[논문]ZnO 스퍼터링에서 기판전압의 변화에 의한 성장 조절

최재원; 전원진; 조중열

ZnO 스퍼터링에서 기판전압의 변화에 의한 성장 조절
Control of ZnO Sputtering Growth by Changing Substrate Bias Voltage 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.16 no.2, 2017년, pp.94 - 97

(아주대학교 정보통신대학 전자공학과) , 최재원 (아주대학교 정보통신대학 전자공학과) , 전원진 (아주대학교 정보통신대학 전자공학과) , 조중열 (아주대학교 정보통신대학 전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Amorphous Si has been used for data processing circuits in flat panel displays. However, low mobility of the amorphous Si is a limiting factor for the data transmission speed. Metal oxides such as ZnO have been studied to replace the amorphous Si. ZnO is a wide bandgap (3.3 eV) semiconductor with high mobility and good optical transparency. When ZnO is grown by sputtering with $O_2$ as an oxidizer, there can be many ion species arising from $O_2$ decomposition. $O^+$, $O_2{^+}$, and $O^-$ ions are expected to be the most abundant species, and it is not clear which one contributes to the ZnO growth. We applied alternating substrate voltage (0 V and -70 V) during sputtering growth. We studied changes in transistor characteristics induced by the voltage switching. We also compared ZnO grown by dc and rf sputtering. ZnO film was grown at $450^{\circ}C$ substrate temperature. ZnO thin-film transistor grown with these methods showed $7.5cm^2/Vsec$ mobility, $10^6$ on-off ratio, and -2 V threshold voltage.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 ZnO 박막 스퍼터링 성장시에 기판에 전압을 걸어서 TFT 특성 변화를 조사하였다. Zn 금속 타겟과 산소를 이용하여 dc와 rf 스퍼터링을 수행하였다.
Ar+ O₂를 사용하는 스퍼터링 환경에서 플라즈마에 여러가지 이온이 있는데, 양이온은 Ar⁺, Zn⁺가 있다. 산소는 양이온(O⁺, O₂⁺) 음이온(O^-) 모두 가능한데 [6-8], 여러가지 이온들이 기판에 도달하는 것을 기판전압으로 조절하여 TFT의 성능 개선을 이루고자 한다.
CO₂와 H₂의 유량은 각각 5 sccm이고 어닐 과정에서의 압력은 120 mTorr였다. 이때 수소를 사용하는 목적은 산화 반응이 완결되지 않은 ZnO의 Zn를 수소, 탄소와 결합시켜서 제거하기 위한 것이다. 어닐 과정을 거치기 전에는 전류는 크지만 off 특성이 나쁘다.

제안 방법

본 연구는 ZnO 박막 스퍼터링 성장시에 기판에 전압을 걸어서 TFT 특성 변화를 조사하였다. Zn 금속 타겟과 산소를 이용하여 dc와 rf 스퍼터링을 수행하였다. 실험결과 두가지 성장방식 모두에서 기판전압 스위칭이 양질의 ZnO 박막을 성장시킬 수 있다는 것을 보였다.
따라서 Zn 타겟을 이용하여 양질의 ZnO 박막을 성장시킬 수 있으면 대면적 기판의 디스플레이 생산 공정에 아주 중요한 기술이 될 수 있다 [3,4]. 본 연구에서는 Zn 금속 타겟과 산소(O₂)를 이용한 스퍼터링으로 ZnO를 성장시키고 thin-film transistor (TFT)를 제작하여 off 특성 변화와 전자이동도를 분석하였다. 스퍼터링 성장중에 기판에 -70 V 전압을 펄스 형태로 걸어주었다.

대상 데이터

스퍼터링의 고진공은 diffusion pump로 만들어졌고 성장중의 압력은 Ar 4 sccm에서 4 mTorr였다. Fig. 1은 실험에 사용된 스퍼터링 장비의 간단한 구성도로서 타겟의 직경은 5 cm, 기판의 직경은 10 cm, 타겟과 기판 거리는 6 cm이다. 박막 성장중에 기판전압 Vsub을 이용하여 기판에 -70 V의 전압이 스위칭 형태로 인가되었다.
박막 성장중에 기판전압 Vsub을 이용하여 기판에 -70 V의 전압이 스위칭 형태로 인가되었다. ZnO 박막은 기판온도 450℃에서 150 nm 두께의 실리콘 산화막 위에 성장되었고, p⁺Si 기판은 TFT의 gate로 사용되었다.
이 연구에 사용된 ZnO 박막은 Zn 타겟과 O₂ 산화제를 사용하여 450 V dc 스퍼터링 또는 13.56 MHz rf 스퍼터링으로 성장되었다. 스퍼터링의 고진공은 diffusion pump로 만들어졌고 성장중의 압력은 Ar 4 sccm에서 4 mTorr였다.

성능/효과

실험결과 두가지 성장방식 모두에서 기판전압 스위칭이 양질의 ZnO 박막을 성장시킬 수 있다는 것을 보였다. 스퍼터링에서 기판전압으로 박막성장에 필요한 이온 공급을 조절할 수 있다는 것을 보였다.
Zn 금속 타겟과 산소를 이용하여 dc와 rf 스퍼터링을 수행하였다. 실험결과 두가지 성장방식 모두에서 기판전압 스위칭이 양질의 ZnO 박막을 성장시킬 수 있다는 것을 보였다. 스퍼터링에서 기판전압으로 박막성장에 필요한 이온 공급을 조절할 수 있다는 것을 보였다.
)는 산소간의 이중결합(O=O) 때문에 분리되지 않은 상태로 ZnO 내부의 O 자리를 대신 차지하여 결함을 만드는 경우가 많다고 알려져 있다 [10]. 우리의 실험결과는 기판전압 스위칭이 어떤 과정을 거쳐서 TFT 특성 향상에기여하는 것으로 나타났다. 기판전압에 의한 영향은 더 자세한 추가 연구가 필요하다.

후속연구

스퍼터링 성장중에 기판에 -70 V 전압을 펄스 형태로 걸어주었다. 기판 전압은 플라즈마중에서 양이온과 음이온이 기판에 도달하는 것을 조절하기 때문에 ZnO 박막의 트랜지스터 특성이 더 향상될 수 있을 것이다. 기판전압이 TFT 성능을 향상시키는 것은 알려져 있지만, 체계적인 분석을 진행할 필요가 있다 [5].
우리의 실험결과는 기판전압 스위칭이 어떤 과정을 거쳐서 TFT 특성 향상에기여하는 것으로 나타났다. 기판전압에 의한 영향은 더 자세한 추가 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	InGaZnO의 특징은?	평판 디스플레이(flat panel display)의 신호처리 회로에는 비정질 실리콘 박막이 많이 사용되고 있는데, 최근 비정질 실리콘의 한계를 극복하기 위하여 ZnO, InGaZnO 등 금속산화물 반도체가 많이 연구되고 있다. InGaZnO의 전자이동도는 우수하지만 인듐의 가격이 비싸고 세가지의 금속이 들어가기 때문에 성장조건이 복잡하다는 문제가 있다 [1]. 이에 비하여 ZnO는 박막 성장과정이 단순하고 생산원가가 저렴하다는 것이 큰 장점이다 [2].
	ZnO의 장점은?	InGaZnO의 전자이동도는 우수하지만 인듐의 가격이 비싸고 세가지의 금속이 들어가기 때문에 성장조건이 복잡하다는 문제가 있다 [1]. 이에 비하여 ZnO는 박막 성장과정이 단순하고 생산원가가 저렴하다는 것이 큰 장점이다 [2]. 스퍼터링으로 ZnO 박막을 성장시킬 때 ZnO 세라믹 타겟과 Zn 금속 타겟 두가지가 사용 가능한데, 세라믹 타겟은 금속 타겟에비하여 가격이 비싸고 대면적 타겟을 만드는 것이 어렵다.
	ZnO는 박막성장후에 어닐과정을 진행시키는 이유는?	어닐 과정을 거치기 전에는 전류는 크지만 off 특성이 나쁘다. 어닐 과정을 거치면서 off 특성을 악화시키는 결함이 제거된 것으로 생각된다.

참고문헌 (10)

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