[논문]상온에서 증착된 IGZO 박막의 열처리 온도에 따른 특성

이석열; 이경택; 김재열; 양명수; 강인병; 이호성

doi:10.5695/jkise.2014.47.4.181

상온에서 증착된 IGZO 박막의 열처리 온도에 따른 특성
Characteristics of IGZO Films Formed by Room Temperature with Thermal Annealing Temperature 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.47 no.4, 2014년, pp.181 - 185

이석열 (LG Display 연구소) , 이경택 (LG Display 연구소) , 김재열 (LG Display 연구소) , 양명수 (LG Display 연구소) , 강인병 (LG Display 연구소) , 이호성 (경북대학교 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

We investigated the structural, electrical and optical characteristics of IGZO thin films deposited by a room-temperature RF reactive magnetron sputtering. The thin films deposited were annealed for 2 hours at various temperatures of 300, 400, 500 and $600^{\circ}C$ and analyzed by using X-ray diffractometer, transmission electron microscopy, atomic force microscope and Hall effects measurement system. The films annealed at $600^{\circ}C$ were found to be crystallized and their surface roughness was decreased from 0.73 nm to 0.67 nm. According to XPS measurements, concentration of oxygen vacancies were decreased at $600^{\circ}C$. Optical band gap were increased to 3.31eV. The carrier concentration and Hall mobility were sharply increased at 600oC. Our results indicate that the IGZO films deposited at a room temperature can show better thin film properties through a heat treatment.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

일반적으로 후열처리 후 캐리어 농도가 증가 되는 것으로 알려져 있으며, 캐리어 농도는 높은 성막 온도와 후열처리에 상당히 의존적이며, 저온 증착 된 상태에서 후열처리를 함으로써 무질서한 원자 구조에서 원자가 재 배열됨으로써 전자의 trap 밀도를 감소시켜 전자 이동도를 증가시킨다고 보고 되고 있다¹²⁾. 본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링법을 이용한 IGZO = 1 : 1 : 1 타켓으로 Glass에 IGZO 박막을 상온 증착하여, 박막의 전기적 특성과 구조적 특성의 관계성을 밝히고, 신뢰성 있는 디스플레이 소자를 만들기 위해 후열처리 조건에 따른 표면 형상과 결정구조, 전기^-광학적 특성에 대해서 평가하였다.

제안 방법

IGZO 박막은 라디오파 반응성 마그네트론스퍼터링 방법을 이용하여 증착하였으며, 증착 전 유리 기판은 트리클로로에틸렌, 아세톤, 메탄올의 순서로 각각 10분간 세정하였으며, 탈이온수로 헹군 뒤 N2가스로 기판의 수분을 제거 시킨 후, In : Ga : Zn = 1 : 1 : 1의 타겟을 이용하여 챔버 안에 Ar : O2= 1 : 1로 각각 75 sccm으로 유입시킨 후 3 × 10−3 torr의 공정압력으로 유지시켜 Power를 1.2 kW로하여 500Å 두께로 증착하였다.
541Å 파장을 사용하였다. 또한 투과전자현미경 (TEM, JEM-ARM200F, Jeol Co.)을 이용하여 후열처리 조건에 따른 결정구조를 관찰하였으며, 전기적 특성을 측정하기 위해 Hall effects 측정시스템 (HMS-3000, Ecopia Co.)을 사용하였다. 원소 조성 분석을 위해서 X-선 광전자분광법 (XPS, K-ALPHA, Thermofisher Co.
분광광도계 (Cary 300, Varian Co.)를 이용하여 IGZO 박막의 광투과도를 측정하였으며, 측정된 광투과도로 부터 흡수계수 α와 광자에너지와의 관계식을 통해 광학적 밴드갭을 구하였다.
상온 증착 후 서로 다른 온도에서 후열처리한 IGZO 박막의 표면, 결정구조, 전기-광학적 특성 등의 변화를 분석하였다. 상온 증착된 IGZO 박막의 결정은 X-선 회절, 투과전자현미경을 이용한 결과 600℃ 이상에서 결정이 확인되었으며, 이때 전자 이동도와 캐리어 농도가 급격하게 증가한 반면 저항이 감소하였다.
증착된 IGZO 박막의 측정을 위해서 원자현미경(AFM; Multimode, Veeco Co.)를 이용하여 IGZO 박막의 표면 형상을 측정하였으며, 후열처리 조건에 따른 막의 결정학적 특성을 관찰하기 위해 X-선 회절 분석기(XRD; SmartLab, Rigku Co.)를 사용하였다. 이때 X-선의 회절각도는 0°~ 90°까지 변화시켰으며, 타겟의 X-선은 CuKα=1.
2 kW로하여 500Å 두께로 증착하였다. 증착된 박막의 후열처리에 따른 특성 변화를 분석하고자 오븐을 이용하여 Air 분위기로 300℃, 400℃, 500℃, 600℃에서 각각 2시간 동안 열처리 하였다.

대상 데이터

이때 X-선의 회절각도는 0°~ 90°까지 변화시켰으며, 타겟의 X-선은 CuKα=1.541Å 파장을 사용하였다.

이론/모형

)을 사용하였다. 원소 조성 분석을 위해서 X-선 광전자분광법 (XPS, K-ALPHA, Thermofisher Co.)를 이용하여 후열처리 온도에 따른 Metal oxide와 Oxygen Vacancy의 변화를 측정하였다. 분광광도계 (Cary 300, Varian Co.

성능/효과

일반적으로 열처리 후 박막은 높은 반사율 때문에 단 파장에서 투과율이 후열처리전보다 낮은 것으로 알려져 있으며, 장파장 영역의 투과율은 주로 자유 캐리어 흡수에 영향을 받는 것으로 알려져 있다¹⁶⁾. IGZO 박막에서 투과도는 300 ~ 400 nm 부근에서 후열처리 온도가 증가 될수록 높고, 400 ~ 800 nm 구간에서는 온도가 높을수록 투과율이 감소함을 알 수 있었다. 후열처리는 높은 전하 이동도 특성을 보이며, 흡수 계수가 낮은 것으로 판단된다.
상온 증착된 IGZO 박막의 결정은 X-선 회절, 투과전자현미경을 이용한 결과 600℃ 이상에서 결정이 확인되었으며, 이때 전자 이동도와 캐리어 농도가 급격하게 증가한 반면 저항이 감소하였다. 또한 후열처리 온도가 증가 함에 따라 밴드갭이 300℃에서 3.0 eV에서 600℃일때 3.31 eV로 증가하는 특성을 확인할 수 있었으며, XPS에서 산소결함이 300℃ 41.7%에서 600℃ 29.9%로 감소하는 것을 알 수 있었다. 이것으로 열처리 온도가 증가됨에 따라 밴드갭 특성이 우수한 것으로 확인되었으며, 이는 후열처리를 통해 IGZO 박막내의 O2 관련 결함이 감소하였기 때문으로 판단된다.
9%로 감소하였다. 또한 후열처리 온도가 증가할 수록 금속산화물의 함량이 증가한 반면, 산소빈자리는 감소하였다. 산소 빈자리 감소는 IGZO의 저항을 감소시킨다는 결과와 일치하며, 산소 빈자리에 의한 전도 메커니즘은 IGZO와 같은 ZnO 기반의 연구에서잘 알려져 있다¹⁹⁾.
IGZO= 1 : 1 : 1의 조성에서 600℃에서 결정화가 관찰되며, 이에 따라 박막 특성이 변화 되는 것이 확인되었다. 본 연구를 통해서 Air 분위기에서 후열 처리한 IGZO 박막은 전기-광학적 특성을 개선시켰으며, IGZO 박막의 후열처리 온도를 최적화 함으로써 IGZO 적용 디스플레이의 소자 개선 가능성을 확인 할 수 있었다.
상온 증착 후 서로 다른 온도에서 후열처리한 IGZO 박막의 표면, 결정구조, 전기-광학적 특성 등의 변화를 분석하였다. 상온 증착된 IGZO 박막의 결정은 X-선 회절, 투과전자현미경을 이용한 결과 600℃ 이상에서 결정이 확인되었으며, 이때 전자 이동도와 캐리어 농도가 급격하게 증가한 반면 저항이 감소하였다. 또한 후열처리 온도가 증가 함에 따라 밴드갭이 300℃에서 3.
3 Ωcm로 감소하였다. 여기에서 캐리어 농도와 밀도는 열처리 후 시료에서 급격히 증가하였고, 열처리에 의존적임을 알 수 있었다. 캐리어 농도 증가와 트랩된 전자가 방출 되므로 트랩 전자 밀도를 감소시켜 원자배열을 개선시키는 것으로 TEM 결과와 일치함을 알 수 있었다¹⁷⁾.
그림 2는 AFM을 이용하여 후열처리 온도에 따른 IGZO 박막의 표면 형상들을 나타낸 것이다. 측정 결과 막의 표면 거칠기(RMS)는 300℃에서 0.73 nm, 400℃에서 0.75 nm, 500℃에서0.72 nm로 후열처리 온도에 따라 표면의 거칠기 차이는 거의 없었으며, 600℃에서는 0.67 nm로 약간 낮은 표면 거칠기를 나타내었다. XRD 측정에서 비정질로 확인되었던 300℃, 400℃, 500℃시료에서 비슷한 거칠기를 보인 반면, 결정 Peak가 관찰되었던 600℃에서 낮은 거칠기를 나타내었는데, 이는 열처리 온도 증가에 따라 표면 거칠기가 낮아진다는 결과와 일치 한다^13,14).

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	InGaZnO4에 대하여 어떤 연구가 진행되고 있는가?	InGaZnO4 (IGZO)는 높은 전자 이동도, 고투과율, 소자 특성의 안정성 등의 이유로 Display 제품에서 기존에 사용되어 왔던 아몰포스-Si 기반 TFT 소자의 대체 물질로 많은 주목을 받고 있다. 공정 조건 최적화, IGZO 조성, 후열처리에 따른 소자 특성 등 많은 연구가 진행되고 있으며, 많은 연구자들이 IGZO 기반의 TFT소자 특성의 개선 및 안정화를 위해서 다양한 접근으로 Device 성능 개선에 집중하고 있다1.2).
	IGZO 박막의 표면형상 측정을 위하여 무엇을 이용할 수 있는가?	증착된 IGZO 박막의 측정을 위해서 원자현미경(AFM; Multimode, Veeco Co.)를 이용하여 IGZO 박막의 표면 형상을 측정하였으며, 후열처리 조건에 따른 막의 결정학적 특성을 관찰하기 위해 X-선 회절 분석기(XRD; SmartLab, Rigku Co.
	InGaZnO4의 장점은?	InGaZnO4 (IGZO)는 높은 전자 이동도, 고투과율, 소자 특성의 안정성 등의 이유로 Display 제품에서 기존에 사용되어 왔던 아몰포스-Si 기반 TFT 소자의 대체 물질로 많은 주목을 받고 있다. 공정 조건 최적화, IGZO 조성, 후열처리에 따른 소자 특성 등 많은 연구가 진행되고 있으며, 많은 연구자들이 IGZO 기반의 TFT소자 특성의 개선 및 안정화를 위해서 다양한 접근으로 Device 성능 개선에 집중하고 있다1.

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표제어: PCR

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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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