[논문]이온빔 스퍼터링으로 증착한 IZTO 박막의 결정화 거동과 전기적 특성 분석

박지운; 박양규; 이희영

doi:10.4313/jkem.2021.34.2.99

이온빔 스퍼터링으로 증착한 IZTO 박막의 결정화 거동과 전기적 특성 분석
Crystallization Behavior and Electrical Properties of IZTO Thin Films Fabricated by Ion-Beam Sputtering 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.34 no.2, 2021년, pp.99 - 104

박지운 (영남대학교 신소재공학부) , 박양규 (영남대학교 신소재공학부) , 이희영 (영남대학교 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Ion-beam sputtering (IBS) was used to deposit semiconducting IZTO (indium zinc tin oxide) thin films onto heavily-doped Si substrates using a sintered ceramic target with the nominal composition In0.4Zn0.5Sn0.1O1.5, which could work as a channel layer for oxide TFT (oxide thin film transistor) devices. The crystallization behavior and electrical properties were examined for the films in terms of deposition parameters, i.e. target tilt angle and substrate temperature during deposition. The thickness uniformity of the films were examined using a stylus profilometer. The observed difference in electrical properties was not related to the degree of crystallization but to the deposition temperature which affected charge carrier concentration (n), electrical resistivity (ρ), sheet resistance (Rs), and Hall mobility (μH) values of the films.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Schematic of the substrate holder used in the ion beam sputter (number denotes the position of each substrate).
표 Table 1. Summary of IBS deposition condition.
그림 Fig. 2. Schematic diagram of the ion beam sputter defining target tilt angle, θ.
그림 Fig. 3. Schematic drawing of a substrate (1.3 cm × 1.3 cm) indicating thickness-measuring points using alpha-step surface profilometer.
그림 Fig. 4. Variation of average thickness values measured for semiconducting IZTO thin film sample deposited at room temperature with target tilting angle θ=46°, (a) substrate position 3 and (b) substrate position 4.
그림 Fig. 5. XRD patterns for semiconducting IZTO thin films deposited on (a) SiO₂/Si and (b) glass substrate at different substrate temperatures.
그림 Fig. 6. Thickness variation of semiconducting IZTO films deposited at different substrate temperatures.
그림 Fig. 7. UV-Vis transmittance spectra for semiconducting IZTO thin films deposited at different substrate temperatures.
표 Table 2. Summary of average film thickness with target tilt angle (θ) variation for IZTO films deposited at room temperature.
그림 Fig. 8. Tauc plot of semiconducting IZTO thin films deposited at different substrate temperatures.
그림 Fig. 9. Carrier concentration (▲), Hall mobility (■), and resistivity (◆) values measured for semiconducting IZTO films deposited at different substrate temperatures.
표 Table 3. Summary of electrical property data for semiconducting IZTO thin films determined by Hall effect and four-point resistivity measurements (similar data for the film deposited by RF sputtering is also included for comparison).

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

또한, 증착온도 변화에 따른 결정화 거동 관찰을 위하여 이온빔 스퍼터로 증착 시 기판 홀더에 장착된 히터를 이용하여 증착 시 기판의 온도를 실온(RT), 100℃, 200℃, 300℃로 고정하여 증착하였다. 본 연구에서 증착온도를 300℃ 이상으로 증가시키지 않은 주된 이유는 IZTO 산화물 반도체 박막이 지향하는 응용분야가 궁극적으로는 유연기판에 TFT를 구현하기 위한 것이기 때문이다.
타깃 기울임 각도는 본 연구에 사용된 장비와 같은 이온빔 스퍼터에서는 주요 증착변수의 하나이며, 타깃에 입사하는 이온빔과 증착이 이루어지는 기판 간의 각도가 90°로 설계된 경우에는 입사 빔과 이루는 각도를 약 45°로 선택하여 증착하는 경우가 일반적이다. 본 연구에서는 45°를 중심으로 40~50° 범위에서 타깃 기울임 각도를 변화시켰을 때 박막의 두께가 어떻게 변화하는지를 알아보고자 하였다.
본 연구에서는 이온빔 스퍼터링 법으로 증착된 반도성 IZTO 박막 두께의 균일성을 고찰하기 위하여 타깃 기울임 각도(θ)를 40~50° 범위에서 조절하였다. 연구 결과 실온에서 증착하였을 때 위의 각도 범위에서는 각도 변화에 크게 상관없이 100 nm 내외의 비슷한 두께를 가지는 IZTO 박막을 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
본 연구에서는 이온빔 스퍼터링법을 이용하여 증착 온도 변화에 따른 박막의 결정화 구동과 전기적 특성 변화 및 스퍼터링 타깃의 기울임 각도에 따른 IZTO박막의 특성 변화에 대해 조사하였다. 증착용 이온빔 소스로는 cold-hollow cathode 방식 소스(러시아 Platar사, KLAN-53)를 사용하였으며.
[11, 12]. 본 연구에서는 정해진 증착 조건에서 이온빔과 타깃의 기울임 각도에 따른 IZTO 박막의 증착 두께 균일성과 증착 시 기판 온도를 최대 300℃까지 조절하여 결정화 및 박막의 특성 변화가 있는지를 관찰하고자 하였다. 타깃 기울임 각도는 본 연구에 사용된 장비와 같은 이온빔 스퍼터에서는 주요 증착변수의 하나이며, 타깃에 입사하는 이온빔과 증착이 이루어지는 기판 간의 각도가 90°로 설계된 경우에는 입사 빔과 이루는 각도를 약 45°로 선택하여 증착하는 경우가 일반적이다.
산화물 반도체 박막 연구에는 주로 RF/DC magnetron sputtering, ALD, MOCVD, Sol-Gel spin-coating 등 다양한 박막 증착 방법이 사용되고 있으나, 본 연구에서는 이온빔 스퍼터링법을 사용하여 박막을 제조하고 특성을 평가해 보고자 하였다 [6-10]. 이온빔 스퍼터링 법은 기존의 RF 또는 DC 스퍼터링법에 비해 base pressure와 working pressure가 10분의 1 정도 더 낮은 고진공상태에서 증착이 진행되고, 플라즈마가 증착 챔버 내에서 제한된 공간에만 집중되므로 증착 중 플라즈마에 의한 박막의 손상을 줄일 수 있고 나노 스케일의 표면 처리도 동시에 수행할 수 있어 특성이 우수한 치밀한 박막을 제조할 수 있다는 장점을 가지고 있다고 알려져 있다.

제안 방법

1.5 cm × 1.5 cm (가로 × 세로)인 기판 위에 증착된 반도성 IZTO 박막 시편의 두께 변화를 육안으로관측하기 위하여 광학이미지를 타깃 기울임 각도(θ) 변화에 따라 살펴보았다. 이 결과, θ 값을 40°, 44°, 46°, 48°, 50°로 변화시킴에 따라서, 박막 두께의 미세한 변화에 따라 간섭색이 서로 다른 색을 나타내고는 있지만, 같은 시편의 경우에는 기판에 균일하게 증착되지 않았을 때 나타나는 그라데이션이 두드러지지 않은 것으로 보아, 주어진 기울임 각도에서는 증착된 박막의 두께가 위치에 관계없이 비교적 균일함을 확인할 수 있었다.
다음으로, 이온빔 스퍼터링 법으로 증착한 IZTO박막의저온 결정화 거동을 고찰하기 위해 XRD 측정을 하였으며 결과를 그림 5에 나타내었다. 먼저 그림 5(a)를 보면 33° 부근에서 피크가 보이기는 하지만 반도성 IZTO 박막을 증착하지 않은 SiO₂/Si인 기판에서도 같은 위치에서 피크가 나오는 것으로 보아 SiO₂/Si 기판으로부터 나온 회절 피크라는 것을 확인할 수 있다.
증착된 박막의 결정화 정도를 파악하기 위해 XRD 회절기(Rigaku, D-500)를 이용하여 회절 패턴을 분석하였다. 또한 증착조건에 따른 광 투과도와 에너지 밴드갭에 변화가 있는지 알아보기 위하여 UV-VIS 분광기(Thermo, GENESYS 10S)를 사용하였다.
단차 측정기를 이용한 두께의 측정 시에는 그림 3에 나타낸 바와 같이 8군데 구역에서 두께 변화를 측정하였다. 또한, 증착온도 변화에 따른 결정화 거동 관찰을 위하여 이온빔 스퍼터로 증착 시 기판 홀더에 장착된 히터를 이용하여 증착 시 기판의 온도를 실온(RT), 100℃, 200℃, 300℃로 고정하여 증착하였다. 본 연구에서 증착온도를 300℃ 이상으로 증가시키지 않은 주된 이유는 IZTO 산화물 반도체 박막이 지향하는 응용분야가 궁극적으로는 유연기판에 TFT를 구현하기 위한 것이기 때문이다.
특히, 본연구에서는 선행연구에서 수행하지 않았던 이온빔과 타깃의 기울임 각도 변화에 따른 IZTO 박막의 두께 균일성을 고찰하고자 하였으며, 그림 2에 나타낸 바와 같이 이온빔과 타깃 홀더와의 각도(θ)를 ‘타깃의 기울임 각도’라고 정의하였다. 본 실험에 사용된 증착장비에서는 타깃 홀더와 연결된 외부 회전체를 조절하여 연속적으로 각도에 변화를 줄 수 있도록 설계되어 있다. 본 연구에서는 타깃의 기울임 각도를 40°, 44°, 46°, 48°, 50°로 선정하여 두께의 균일성을 광학 이미지와 단차측정기(Bruker, DektakXT-A)를 통하여 관찰하고자 하였다.
본 실험에 사용된 증착장비에서는 타깃 홀더와 연결된 외부 회전체를 조절하여 연속적으로 각도에 변화를 줄 수 있도록 설계되어 있다. 본 연구에서는 타깃의 기울임 각도를 40°, 44°, 46°, 48°, 50°로 선정하여 두께의 균일성을 광학 이미지와 단차측정기(Bruker, DektakXT-A)를 통하여 관찰하고자 하였다. 단차 측정기를 이용한 두께의 측정 시에는 그림 3에 나타낸 바와 같이 8군데 구역에서 두께 변화를 측정하였다.
얻을 수 있음을 알 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로 기판온도 의존성을 알아보고자 하는 연구에서는 타깃 기울임 각도(θ)를 46°로 고정하여 박막시편을 증착하였다.
전기적 특성 분석에는 4-point probe와 Hall effect measurements (Ecopia, HMS-3000)를 이용하였으며, 면저항, 캐리어 농도, Hall 이동도, 비저항, 전기전도도 등을 계산하였다. 증착된 박막의 결정화 정도를 파악하기 위해 XRD 회절기(Rigaku, D-500)를 이용하여 회절 패턴을 분석하였다.
계산하였다. 증착된 박막의 결정화 정도를 파악하기 위해 XRD 회절기(Rigaku, D-500)를 이용하여 회절 패턴을 분석하였다. 또한 증착조건에 따른 광 투과도와 에너지 밴드갭에 변화가 있는지 알아보기 위하여 UV-VIS 분광기(Thermo, GENESYS 10S)를 사용하였다.
5 cm)을 1, 2번 위치에는 유리 기판(corning eagle glass), 3, 4번 위치에는 실리콘 기판(n⁺⁺-Si wafer)을 부착하여 증착 실험을 진행하였다. 특히, 본연구에서는 선행연구에서 수행하지 않았던 이온빔과 타깃의 기울임 각도 변화에 따른 IZTO 박막의 두께 균일성을 고찰하고자 하였으며, 그림 2에 나타낸 바와 같이 이온빔과 타깃 홀더와의 각도(θ)를 ‘타깃의 기울임 각도’라고 정의하였다. 본 실험에 사용된 증착장비에서는 타깃 홀더와 연결된 외부 회전체를 조절하여 연속적으로 각도에 변화를 줄 수 있도록 설계되어 있다.

대상 데이터

증착조건은 이온빔 소스의 운영 매뉴얼을 참고하여 표 1에 정리한 것과 같이 선정하였다. 기판홀더는 지름이 7 cm이며, 그림 1에 나타낸 바와 같이 총 4개의 조각 기판(1.5 cm × 1.5 cm)을 1, 2번 위치에는 유리 기판(corning eagle glass), 3, 4번 위치에는 실리콘 기판(n⁺⁺-Si wafer)을 부착하여 증착 실험을 진행하였다. 특히, 본연구에서는 선행연구에서 수행하지 않았던 이온빔과 타깃의 기울임 각도 변화에 따른 IZTO 박막의 두께 균일성을 고찰하고자 하였으며, 그림 2에 나타낸 바와 같이 이온빔과 타깃 홀더와의 각도(θ)를 ‘타깃의 기울임 각도’라고 정의하였다.
특히, 3 eV보다 큰 밴드 갭 에너지를 가지는 경우가 대부분이고 가시광선을 투과시키는 좋은 특징을 가지고 있어서 태양전지, 평판디스플레이 및 터치 패널에 널리 사용되고 있다. 본 연구에서는 산화물 반도체 중에서도 박막 트랜지스터용 반도체 조성으로 보고된 In:Zn:Sn=40:50:10의 In-Zn-Sn-O (이하, IZTO)계 3성분계 산화물 조성을 이용하였다 [1-3]. 이 시스템의 세라믹 및 박막에 대한 선행연구는 많이 있었지만, 디스플레이 소자 적용에 맞게 비정질박막에 대한 연구가 대부분이며 이온빔 스퍼터링 법을 이용한 a-IZTO 반도체 박막의 결정화에 따른 물성 변화 연구는 보고되지 않았다 [1-6].

이론/모형

특성 변화에 대해 조사하였다. 증착용 이온빔 소스로는 cold-hollow cathode 방식 소스(러시아 Platar사, KLAN-53)를 사용하였으며. 증착조건은 이온빔 소스의 운영 매뉴얼을 참고하여 표 1에 정리한 것과 같이 선정하였다.

성능/효과

결과를 그림 5에 나타내었다. 먼저 그림 5(a)를 보면 33° 부근에서 피크가 보이기는 하지만 반도성 IZTO 박막을 증착하지 않은 SiO₂/Si인 기판에서도 같은 위치에서 피크가 나오는 것으로 보아 SiO₂/Si 기판으로부터 나온 회절 피크라는 것을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 증착 시 기판온도를 실온(RT)에서 최대 300℃ 까지 변화하였으며, 증착된 IZTO 박막은 어떤 경우에도 결정화되지 않은 비정질상태임이 확인되었다.
그러나 증착 시 기판온도 증가에 따라서, 박막의 두께가 증가함은 물론 광투과도도 증가하였으며, 밴드갭 에너지도 증가함을 알 수 있었다. 이 결과를 전기적 특성 분석 결과와 결부하여 해석하면 밴드갭 에너지의 증가는 캐리어농도 증가에 따른 Moss-Burstein 효과로 해석된다.
수 있다. 또한, 그림 7을 보면 반도성 IZTO 박막의 가시광선 대역 광투과도는 증착 시 기판의 온도가 실온에서 300℃로 증가함에 따라 약 53%에서 61% 로 약간 증가함을 확인하였다(550 nm에서의 측정값). 이 결과는 XRD 분석 결과로는 설명할 수 없으나, 유사한 비정질 박막의 경우 증착온도 및 어닐링 온도의 증가에 따라 박막이 보다 치밀해짐으로써 광 투과도가 증가하는 것이 보고된 것과 같은 결과로 보인다 [13].
또한, 증착 시 기판온도를 실온에서 300℃까지 증가시켰을 때 박막이 결정화되는지를 고찰한 결과 이 온도 범위에서는 반도성 IZTO 박막이 결정화되지 않고 비정질 상태로 증착됨이 XRD 회절패턴 분석을 통하여 확인되었다. 그러나 증착 시 기판온도 증가에 따라서, 박막의 두께가 증가함은 물론 광투과도도 증가하였으며, 밴드갭 에너지도 증가함을 알 수 있었다.
먼저 그림 5(a)를 보면 33° 부근에서 피크가 보이기는 하지만 반도성 IZTO 박막을 증착하지 않은 SiO₂/Si인 기판에서도 같은 위치에서 피크가 나오는 것으로 보아 SiO₂/Si 기판으로부터 나온 회절 피크라는 것을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 증착 시 기판온도를 실온(RT)에서 최대 300℃ 까지 변화하였으며, 증착된 IZTO 박막은 어떤 경우에도 결정화되지 않은 비정질상태임이 확인되었다. 또한, 동일한 증착조건에서 기판만 실리콘 웨이퍼에서 유리 슬라이드로 바꾸어서 증착하였을 때에도 박막은 비정질임이 확인되었다[그림 5(b) 참조].
연구 결과 실온에서 증착하였을 때 위의 각도 범위에서는 각도 변화에 크게 상관없이 100 nm 내외의 비슷한 두께를 가지는 IZTO 박막을 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
5 cm (가로 × 세로)인 기판 위에 증착된 반도성 IZTO 박막 시편의 두께 변화를 육안으로관측하기 위하여 광학이미지를 타깃 기울임 각도(θ) 변화에 따라 살펴보았다. 이 결과, θ 값을 40°, 44°, 46°, 48°, 50°로 변화시킴에 따라서, 박막 두께의 미세한 변화에 따라 간섭색이 서로 다른 색을 나타내고는 있지만, 같은 시편의 경우에는 기판에 균일하게 증착되지 않았을 때 나타나는 그라데이션이 두드러지지 않은 것으로 보아, 주어진 기울임 각도에서는 증착된 박막의 두께가 위치에 관계없이 비교적 균일함을 확인할 수 있었다.
그러나 증착 시 기판온도 증가에 따라서, 박막의 두께가 증가함은 물론 광투과도도 증가하였으며, 밴드갭 에너지도 증가함을 알 수 있었다. 이 결과를 전기적 특성 분석 결과와 결부하여 해석하면 밴드갭 에너지의 증가는 캐리어농도 증가에 따른 Moss-Burstein 효과로 해석된다.
이러한 실험결과를 종합하면, 본 연구에서 사용한 이온빔 스퍼터를 사용하면 타깃 기울임 각도(θ)가 40~ 50° 범위에서 변화하였을 때 각도 변화에 크게 상관없이 100 nm 내외의 비슷한 두께를 가지는 IZTO 박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로 기판온도 의존성을 알아보고자 하는 연구에서는 타깃 기울임 각도(θ)를 46°로 고정하여 박막시편을 증착하였다.

참고문헌 (16)

I. Noviyana, A. D. Lestari, M. Putri, M. S. Won, J. S. Bae, Y. W. Heo, and H. Y. Lee, Materials, 10, 702 (2017). [DOI: https://doi.org/10.3390/ma10070702]

상세보기
A. D. Lestari, I. Noviyana, M. Putri, Y. W. Heo, and H. Y. Lee, J. Nanosci. Nanotechnol., 19, 1686 (2019). [DOI: https://doi.org/10.1166/jnn.2019.16251]

상세보기
A. D. Lestari, M. Putri, Y. W. Heo, and H. Y. Lee, J. Nanosci. Nanotechnol., 20, 252 (2020). [DOI: https://doi.org/10.1166/jnn.2020.17222]

상세보기
R. N. Bukke, C. Avis, M. N. Naik, and J. Jang, IEEE Electron Device Lett., 39, 371 (2018). [DOI: https://doi.org/10.1109/LED.2018.2791633]

상세보기
Y. Zhang, H. Zhang, J. Yang, X. Ding, and J. Zhang, IEEE Trans. Electron Devices, 66, 5170 (2019). [DOI: https://doi.org/10.1109/TED.2019.2949702]

상세보기
I. H. Baek, J. J. Pyeon, S. H. Han, G. Y. Lee, B. J. Choi, J. H. Han, T. M. Chung, C. S. Hwang, and S. K. Kim, ACS Appl. Mater. Interfaces, 11, 14892 (2019). [DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.9b03331]

상세보기
J. Sheng, T. H. Hong, D. H. Kang, Y. Yi, J. H. Lim, and J. S. Park, ACS Appl. Mater. Interfaces, 11, 12683 (2019). [DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.9b02999]

상세보기
J. W. Park, S. W. Han, N. Jeon, J. Jang, and S. Yoo, IEEE Electron Device Lett., 29, 1319 (2008). [DOI: https://doi.org/10.1109/LED.2008.2005737]

상세보기
R. S. Sonawane, S. G. Hegd e, and M. K. Dongare, Mater. Chem. Phys., 77, 744 (2003). [DOI: https://doi.org/10.1016/S0254-0584(02)00138-4]

상세보기
H. K. Park, J. A. Jeong, Y. S. Park, H. K. Kim, and W. J. Cho, Thin Solid Films, 517, 5563 (2009). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2009.02.138]

상세보기
C. Y. Koo, K. J. Kim, K. H. Kim, and H. Y. Lee, J. Korean Ceram. Soc., 37, 1025 (2000).
J. M. Park, J. Y. Lee, H. Y. Lee, and J. B. Park, Trans. Electr. Electron. Mater., 11, 266 (2010). [DOI: https://doi.org/10.4313/TEEM.2010.11.6.266]

원문보기 상세보기
J. A. Lee, Y. W. Heo, J. H. Lee, H. Y. Lee, and J. J. Kim, J. Nanoelectron. Optoelectron., 12, 598 (2017). [DOI: https://doi.org/10.1166/jno.2017.2054]

상세보기
Y. S. Kim, W. J. Hwang, K. T. Eun, and S. H. Choa, Appl. Surf. Sci., 257, 8134 (2011). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2011.04.123]

상세보기
Y. D. Ko, C. H. Lee, D. K. Moon, and Y. S. Kim, Thin Solid Films, 547, 32 (2013). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.05.069]

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K. H. Kim, M. Putri, H. J. Lee, C. Y. Koo, J. A. Lee, J. J. Kim, and H. Y. Lee, J. Nanoelectron. Optoelectron., 10, 541 (2015). [DOI: https://doi.org/10.1166/jno.2015.1798]

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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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