[논문]결정질AZO 박막과 비정질IGZO 박막의 결정구조와 결합에너지와의 상관성

소영호; 송정호; 서동명; 오데레사

doi:10.21186/ipr.2016.1.1.001

결정질AZO 박막과 비정질IGZO 박막의 결정구조와 결합에너지와의 상관성
A Study on the Chemical Properties of AZO with Crystal Structure and IGZO of Amorphous Structure Due to the Annealing Temperature 원문보기

Industry promotion research = 산업진흥연구, v.1 no.1, 2016년, pp.1 - 6

소영호 (청주대학교 반도체공학과) , 송정호 (청주대학교 반도체공학과) , 서동명 (청주대학교 반도체공학과) , 오데레사 (청주대학교 반도체공학과)

초록
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산화물반도체의 결정질특성과 비정질특성을 이해하기 이하여 AZO 박막과 IGZO 박막을 증착하고 열처리하여 물리적 화학적인 특성을 비교하였다. AZO 박막은 열처리온도가 올라갈수록 결정성이 높아졌으나 IGZO 박막은 열처리온도가 높을수록 비정질특성이 우수하였다. AZO 박막은 열처리에 따라서 PL, XPS 분석에서 화학적 이동이 나타났으나 IGZO 박막은 화학적 이동이 나타나지 않았다. AZO의 O 1s 결합 에너지는 531.5 eV였으며, IGZO 박막은 530 eV으로 낮았다.

Abstract ▼ AI-Helper

To research the correlation between the amorphous and crystal structure of oxide semiconductors, AZO and IGZO films were deposited and annealed with various temperatures in a vacuum state. AZO increased the degree of crystal structure with increasing the annealing temperature, but IGZO became an amorphous structure after the annealing process at high temperature. The series of AZO films with various annealing temperatures showed the chemical shift from the analyzer of PL and O 1s spectra, but the results of IGZO films by PL and O 1s spectra were not observed the chemical shift. The binding energy of oxygen vacancy of AZO with a crystal structure was 531.5 eV, and that of IGZO with an amorphous structure was 530 eV as a lower binding energy.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 ZnO계 산화물반도체 물질 중에서 결정질의 AZO와 비정질의IGZO를 진공상태에서 RT, 100℃, 200℃에서 열처리를 함에 따라 변하는 상태를 측정하고 산소 공공의 발생하는 원인과 분석데이타 결과들의 차이점에 대하여 조사하였다.

제안 방법

AZO박막과 IGZO 박막은 p형의 실리콘 위에 AZO 타겟소스와 IGZO 타겟소스를 사용하고 산소가스를 20 sccm을 주입하여 플라즈마를 형성하였으며, RF magnetron sputtering 장비를 이용하여 10분동안 증착하였다. 증착이 된 각각의 박막들은 대기압과 진공에서 각각 RT, 100℃, 200℃에서 열처리를 10분동안 실시하였으며, 각각의 박막들의 분석은 XRD, XPS, PL 과 전기적인 분석을 하여 서로 비교하였다.
이후 annealing을 각각 100℃, 200℃에서 건식을 이용하여 10분씩 증착을 하였다. AZO박막을 증착하고 난후에는 PL spectra는 제논램프를 사용하였고, ZnO의 박막의 구조는 X-Ray diffraction (XRD)을 사용하여 2Theta의 PEAK 값과 FWHM값을 측정함으로서 조사하였고, 증착된 AZO박막 내에서의 Zn, O, Al원소들의 at% 함유량과 화학 결합상태를 조사하기 위하여 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)를 사용하였다.
4. 결론

결정구조에 따른 산소공공의 역할에 대하여 알아보기 위해서 결정질 AZO와 비정질 IGZO 박막의 진공 중에서 열처리를 하였다. 열처리 온도를 높여가면서 결정구조가 변해가는 것을 확인하였으며, PL, XPS 분석을 통하여 우수한 특성을 갖는 박막에서 산소공공의 형성방법과 분석데이타와의 상관성을 조사하였다.
결정구조에 따른 산소공공의 역할에 대하여 알아보기 위해서 결정질 AZO와 비정질 IGZO 박막의 진공 중에서 열처리를 하였다. 열처리 온도를 높여가면서 결정구조가 변해가는 것을 확인하였으며, PL, XPS 분석을 통하여 우수한 특성을 갖는 박막에서 산소공공의 형성방법과 분석데이타와의 상관성을 조사하였다. 우수한 특성을 갖는 200 도 공정에서 얻은 샘플로서AZO는 결정질이고 IGZO 는 비정질이기 때문에 O 1s 스펙트라의 결합에너지와 PL 분석을 이용한 에너지갭의 위 위치가 각각 다르다는 것을 확인하였다.
RF power는 100W, 증착 시 압력은 5mtorr정도의 값을 갖게 하였다. 이후 annealing을 각각 100℃, 200℃에서 건식을 이용하여 10분씩 증착을 하였다. AZO박막을 증착하고 난후에는 PL spectra는 제논램프를 사용하였고, ZnO의 박막의 구조는 X-Ray diffraction (XRD)을 사용하여 2Theta의 PEAK 값과 FWHM값을 측정함으로서 조사하였고, 증착된 AZO박막 내에서의 Zn, O, Al원소들의 at% 함유량과 화학 결합상태를 조사하기 위하여 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)를 사용하였다.
증착이 된 각각의 박막들은 대기압과 진공에서 각각 RT, 100℃, 200℃에서 열처리를 10분동안 실시하였으며, 각각의 박막들의 분석은 XRD, XPS, PL 과 전기적인 분석을 하여 서로 비교하였다. 전기적인 특성을 조사하기 위해서 Al 전극을 이용하여 Al/ZnO/p-Si 구조를 구성하여, I-V 특성을 측정하여 반도체 계면특성에 대하여 조사하고 열처리 온도에 따른 결정구조와의 상관성을 조사하였다.
AZO박막과 IGZO 박막은 p형의 실리콘 위에 AZO 타겟소스와 IGZO 타겟소스를 사용하고 산소가스를 20 sccm을 주입하여 플라즈마를 형성하였으며, RF magnetron sputtering 장비를 이용하여 10분동안 증착하였다. 증착이 된 각각의 박막들은 대기압과 진공에서 각각 RT, 100℃, 200℃에서 열처리를 10분동안 실시하였으며, 각각의 박막들의 분석은 XRD, XPS, PL 과 전기적인 분석을 하여 서로 비교하였다. 전기적인 특성을 조사하기 위해서 Al 전극을 이용하여 Al/ZnO/p-Si 구조를 구성하여, I-V 특성을 측정하여 반도체 계면특성에 대하여 조사하고 열처리 온도에 따른 결정구조와의 상관성을 조사하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 AZO, IGZO 박막 증착에는 RF magnetron sputtering 방법을 이용하였다. Target은 IGZO, AZO(ZnO 97wt%, Al2O3 3wt%, 직경 3inch)를 이용하고, reaction gas로는 산소(99.999% 순도 5N)를 이용 하였다. 기판으로는 glass를 이용하였다.
999% 순도 5N)를 이용 하였다. 기판으로는 glass를 이용하였다. RF power는 100W, 증착 시 압력은 5mtorr정도의 값을 갖게 하였다.

이론/모형

본 연구에서는 AZO, IGZO 박막 증착에는 RF magnetron sputtering 방법을 이용하였다. Target은 IGZO, AZO(ZnO 97wt%, Al2O3 3wt%, 직경 3inch)를 이용하고, reaction gas로는 산소(99.

성능/효과

AZO박막에서 중심 픽이 낮은 파장으로 나타나고 IGZO박막의 경우 AZO 박막보다는 장파장에서 관측된 이유는 IGZO가 열처리를 하면서 비정질구조를 나타내기 때문이다. AZO는 열처리 온도가 높을수록 결정성이 높아지기 때문에 가장 높은 온도에서 가장 짧은 파장을 나타내고 있는 것을 확인하였다.
6]은 진공 중에서 열처리한 IGZO의 O 1s 전자궤도 스펙트럼이다. 열처리온도가 높아져도 크게 달라지지 않았으며, 200도에서 열처리한 IGZO 박막의 주픽은530 eV 으로 AZO 박막의 경우보다 낮았다. [Fig.
열처리 온도를 높여가면서 결정구조가 변해가는 것을 확인하였으며, PL, XPS 분석을 통하여 우수한 특성을 갖는 박막에서 산소공공의 형성방법과 분석데이타와의 상관성을 조사하였다. 우수한 특성을 갖는 200 도 공정에서 얻은 샘플로서AZO는 결정질이고 IGZO 는 비정질이기 때문에 O 1s 스펙트라의 결합에너지와 PL 분석을 이용한 에너지갭의 위 위치가 각각 다르다는 것을 확인하였다. 따라서 산화물반도체를 이해하기 위해서는 반도체 소자재료인 박막의 구조에 따라서 결합에너지나 파장 혹은 에너지 갭의 위치를 확인해야 된다는 것을 알 수 있다.
산소공공(Oxygen Vacancy)은 산소가 빠져나가면서 산소 1개당 2개의 자유전자를 발생시키고 이 전자들이 전하운반체인 캐리어가 되어 전기전도의 역할을 하게 된다. 이러한 산소공공의 생성원인이 결정질일 때와 비정질일 경우 다르다는 것에 확인하였으며, 따라서XRD, XPS, PL 데이터의 위치도 각각 다른 위치에서 확인되어야 함을 이해할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	AZO가 최근 각광받는 물질로 떠오르는 이유는?	AZO박막을 살펴보면, 3족원소인 Al은 가격면에서도 저렴할 뿐만 아니라, ZnO를 첨가할 경우 캐리어 밀도를 높여 우수한 전도성을 가지고 있다.[1-5] 적외선과 가시광선 영역에서 높은 투과성과 수소플라즈마 노출에서 안전하다. 또한 인듐산화물의 독성에서 자유롭다는 장점이 있고, 고온에서 안정된 전기적인 특성과 낮은 원가 등의 이점을 가지고 있다.[6-9] 이러한 장점들 때문에 AZO는 최근 각광받는 물질로 떠오르고 있으며 활발한 연구가 이루어지고 있는 실정이다.
	AZO박막의 특성은?	대표적인 투명전극 ITO의 대체물질인 ZnO계 물질에 대하여 많은 연구가 진행되고 있는 추세이다. AZO박막을 살펴보면, 3족원소인 Al은 가격면에서도 저렴할 뿐만 아니라, ZnO를 첨가할 경우 캐리어 밀도를 높여 우수한 전도성을 가지고 있다.[1-5] 적외선과 가시광선 영역에서 높은 투과성과 수소플라즈마 노출에서 안전하다.
	유연성 있는 전자기기의 구동을 위해서 필요한 조건은?	[6-9] 이러한 장점들 때문에 AZO는 최근 각광받는 물질로 떠오르고 있으며 활발한 연구가 이루어지고 있는 실정이다.유연성 있는 전자기기의 구동을 위해서는 저온 공정이 가능하면서 전기적, 기계적 특성이 우수해야 하며, 안정성을 갖는 Back-plane 기술이 필요하다. 비정질 실리콘 박막 트랜지스터는 낮은 이동도의 문제점을 가지고 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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