DC sputtering 을 이용한 SnOx 기반의 산화물 박막 트랜지스터 특성 연구

Abstract

최근에 디스플레이의 채널층으로 사용되고 있는 비정질 실리콘의 경우 낮은 이동도와 불투명한 특성으로 인하여 대면적 디스플레이나 투명 디스플레이 등의 차세대 디스플레에이에 적요하는 소자로는 적합하지 않다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 산화물 반도체로 ZnO, SnO2, In2O3, IGZO와 같은 물질들이 연구가 되고 있다. 본 연구에서는 DC magnetron sputtering 법을 이용하여 증착된 SnO2 기반의 산화물 반도체 박막의 결정학적 및 표면구조, 화학적 및 전기적 특성을 분석하고, 단위 셀에 채널층으로 적용하여 현재 박막 트랜지스터의 채널층으로 사용되는 비정질 실리콘을 대체하여 고성능 트랜지스터 구현을 위한 그 가능성을 평가하였다. 저온 공정 개발 및 실제 공정 적용 가능성을 고려하여 기판온도는 상온에서 실험을 진행하였고, 장비의 특성을 고려하여 플라즈마 방전 전력과 공정압력은 0.5 W/cm2 와 5 mTorr로 각각 고정하였다. 산소 분압은 0~60 % 범위로 하여 실험을 진행하였다. SnO2 기반의 산화물 반도체 박막을 트랜지스터의 채널층으로 적용하는데 있어서, 우선 다양한 전기적 특성을 갖는 intrinsic SnO2 (i- SnO2) 박막을 산소 분압의 변화에 따라 형성하였고, 이들을 각각 채널층으로 적용하여 소자 특성 평가 후 채널층 물질로 적합한 경계조건을 확립하였다. 그리고 채널층으로 가능성 평가를 실시하고, 표면구조, 화학적 결합상태 및 전기적 특성을 AFM, XRD, XPS, Hall effect system 분석을 통해 확인하였다. 위 실험들을 통하여 얻어낸 최적화된 조건들을 토대로 하부 게이트 형식의 트랜지스터를 제작, 평가하였다. 또한, Hafnium을 첨가함으로써 박막내에 있는 oxygen vacancy의 형성을 억제하는 역할을 하여 캐리어의 양을 조절하려고 하였다. 이렇게 제작된 HTO 기반의 박막트랜지스터는 i-SnO2 기반의 박막 트랜지스터에 비해 전계효과 이동도가 4배 정도 향상하는 결과가 나왔으며, 107 대의 on/off ratio를 갖는 특성을 보였다.