X-선 반사율과 스침각 회절을 이용한 ZnO 박막의 물성 분석

Abstract

본 연구에서는 박막 트랜지스터(TFT)의 물리적소자 특성과 박막의 표면 및 계면에서의 결정구조분포간의 상관관계를 확인하기 위하여 고휘도와 에너지가변성을 가지는 방사광 가속기의 X-선을 이용하여 TFT 에 사용되는 ZnO 박막시료의 계면을 결정구조분포를 분석하는 실험을 수행하였다. 전자통신연구소로부터 제공받은 다양한 종류의 ZnO 박막을 포항 방사광 가속기의 빔라인(10C1)을 이용하여 X-선 반사율(XRR)과 스침각 X-선 회절법(GI-XRD)을 활용하여 분석하였다. XRR 의 측정 및 결과 데이터의 Fitting 을 통하여 박막의 정확한 층상 구조를 알 수 있었고, 막의 두께가 예측에서 크게 벗어나지 않았음을 확인할 수 있었다. 또한 증착온도가 높을수록 박막의 두께가 얇아졌고 거칠기는 높아졌다. 이렇듯 XRR 의 관측을 통하여 증착조건의 변화에 따른 박막의 두께변화와 표면과 계면의 거칠기, 박막 형성물질의 밀도변화 등의 정보를 얻을 수 있었다. GI-XRD 를 측정하여 표면과 계면 쪽의 ZnO 결정구조 분포의 정보를 얻을 수 있었다. 기본적으로 계면 쪽에서는 002 상의 분포가 많게 관찰되었으며 표면쪽과 가까울수록 100 상이 많이 분포하는 것으로 측정되었다. 증착 온도에 따라서 계면에서의 상의 분포가 다르게 측정이 되었으며, 증착 횟수(박막의 두께)가 많아짐에 따라 전체적인 상의 분포도가 다름을 측정할 수 있었다. 이를 통하여 증착조건에 따른 계면에서 결정구조의 분포 변화를 알 수 있었고 선호하는 상의 경향성을 분석할 수 있었다.; Characterization of crystal structures and distributions of their orientations at the interfacial region between thin-film and its bulk substrate has been of great interest for many researchers in many areas of science and technology. Due to the importance of understanding the key parameters (e.g., crystallinity, crystal orientation, grain size, defect density and morphology) controlling the performance of devices involving thin-layered films (e.g., thin film transistors, solar cells and display devices), various analytical techniques, such as high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM), secondary ion mass spectrometry (SIMS) and grazing-incidence x-ray analysis (GIXA) methods, have been developed and applied for the characterization of thin films and their interfaces. Among these methods, due to the benefits of GIXA methods, such as senstivity for near surface or buried interface regions, representativeness of collected data and nondestructive nature of x-rays, many GIXA studies are being intensively conducted recently for the study of interfacial regions of various layered materials, such as thin film transitors. In this GIXA study on ZnO thin films, we have demonstrated that the distributions of ZnO crystal orientations at the interfacial region can be quite different from those of bulk ZnO films. In the case of bulk ZnO film grown by ALD method at lower temperature, ZnO is well known for its preference to grow in (100) direction (<150 oC for PEALD and <400 oC for thermal ALD), but we have found that, for both PEALD and thermal ALD methods at temperature of 100oC, ZnO grow preferencially in (002) direction of the interfacial region with Al2O3. Since the device characteristics of oxide TFT depend on many other physicochemical parameters such as grain size, defect density and crystalinity at the interface, simple prediction or generalization of device characteristics based on this single GIXA experiments is impractical. However, considering capabilities of GIXA methods demonstrated in many other applications (e.g., conjugated polymer TFTs), further systematic studies using GIXA methods on oxide TFTs will facilitate us to characterize key parameters and better understand their relationship with device characteristics of oxide TFTs.