[논문]Zn-Sn-O 박막 트랜지스터의 전기적 특성에 대한 전자빔 조사의 영향

조인환; 조경일; 최준혁; 박해웅; 김찬중; 전병혁

doi:10.3740/mrsk.2017.27.4.216

Zn-Sn-O 박막 트랜지스터의 전기적 특성에 대한 전자빔 조사의 영향
Influence of Electron Beam Irradiation on the Electrical Properties of Zn-Sn-O Thin Film Transistor 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.27 no.4, 2017년, pp.216 - 220

조인환 (한국원자력연구원 중성자응용연구부) , 조경일 (한국원자력연구원 중성자응용연구부) , 최준혁 (한국원자력연구원 중성자응용연구부) , 박해웅 (한국기술교육대학교 에너지신소재화학공학부) , 김찬중 (한국원자력연구원 중성자응용연구부) , 전병혁 (한국원자력연구원 중성자응용연구부)

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of electron beam (EB) irradiation on the electrical properties of Zn-Sn-O (ZTO) thin films fabricated using a sol-gel process was investigated. As the EB dose increased, the saturation mobility of ZTO thin film transistors (TFTs) was found to slightly decrease, and the subthreshold swing and on/off ratio degenerated. X-ray photoelectron spectroscopy analysis of the O 1s core level showed that the relative area of oxygen vacancies ($V_O$) increased from 10.35 to 12.56 % as the EB dose increased from 0 to $7.5{\times}10^{16}electrons/cm^2$. Also, spectroscopic ellipsometry analysis showed that the optical band gap varied from 3.53 to 3.96 eV with increasing EB dose. From the results of the electrical property and XPS analyses of the ZTO TFTs, it was found that the electrical characteristic of the ZTO thin films changed from semiconductor to conductor with increasing EB dose. It is thought that the electrical property change is due to the formation of defect sites like oxygen vacancies.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

43 V에서 측정 한계범위 이하까지 조사량 증가에 따라 점차 음의 방향으로 이동하였다. ZTO 박막의 전기적 특성은 전자빔 조사량이 증가함에 따라 반도체에서 도체와 같이 변화하는 경향을 확인하였으며, 이러한 전기적 특성변화 이유를 XPS 분석을 통하여 확인하고자 하였다.
본 연구에서는 전자빔 조사의 저온공정에 적용 가능성을 확인하기 전 단계로 400 ºC 열처리된 ZTO 박막에 대하여 0.1 MeV 에너지의 전자빔을 조사하여 조사량에 따른 박막의 전기적, 화학적 특성변화를 관찰하였다.

가설 설정

96 eV로 증가하는 경향을 보였으며, 기존 보고된 낮은 에너지(4 keV)의 전자빔 조사의 밴드갭 변화 경향과 유사한 결과를 나타냈다.¹⁶⁾ 전도대 이하의 sub-band edge 준위는 전자빔 조사량 증가에 따른 변화가 관찰된다. Sub-band edge 준위 증가에 따른 전기적 특성의 변화에 대해 보고했는데¹⁷⁾ 기존 보고된 연구와는 다르게 흡광계수가 증가 또는 감소하는 에너지 레벨이 조사량에 따라 경향성을 보이지 않았으며 결함의 상태 또는 준위를 정확하게 파악하기 위하여 X-ray absorption spectroscopy (XAS)와 같은 분석이 추가적으로 수행되어야 할 것으로 판단된다.

제안 방법

전기적 특성은 semiconductor parameter analyzer를 이용하여 분석하였으며, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), spectroscopic ellipsometer (SE)로 각각 화학 결합과 밴드갭을 분석하였다. XPS 측정은 O 1speak 분석을 통해 화학결합을 관찰하였고, 밴드갭은 SE측정에서 흡광계수가 선형적으로 증가하는 지점을 기준으로 외삽법을 통해 도출하였다.
박막의 결정성을 확인하기 위하여 X-ray diffraction (XRD)을 사용하였고, field emission-scanning electron microscope (FE-SEM)를 이용해 표면 미세구조를 분석하였다.
솔젤로 제작된 ZTO 박막의 0.1 MeV 전자빔 조사량 변화에 따른 전기적 특성변화를 연구하였다. 전자빔 조사량은 7.
안정적인 전구체 용액을 만들기 위하여 반응 활성화제로 monoethanolamine (MEA)을 첨가하였으며, 60 ºC에서 2시간 동안 교반하였다.
전기적 특성은 semiconductor parameter analyzer를 이용하여 분석하였으며, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), spectroscopic ellipsometer (SE)로 각각 화학 결합과 밴드갭을 분석하였다.
5 × 10¹⁶ electrons/cm² 으로 변화시켰다. 전자빔 조사 후 thermal evaporator로 약 100 nm 두께의 Al 소스와 드레인을 증착하여 트랜지스터를 제작하였다.
전자빔 조사량은 7.5 × 1015 부터 7.5 × 1016 e/cm2 까지 변화하였고, 전기 및 광학적 특성 변화를 관찰하였다.
전자빔은 상온, 대기분위기에서 0.1MeV 에너지로 고정하였으며, 조사량은 7.5 × 1015, 1.5 ×1016, 4.5 × 1016, 7.5 × 1016 electrons/cm2 으로 변화시켰다.
5는 전자빔 조사량에 따른 ZTO 박막 O 1s core level 의 XPS spectra 결과이다. 정확한 화학적 결합 분석을 위하여, O 1s peak는 O_I(530.2 eV), O_II(531.5 eV), O_III(532.1 eV) 3개의 서로 다른 Gaussian peak로 normalization 및 deconvolution 하였다. 각 분리된 peak는 서로 다른 화학적 결합을 나타낸다.
증착된 박막은 150 ºC로 10분간 건조시킨 후, 튜브로를 이용하여 400 ºC에서 1 시간 동안 대기중에서 열처리를 하였다.

대상 데이터

ZTO 박막 합성을 위한 전구체 용액을 제작하기 위하여 용매인 2-methoxyethanol [CH3OCH2CH2OH]에 zincacetate dihydrate [Zn(C2H3O2)2·2H2O], tin chloride dihydrate [SnCl2·2H2O]를 0.5 M 농도로 혼합하여 전구체 용액을 제작하였으며 Zn:Sn의 비율은 1:1로 고정하였다.
증착된 박막은 150 ºC로 10분간 건조시킨 후, 튜브로를 이용하여 400 ºC에서 1 시간 동안 대기중에서 열처리를 하였다. 전자빔조사는 한국원자력연구원의 0.2 MeV급 소형 전자빔 조사 장치를 이용하였다. 전자빔은 상온, 대기분위기에서 0.

데이터처리

전자빔에 의한 표면 morphology 변화의 경향이 ZnO 박막에 전자빔을 조사한 선행연구와 유사하며 표면의 변화에 의해 저항이 감소하여 캐리어 농도가 증가하는 경향을 보인다고 알려져 있다.¹³⁾ 추가적으로 전자빔에 의한 표면 morphology 변화가 화학적 조성에 미치는 영향을 확인하기 위하여 XPS 측정을 통해 조성분석을 실시하였으며 Fig. 3은 그 결과를 나타낸 그래프이다. 각 원소의 화학적 조성을 확인해 본 결과 XPS의 검출 한계를 감안하면 박막 내부 조성의 변화가 없는 것으로 확인되었다.

이론/모형

ZTO 전구체 용액의 열적거동을 확인하기 위하여 thermogravimetry/differential thermal analysis (TG/DTA)를 사용하였다. 박막의 결정성을 확인하기 위하여 X-ray diffraction (XRD)을 사용하였고, field emission-scanning electron microscope (FE-SEM)를 이용해 표면 미세구조를 분석하였다.
문턱전압(threshold voltage,VTH)은 VDS > VG-VTH 인 영역에서 선형 외삽법을 이용하여 구하였고 게이트 문턱전압 이하에서의 기울기(subthreshold swing, S.S.)와 포화이동도(saturation mobility,µsat) 값은 (3), (4) 식을 통하여 도출하였으며 Table 1에 정리하였다.

성능/효과

XPS 분석 결과 조사량 증가에 따라 산소공공의 비율이 증가하였고, 이는 전기적 특성 변화와 일치하는 경향을 보였다. SE 분석결과 조사량 증가에 따라 3.53 eV에서 3.96eV로 밴드갭이 증가하였으며 sub-band edge 준위가 변화하였다.
5 × 10¹⁶ e/cm²) 이상부터는 소자의 특성이 반도체에서 도체의 경향을 띄는 것을 확인하였다. XPS 분석 결과 조사량 증가에 따라 산소공공의 비율이 증가하였고, 이는 전기적 특성 변화와 일치하는 경향을 보였다. SE 분석결과 조사량 증가에 따라 3.
3은 그 결과를 나타낸 그래프이다. 각 원소의 화학적 조성을 확인해 본 결과 XPS의 검출 한계를 감안하면 박막 내부 조성의 변화가 없는 것으로 확인되었다.
전기적 특성 측정결과 일정 조사량(4.5 × 1016 e/cm2) 이상부터는 소자의 특성이 반도체에서 도체의 경향을 띄는 것을 확인하였다.
전자빔 조사 전 박막과 7.5 × 1015, 1.5 × 1016 e/cm2 조사된 박막은 트랜지스터 특성을 보여주었고, 4.5 × 1016, 7.5 × 1016 e/cm2 조사된 박막의 경우 −40~40 V의 게이트 전압 범위에서 10−4 ~ 10−5A 정도의 거의 일정한 드레인 전류 특성을 보였다.
전자빔 조사량에 따른 결정성의 변화를 확인하기 위하여 XRD를 측정한 결과, 전자빔 조사량에 관계없이 모든 박막에서 Si (200), (400)을 제외한 다른 peak가 관찰되지 않았으므로 ZTO 박막은 비정질임을 확인하였다.
전자빔 조사량이 7.5 × 1016 e/cm2 까지 증가함에 따라 밴드갭은 3.53 eV에서 3.96 eV로 증가하는 경향을 보였으며, 기존 보고된 낮은 에너지(4 keV)의 전자빔 조사의 밴드갭 변화 경향과 유사한 결과를 나타냈다.
5 × 10¹⁶ e/cm² 조사된 박막의 경우 −40~40 V의 게이트 전압 범위에서 10⁻⁴ ~ 10⁻⁵A 정도의 거의 일정한 드레인 전류 특성을 보였다. 전자빔 조사량이 증가함에 따라 I_on/off는 감소하였으며, S.S.값은 증가하여 소자 특성이 나빠지는 경향을 보였다. µ_sat는 as-dep.
조사량 증가에 따라 박막 표면에 국부적인 결정화가 관찰되었고, 전기적 특성은 조사 전 박막과 비교하여 µsat와 Ion/off는 감소, S.S. 값은 증가하는 경향을 보였다.

후속연구

¹⁶⁾ 전도대 이하의 sub-band edge 준위는 전자빔 조사량 증가에 따른 변화가 관찰된다. Sub-band edge 준위 증가에 따른 전기적 특성의 변화에 대해 보고했는데¹⁷⁾ 기존 보고된 연구와는 다르게 흡광계수가 증가 또는 감소하는 에너지 레벨이 조사량에 따라 경향성을 보이지 않았으며 결함의 상태 또는 준위를 정확하게 파악하기 위하여 X-ray absorption spectroscopy (XAS)와 같은 분석이 추가적으로 수행되어야 할 것으로 판단된다.^9,17)
등 트랜지스터 특성에 영향을 미치게 되는데 이와 같은 변화는 전자빔 조사를 통해 생성된 산소공공과 같은 결함과 관련이 있는 것으로 판단된다. 결과적으로 전자빔 조사가 ZTO TFT 소자특성 향상에는 긍정적인 영향을 미치지 못하였지만, 추후에 열처리 전 gel 상태의 박막에 전자빔 조사 후 저온 열처리를 후속 연구로 진행함으로써 공정 순서 변화를 통한 전자빔의 저온 열처리 적용 가능성을 확인해 보고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ZnSnO의 단점은 무엇인가	특히 ZnSnO (ZTO)의 경우 ZnO의 단일 금속 원소에 비해 전기적 특성 조절이 용이하고, Sn은 5p 오비탈을 제외하면 상대적으로 값비싼 In5,6)과 전자 배치(electron configuration)가 같아 전기적 특성이 우수하다는 장점이 있다.7) 하지만 트랜지스터로 제작되기 위해서는 400 ºC 이상의 고온 열처리가 요구되어 유연기판 적용에 어려움이 있다. 따라서 최근 저온 열처리 시 산화물 TFT의 고온에서와 같은 특성 발현을 위하여 자외선, 이온, 감마선 조사 등 여러 종류의 조사 연구가 수행되어왔다.
	a-Si 박막 트랜지스터의 단점은 무엇인가	최근 디스플레이 기기들의 대면적·고해상도화로 인하여 기존의 비정질 실리콘(a-Si; Amorphous silicon), 저온 다결정 실리콘(LTPS; Low-temperature polycrystalline silicon)을 대체할 반도체 소자 물질로 산화물 반도체가 각광받고 있다. 기존 a-Si 박막 트랜지스터(TFT; Thin film transistor)의 경우 전하 이동도가 0.5~1.0 cm2/Vs 수준으로 고성능 디스플레이 적용에는 한계가 있고, LTPS TFT의 경우 높은 전하 이동도와 광 안정성 등 우수한 특성을 나타내지만 공정온도가 높아 유연기판에 적용이 어려우며 공정가격이 높은 단점이 있다.1)
	LTPS TFT의 장단점은 무엇인가	5~1.0 cm2/Vs 수준으로 고성능 디스플레이 적용에는 한계가 있고, LTPS TFT의 경우 높은 전하 이동도와 광 안정성 등 우수한 특성을 나타내지만 공정온도가 높아 유연기판에 적용이 어려우며 공정가격이 높은 단점이 있다.1)

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