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문제 정의
- 본 연구에서는 스퍼터링 방식과 열처리 유무에 따른 ZTO 박막의 물리적 특성을 평가하고, ZTO 박막 트랜지스터를 제작하여 그에 따른 전기적 특성을 평가하였다. FTS 방식으로 증착한 박막은 표면이 균일하고 낮은 RMS roughness를 보였으며 열처리를 하여도 roughness는 큰 차이를 보이지 않았다.
제안 방법
- 그러나 일반적으로 사용하는 스퍼터링은 증착 중에 발생되는 플라즈마에 의해 박막이 영향을 받을 수가 있다.8) 본 연구에서는 플라즈마가 직접적으로 박막에 영향을 주지 않는 FTS 방식으로 ZTO 박막을 증착하여 물리적 특성을 확인하였다. 또한 400℃에서 열처리한 ZTO 박막을 이용한 소자에서 높은 mobility를 가지므로 그 박막을 활성층으로 하여 박막 트랜지스터를 제작하고 전기적 특성을 분석하였다.
- SiO2/p-Si 기판 위에 ZTO 박막을 on-axis 스퍼터링과 FTS 방식으로 증착하고 증착 직후와 400oC에서 열처리한 박막의 물리적 특성을 비교하였다. Fig.
- 특히 FTS 방식의 경우에 T(target)-T(target)의 거리는 9 cm 였으며, T(target)-S(substrate)의 거리는 9 cm로 고정하여 실험하였다. ZTO 박막트랜지스터를 제작하기 위해서 상온에서 증착한 ZTO 박막은 rapid thermal annealing(RTA)을 사용하였고, air 분위기에서 400℃로 1시간 동안 열처리하였다. 그 후에 source-drain은 width-length가 800-200 µm인 쉐도우 마스크를 사용하였고, DC 스퍼터를 사용하여 10 nm의 Ti와 200 nm의 Au를 증착하였다.
- 박막의 RMS roughness와 morphology를 측정하기 위해 원자힘 현미경(atomic force microscopy, AFM)을 사용하였다. ZTO 박막트랜지스터의 전기적 특성은 HP 4145B semiconductor parameter analyzer를 사용하여 상온에서 측정하였다.
- 다음으로는 ZTO 박막트랜지스터를 제작하여 전기적 특성을 평가하였다. Fig.
- 8) 본 연구에서는 플라즈마가 직접적으로 박막에 영향을 주지 않는 FTS 방식으로 ZTO 박막을 증착하여 물리적 특성을 확인하였다. 또한 400℃에서 열처리한 ZTO 박막을 이용한 소자에서 높은 mobility를 가지므로 그 박막을 활성층으로 하여 박막 트랜지스터를 제작하고 전기적 특성을 분석하였다.9)
- 본 실험에서는 스퍼터링 방식에 따른 ZTO 박막과 박막트랜지스터의 특성을 알아보기 위해 on-axis 스퍼터링과 FTS 방식을 사용하였다. 두 가지 방식 모두 2인치의ZTO 타겟을 사용하였고 ZTO 박막은 SiO2 (100 nm)/high doped p-Si 기판 위에 50 nm를 증착하였다.
- 증착한 ZTO 박막의 결정구조를 확인하기 위해서 X선 회절분석기(X-ray diffraction, XRD)로 측정하였다. 박막의 RMS roughness와 morphology를 측정하기 위해 원자힘 현미경(atomic force microscopy, AFM)을 사용하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서는 스퍼터링 방식에 따른 ZTO 박막과 박막트랜지스터의 특성을 알아보기 위해 on-axis 스퍼터링과 FTS 방식을 사용하였다. 두 가지 방식 모두 2인치의ZTO 타겟을 사용하였고 ZTO 박막은 SiO2 (100 nm)/high doped p-Si 기판 위에 50 nm를 증착하였다. 증착 방식을 제외한 다른 증착조건은 동일하게 진행되었다.
이론/모형
- 증착한 ZTO 박막의 결정구조를 확인하기 위해서 X선 회절분석기(X-ray diffraction, XRD)로 측정하였다. 박막의 RMS roughness와 morphology를 측정하기 위해 원자힘 현미경(atomic force microscopy, AFM)을 사용하였다. ZTO 박막트랜지스터의 전기적 특성은 HP 4145B semiconductor parameter analyzer를 사용하여 상온에서 측정하였다.
성능/효과
- 1) 기존에 박막 트랜지스터의 반도체 물질로써 a-Si와 poly-Si이 사용되었지만 aSi의 낮은 이동도와 poly-Si의 공정 온도가 높은 단점이 있어 차세대 디스플레이에 적용하기에 어렵다. 그에 반해 비정질 산화물 반도체의 경우 저온공정이 가능하여 대면적화에 용이하고 a-Si의 10배에 달하는 이동도를 가지고 있어 주목을 받고 있다.
- On-axis 스퍼터링은 FTS 방식보다 강한 에너지를 가진 입자가 기판에 증착되기 때문에 빠른 증착속도를 보이지만 박막은 높은 compressive stress를 가지게 되고, 높은 compressive stress는 박막의 결정화를 방해하게 된다.10) FTS 방식으로 증착한 박막은 broad한 peak을 보였지만 상온에서 증착하였기 때문에 비정질 상태임을 알 수 있었고 400℃에서 열처리하여도 두 가지 방식 모두 비정질 상임을 확인할 수 있었다. 산화물 반도체를 박막트랜지스터의 활성층으로 사용하기 위해서는 비정질 상을 가져야 하는데, 이는 결정성을 가지게 되면 결정립계에 의해 전자의 이동이 방해되기 때문에 트랜지스터의 특성이 저하된다.
- 그에 반해 비정질 산화물 반도체의 경우 저온공정이 가능하여 대면적화에 용이하고 a-Si의 10배에 달하는 이동도를 가지고 있어 주목을 받고 있다.2) 그 중 In, Ga, Sn 등을 도핑한 ZnO 기반의 산화물 반도체는 넓은 밴드갭 에너지를 가지기 때문에 투명하고 높은 전기전도도와 화학적 안정성을 가진다. 현재는 In-Ga-Zn-O(IGZO)가 상용화 되었을 정도로 가장 많이 연구되어졌으나 In과 Ga의 높은 가격으로 인해 새로운 다성분계 산화물 반도체의 개발이 필요해지고 있다.
- 본 연구에서는 스퍼터링 방식과 열처리 유무에 따른 ZTO 박막의 물리적 특성을 평가하고, ZTO 박막 트랜지스터를 제작하여 그에 따른 전기적 특성을 평가하였다. FTS 방식으로 증착한 박막은 표면이 균일하고 낮은 RMS roughness를 보였으며 열처리를 하여도 roughness는 큰 차이를 보이지 않았다. 또한 열처리한 박막을 박막 트랜지스터의 활성층으로 사용함으로써 106의 Ion/off ratio와 12.
- 20 nm를 보였다. FTS 방식으로 증착한 박막이 on-axis 스퍼터링으로 증착한 박막에 비해 낮은 RMS roughness를 보이고 morphology 또한 균일하였다. FTS 방식은 일반적인 on-axis 스퍼터링과 달리 증착 시에 플라즈마가 직접 닿지 않기 때문에 플라즈마에 의한 데미지를 최소화하고 박막은 낮은 compressive stress를 가진다.
- FTS 방식으로 증착한 박막은 표면이 균일하고 낮은 RMS roughness를 보였으며 열처리를 하여도 roughness는 큰 차이를 보이지 않았다. 또한 열처리한 박막을 박막 트랜지스터의 활성층으로 사용함으로써 106의 Ion/off ratio와 12.91 cm2/V.s 의 mobility의 우수한 전기적 특성을 보였다. 이는 FTS 증착으로 인한 플라즈마 데미지 및 compressive stress 감소와 열처리로 인한 박막의 캐리어농도를 조절함으로써 특성을 개선시킬 수 있었다.
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