타입 실리콘 기판(200 nm-SiO₂/p-Si)에 증착하였다. 스퍼터링 타겟으로는 2 wt%의 실리콘이 도핑된 직경 2인치의 디스크 타입 SZTO 타겟을 사용하였다.
/p-Si)에 증착하였다. 스퍼터링 타겟으로는 2 wt%의 실리콘이 도핑된 직경 2인치의 디스크 타입 SZTO 타겟을 사용하였다. 공정압력은 5 mTorr, 가스 분위기는 아르곤과 산소의 비율이 49:1로 혼합된 가스를 사용하였고, 증착 온도는 상온(RT), 200℃, 350℃에서 이루어졌다.

이론/모형

채널 형성을 하기 위해 포토리소그래피 방법과 에칭공정이 이루어졌다. 소스와 드레인 전극 형성은 전자빔 증착법 (electron beam evaporation)과 열증착법 (thermal evaporation)을 사용하여 티타늄 (titanium)을 10 nm 증착하고, 골드 (gold)를 50 nm 증착하였으며 lift-off 방식으로 전극 패턴을 형성하였다. 또한 채널의 외부에서 미치는 전기적인 영향을 억제하기 위해 passivation 용액을 사용하는 추가 공정을 진행하였다.
증착 후에 박막을 500℃에서 후열 처리해주었으며 트랜지스터 구조는 bottom-gate structure를 적용 하였다. 채널 형성을 하기 위해 포토리소그래피 방법과 에칭공정이 이루어졌다. 소스와 드레인 전극 형성은 전자빔 증착법 (electron beam evaporation)과 열증착법 (thermal evaporation)을 사용하여 티타늄 (titanium)을 10 nm 증착하고, 골드 (gold)를 50 nm 증착하였으며 lift-off 방식으로 전극 패턴을 형성하였다.

성능/효과

이런 결과를 볼 때 상온일 때 가장 좋은 안정성을 보이고 증착 온도가 증가하면 trap state의 양의 많아지면서 전기적 안정성이 악화된다는 것을 알 수 있다.
증착 온도가 상온일 때에서의 ΔVon과 ΔVth가 가장 적게 변하는 결과를 보이고 있고 증착 온도가 증가할수록 ΔVon과 ΔVth가 급격히 안 좋아지는 것을 볼 수 있다.
본 연구는 스퍼터 공정을 이용한 증착 온도에 따른 SZTO 박막의 특성에 대해 연구하였다. 증착 온도가 증가함에 따라 전기적 특성과 안정성에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 증착 온도는 박막 증착 시 비정질 구조임에도 불구하고, 비정질 구조의 좁은 범위에서의 결합 길이와 결합각을 변화시킨다.
이것은 In이 포함된 인듐계 산화물 반도체의 경우보다 비인듐계인 SZTO는 상대적으로 적은 산소 공공이 존재함을 의미한다고 할 수 있다. 하지만 증착 온도가 증가할수록 비정질 구조를 느슨하게 만들어 더 많은 산소 공공을 생성하므로 off 전류가 높아지는 것을 확인했다.
결합 길이와 결합각은 원자 간의 결합에너지에 영향을 미치기 때문에 기판 온도에 의한 열에너지가 비정질 구조를 느슨하게 만들어 oxygen vacancy인 trap state 가 더 많이 발생하게 되고, 그로 인해 전기적 특성과 안정성 등에 영향을 미쳤다고 사료된다 [10]. 하지만 증착 온도를 RT에서 350℃까지 변화시켜도 비정질 구조를 유지한다는 사실을 확인하였고, 비정질 구조 임에도 5s-orbital의 overlap에 의해 conduction path 가 형성되어 높은 이동도를 가진다는 것을 확인했다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	IGZO, IZO, SIZO, HIZO와 같은 투명산화물 반도체의 대체물질에 관한 연구가 진행되는 이유는?	이러한 특징을 가지고 있는 IGZO (indium gallium zinc oxide), IZO (indium zinc oxide), SIZO (silicon zinc oxide), HIZO (hafnium indium zinc oxide)와 같은 투명산화물 반도체가 TFT의 채널로서 주목받고 있다 [1-5]. 하지만 인듐 (indium)의 희귀성으로 인한 비싼 가격 때문에 대체물질 발굴이 중요한 과제로 대두되고 있다. 산화물 반도체에서 서로 인접한 전자 궤도 간 겹침으로 전자의 conduction path가 형성되기 위해서는, 인듐과 마찬가지로 해당 원자의 주양자 수가 4 이상이여야 한다.
	아연 산화물 반도체 박막 트랜지스터의 특성은?	산화물 반도체는 높은 이동도, 넓은 밴드 갭, 낮은 온도에서 공정이 가능하다는 장점을 가지고 있으며 차세대 디스플레이 구현에 사용 가능하다. 그 중 아연 산화물 반도체 박막 트랜지스터 (thin film transistor, TFT)는 높은 이동도와 투명도, 소자의 안정성까지 우수해 차세대 소자로 주목받고 있다. 이러한 특징을 가지고 있는 IGZO (indium gallium zinc oxide), IZO (indium zinc oxide), SIZO (silicon zinc oxide), HIZO (hafnium indium zinc oxide)와 같은 투명산화물 반도체가 TFT의 채널로서 주목받고 있다 [1-5].
	산화물 반도체의 장점은?	이러한 연구의 대한 필요성은 기존의 Si 기반의 기술로는 차세대 디스플레이 분야에 여러 한계를 느끼고 있기 때문이다. 산화물 반도체는 높은 이동도, 넓은 밴드 갭, 낮은 온도에서 공정이 가능하다는 장점을 가지고 있으며 차세대 디스플레이 구현에 사용 가능하다. 그 중 아연 산화물 반도체 박막 트랜지스터 (thin film transistor, TFT)는 높은 이동도와 투명도, 소자의 안정성까지 우수해 차세대 소자로 주목받고 있다.

참고문헌 (10)

K. Nomura, H. Ohta, A. Takagi, T. Kamiya, M. Hirano, and H. Hosono, Nature, 432, 488 (2004).

상세보기
E. G. Chong, Y. S. Chun, and S. Y. Lee, Appl. Phys. Lett., 96, 152102 (2010).

상세보기
E. G. Chong, Y. S. Chun, and S. Y. Lee, Electrochem. Solid State Lett., 14, H96 (2011).

상세보기
E. Fortunato, A. Pimentel, A. Goncalve, A. Marques, and R. Martins, Thin Solid Films, 502, 104 (2006).

상세보기
B. D. Ahn, J. H. Kim, H. S. Kang, C. H. Lee, S. H. Oh, K. W. Kim, G. E. Jang, and S. Y. Lee, Thin Solid Films, 516, 1382 (2008).

상세보기
J. Y. Choi, S. S. Kim, and S. Y. Lee, Appl. Phys. Lett., 100, 022109 (2012).

상세보기
D. H. Lee, Y. J. Chang, G. S. Herman, and C. H. Chang, Adv. Mater., 19, 843 (2007).

상세보기
S. R. Mang, D. H. Yoon, I. Y. Jeon, H. K. Chung, and L. S. Pu, Journal of Vacuum Science & Technology A, 31, 030603 (2013).

상세보기
H. Kumomi, K. Nomura, T. Kamiya, and H. Hosono, Thin Solid Films, 516, 1516 (2008).

상세보기
D. C. Paine, T. Whitson, D. Janiac, R. Beresford, C. O. Yang, and B. Lewis, J. Appl. Phys., 85, 8445 (1999).

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