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문제 정의
- 막은 TFT의 활성층으로 사용하기에는 저항률이 낮지만, Hall 효과를 측정하기에는 저항률이 너무 높다. 따라서 본 연구에서는 SnO2 TFT의 전계효과 이동도를 구하여 그 값을 비교하였다. 전계효과 이동도(μFE)는 아래의 식으로 표현된다 [8].
- 산소 주입에 따른 TFT의 이동도 변화를 조사하였으며, 그 결과를 SnO2막의 XRD (X-ray diffraction), XPS (X-ray photoelectron spectroscopy), 광 특성 측정 등을 통해 분석하였다. 본 논문은 SnO2 TFT의 이동도를 감소시키는 원인을 밝히는 것을 목적으로 한다.
제안 방법
- 금속마스크를 사용하여 채널 너비 및 길이가 400μm인 소스/드레인 영역을 형성하였다. Semiconductor parameter analyzer(Keithley 4200)로 박막트랜지스터의 출력 특성을 측정하고 그 결과로부터 이동도를 구하였다.
- 우선 실리콘웨이퍼를 습식 산화시켜 ～100 nm의 SiO2를 기른 후 그 위에 ～50 nm 두께의 Al2O3를 원자층증착법 (atomic layer deposition)으로 증착하였다. SiO2는 Sn의 침투에 의해 절연성이 훼손될 가능성이 있기 때문에 Sn의 확산 방지를 목적으로 Al2O3를 SiO2와 SnO2 사이에 증착하였다. 게이트절연층으로 사용되는 SiO2/Al2O3막 위에 ～60 nm 두께의 SnO2막을 상온에서 고주파 스퍼터링하여 TFT의 활성층으로 사용하였다.
- SnO2 TFT를 제조하여 게이트전압에 의한 전계효과를 확인하였다. 선형영역에서 구한 SnO2(0.
- SnO2막을 활성층으로 사용하여 TFT를 제조하고 그 특성을 비교하였다. 본 논문에서는 산소와 아르곤의 유속비(O2/Ar)가 각각 0, 0.
- 따라서 그림 7에서 나타난 굴절률 감소는 산소 분압의 증가에 따른 산소 빈자리 감소에 의해 SnO2막의 이온성이 감소하기 때문인 것으로 사료된다. SnO2막의 산소결합 상태를 분석하기 위하여 XPS 측정을 하였다. 샘플 보관 등에 따른 표면의 상태 변화 인자를 제거하기 위하여 표면을 60초 동안 아르곤으로 에칭한 후 측정하였다.
- 직경 3인치의 SnO2 타겟을 5 mtorr의 챔버압력에서 90 W의 고주파전력으로 스퍼터링하였다. SnO2막의 저항률을 높이기 위해 산소를 아르곤과 함께 주입하여 방전시켰다. 산소 분압을 변화시키기 위하여 산소의 유속 (flow rate)을 0, 10, 15 및 20 sccm으로 변화시켰다.
- 막을 활성층으로 사용하여 TFT를 제조하였다. SnO2막의 저항률을 높이기 위해 스퍼터링 시 아르곤과 함께 산소를 주입하였다. 산소 주입에 따른 TFT의 이동도 변화를 조사하였으며, 그 결과를 SnO2막의 XRD (X-ray diffraction), XPS (X-ray photoelectron spectroscopy), 광 특성 측정 등을 통해 분석하였다.
- TFT의 출력 특성을 측정하기 위하여 게이트전압 (VGS) 및 드레인전압(VDS)을 각각 –20 V～4 V 및 0 V～15 V 인가하고 그에 따른 드레인전류(ID)를 측정하였다.
- XRD로 SnO2막의 결정성을 조사하였으며, XPS 측정을 통하여 산소결합 상태를 분석하였다. XRD 및 XPS 측정에 사용한 SnO2막의 두께는 각각～ 600 nm 및～ 60 nm 였다.
- 막을 활성층으로 사용하여 TFT를 제조하고 그 특성을 비교하였다. 본 논문에서는 산소와 아르곤의 유속비(O2/Ar)가 각각 0, 0.2, 0.3 및 0.4인 상태에서 증착한 SnO2막을 SnO2(0), SnO2(0.2), SnO2(0.3) 및 SnO2(0.4)로 표기한다.
- 본 연구에서는 산소 분압에 따른 SnO2막의 이동도를 상대 비교하는 것이 목적이기 때문에 VDS= 15 V, VGS= -20～20 V 구간에서 구한 최대 이동도를 μFE로 사용하였다.
- SnO2막의 저항률을 높이기 위해 산소를 아르곤과 함께 주입하여 방전시켰다. 산소 분압을 변화시키기 위하여 산소의 유속 (flow rate)을 0, 10, 15 및 20 sccm으로 변화시켰다. 이때 아르곤의 유속은 50 sccm으로 고정하였다.
- 이것은 산소 결함보다 더 큰 요인이 SnO2막의 전자 이동도에 영향을 미친 것을 의미한다. 산소 분압이 SnO2막의 특성에 미치는 영향을 조사하기 위하여 결정성, 광 특성, 산소결합 상태를 비교하였다.
- 산소결핍영역에는 산소원자와 결합하지 못한 Sn에 의한 과잉전자가 존재하고 이 전자들의 전하 스크린 현상에 의해 측정되는 산소의 binding energy 값이 증가하게 된다. 산소 빈자리의 양을 비교하기 위하여 전체 산소피크와 산소결핍 영역의 면적 비를 구하였다. SnO2(0), SnO2(0.
- SnO2막의 저항률을 높이기 위해 스퍼터링 시 아르곤과 함께 산소를 주입하였다. 산소 주입에 따른 TFT의 이동도 변화를 조사하였으며, 그 결과를 SnO2막의 XRD (X-ray diffraction), XPS (X-ray photoelectron spectroscopy), 광 특성 측정 등을 통해 분석하였다. 본 논문은 SnO2 TFT의 이동도를 감소시키는 원인을 밝히는 것을 목적으로 한다.
- SnO2막의 산소결합 상태를 분석하기 위하여 XPS 측정을 하였다. 샘플 보관 등에 따른 표면의 상태 변화 인자를 제거하기 위하여 표면을 60초 동안 아르곤으로 에칭한 후 측정하였다.
- XRD 및 XPS 측정에 사용한 SnO2막의 두께는 각각～ 600 nm 및～ 60 nm 였다. 유리기판 위에～ 600 nm의 SnO2막을 증착한 후 광투과율을 측정하였으며, 광투과율로부터 에너지밴드갭, 굴절률, Ubarch energy를 구하였다.
- 은 각각 채널 길이, 채널 너비, 게이트의 단위 면적 당 커패시턴스 및 전달 콘덕턴스를 의미한다. 일반적으로 MOSFET에서는 포화 영역에서 구하는 포화 이동도를 사용하지만, 본 실험에서는 포화영역을 관측할 수 없었기 때문에 전계효과 이동도를 구하였다. 포화 이동도는 VGS에 따라 차이를 보이지만, 전계 이동도는 VGS뿐만 아니라 VDS의 영향도 받는다.
대상 데이터
- SiO2는 Sn의 침투에 의해 절연성이 훼손될 가능성이 있기 때문에 Sn의 확산 방지를 목적으로 Al2O3를 SiO2와 SnO2 사이에 증착하였다. 게이트절연층으로 사용되는 SiO2/Al2O3막 위에 ～60 nm 두께의 SnO2막을 상온에서 고주파 스퍼터링하여 TFT의 활성층으로 사용하였다. 직경 3인치의 SnO2 타겟을 5 mtorr의 챔버압력에서 90 W의 고주파전력으로 스퍼터링하였다.
- 금속마스크를 사용하여 채널 너비 및 길이가 400μm인 소스/드레인 영역을 형성하였다.
- SnO2 다결정분말의 경우, 2θ= 33° 및 2θ= 28° 부근에서 가장 강한 XRD피크가 나타나며, 이것은 각각 [110] 및 [101] 회절피크로 알려져 있다. 본 연구에서 증착한 SnO2막에서는 [110], [101] 및 [111] 피크를 확인할 수 있었다. 산소 분압을 높임에 따라 XRD 피크도 증가하였다.
- 본 연구에서는 고주파 스퍼터링으로 증착한 SnO2막을 활성층으로 사용하여 TFT를 제조하였다. SnO2막의 저항률을 높이기 위해 스퍼터링 시 아르곤과 함께 산소를 주입하였다.
- 저항이 낮은 N+ 실리콘웨이퍼를 게이트전극으로 사용하여 bottom-gate 구조의 TFT를 제조하였다. 우선 실리콘웨이퍼를 습식 산화시켜 ～100 nm의 SiO2를 기른 후 그 위에 ～50 nm 두께의 Al2O3를 원자층증착법 (atomic layer deposition)으로 증착하였다.
- 게이트절연층으로 사용되는 SiO2/Al2O3막 위에 ～60 nm 두께의 SnO2막을 상온에서 고주파 스퍼터링하여 TFT의 활성층으로 사용하였다. 직경 3인치의 SnO2 타겟을 5 mtorr의 챔버압력에서 90 W의 고주파전력으로 스퍼터링하였다. SnO2막의 저항률을 높이기 위해 산소를 아르곤과 함께 주입하여 방전시켰다.
이론/모형
- 이 결과는 산소 분압의 증가에 따라 증착되는 SnO2막의 결정성이 향상됨을 의미한다. [101] 피크의 반폭 치(FWHM)를 Scherrer의 공식 [9]에 대입하여 그레인 크기를 구하였으며, 그 결과 증착된 막은 4 nm 이하의 그레인을 갖는 나노구조인 것으로 확인하였다.
- 실리콘웨이퍼를 게이트전극으로 사용하여 bottom-gate 구조의 TFT를 제조하였다. 우선 실리콘웨이퍼를 습식 산화시켜 ～100 nm의 SiO2를 기른 후 그 위에 ～50 nm 두께의 Al2O3를 원자층증착법 (atomic layer deposition)으로 증착하였다. SiO2는 Sn의 침투에 의해 절연성이 훼손될 가능성이 있기 때문에 Sn의 확산 방지를 목적으로 Al2O3를 SiO2와 SnO2 사이에 증착하였다.
성능/효과
- 산소를 주입하지 않고 증착한 SnO2(0)의 경우, 낮은 저항률로 인해 전계 효과가 나타나지 않았다. SnO2(0.2), SnO2(0.3) 및 SnO2(0.4)로 제조한 TFT에서는 게이트 전압에 의한 드레인 전류의 변화는 관찰할 수 있었으나, 일반적인 MOSFET에서 볼 수 있는 포화영역을 확인할 수 없었다. 이것은 SnO2막의 저항률이 낮아서 드레인 부근의 공핍영역이 채널을 완전히 차단하지 못하기 때문이다.
- Urbach 에너지의 비교를 통해 첨가된 산소가 SnO2막의 상태 밀도를 감소시킨다는 것을 확인하였다. SnO2막의 굴절률은 1.70～1.85였으며, 산소 분압을 높임에 따라 굴절률이 감소하였다. 이것은 산소 빈자리 감소에 의해 SnO2막의 이온성이 감소하기 때문이다.
- 70 eV까지 증가하였다. Urbach 에너지의 비교를 통해 첨가된 산소가 SnO2막의 상태 밀도를 감소시킨다는 것을 확인하였다. SnO2막의 굴절률은 1.
- XRD, XPS 측정 결과로부터 결정구조 및 산소 결함이 SnO2 TFT 이동도 감소의 지배적인 원인이 아님을 알 수 있었다. 산소 분압을 높이면 증착되는 SnO2의 분극률이 감소하고, 이에 따라 게이트전압의 일부만 전자유도에 참여하게 되며, 이것이 SnO2 TFT 이동도 감소의 원인으로 판단된다.
- 2%였다. 미소한 차이지만 산소 분압의 증가에 따라 산소 결함이 감소한다는 것을 XPS 측정을 통해 확인하였다.
- 본 연구의 XRD 및 XPS 측정 결과에 의하면, 산소 분압이 증가하면 SnO2막의 μFE가 증가할 것으로 예상된다.
- 2%였다. 미소한 차이지만 산소 분압의 증가에 따라 산소 결함이 감소한다는 것을 XPS 측정을 통해 확인하였다.
- 산소피크를 가우시안 함수로 분해한 결과 530.5 ± 0.2 eV 및 531.7 ± 0.2 eV에 중심을 둔 2개의 피크가 나타났다.
- 산소 분압을 높임에 따라 XRD 피크도 증가하였다. 이 결과는 산소 분압의 증가에 따라 증착되는 SnO2막의 결정성이 향상됨을 의미한다. [101] 피크의 반폭 치(FWHM)를 Scherrer의 공식 [9]에 대입하여 그레인 크기를 구하였으며, 그 결과 증착된 막은 4 nm 이하의 그레인을 갖는 나노구조인 것으로 확인하였다.
후속연구
- 순수한 SnO2는 저항률이 낮아 박막트랜지스터 (thin film transistor, TFT)의 활성층으로 사용하기에는 어려움이 따른다. 그러나 SnO2를 활성층으로 하는 TFT를 제조할 수 있다면, 게이트전압을 조절하여 SnO2막의 반송자 농도, 계면전계 등을 변화시킬 수 있게 되어 센서 등으로서의 활용성이 확대될 것으로 기대된다. SnO2막에 대한 물성 연구는 오랫동안 이루어져 왔으나, SnO2막을 활성층으로 사용한 SnO2 TFT에 대한 보고는 드물다.
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