원자층 증착법을 이용한 산화아연계 화합물 반도체 박막 특성에 관한 연구

Abstract

현재 디스플레이 산업에서 기존의 비정질 실리콘이나, 저온다결정 실리콘, 유 기물질을 기반으로 한 박막트랜지스터의 낮은 전계효과 이동도를 비롯한 광학적 민감성이나 불투명성 등의 문제점을 보이고 있어서 ZnO 박막을 이용한 투명 박 막트랜지스터는 높은 이동도와 투과도를 갖기 때문에 차세대 디스플레이 산업에 있어서 중요한 물질로 각광받고 있다. 그리고 상온에서 다결정 박막의 증착이 가 능하여 여러 가지 기판으로의 응용이 가능하므로 flexible display나 OLED 처럼 낮은 온도에서 제작이 가능하고 높은 전류밀도를 필요로 하는 차세대 디스플레 이로의 응용에 매우 적합하여 최근 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 ZnO 박 막을 이용한 투명 박막 트랜지스터는 보고되고 있는 대부분의 결과들이 다결정 임에도 불구하고 비교적 낮은 이동도를 가지며, 낮은 on/off ratio, 부적절한 문 턱전압, 그리고 투과도 등의 문제점을 보이고 있어서 아직 몇 가지 문제점을 안 고 있다. 따라서 본 연구에서는 높은 투과도를 가지며 빠른 이동도와 높은 on/off ratio, 그리고 적절한 문턱전압 등의 디바이스 특성들을 고루 만족시키기 위한 고성능 ZnO와 ZnO related material 분야에서 투명 박막 트랜지스터의 active channel layer역할을 할 수 있는 박막의 특성평가에 관하여 논의하고자 한다. 먼저, 트랜지스터의 핵심인 채널 층으로서 ZnO 박막과 ZnO/ZnS 혼합물박막 을 thermal traveling wave type ALD (원자층 증착법)으로 증착하였다. 이 기술 은 정확한 두께 조절과 함량 조절이 가능하고, 뛰어난 균일성과 재현성을 가진 박막의 증착이 가능하다. 뿐만 아니라, 기존의 증착 방식보다 낮은 온도에서 증 착이 가능하고 뛰어난 높은 종횡비를 가지는 물리적, 화학적으로 우수한 박막을 얻을 수 있다. ALD 방법이 기존의 증착방법과 확연히 구별되는 차이점은 source 와 반응가스를 분리하여 순차적으로 공급하고 두 가스의 주입공정 사이에 purge 가스 공정을 넣어주어 source와 반응가스의 기상반응을 억제할 수 있으며, 공정 이 기본적인 cycle의 반복으로 구성하어 있어 cycle의 횟수에 의해 두께가 조절 되므로 초박막의 두께도 정확하게 조절할 수 있다. 또한 기판 표면에서의 화학적 흡착과 탈착특성에 크게 의존하는 공정으로 화학적 흡착에 의한 self-limiting mechanism에 의해 높은 종횡비를 가지는 패턴이나 넓은 면적에 균일한 박막을 증착할 수 있는 장점이 있다. 박막 트랜지스터 적용에 가장 최적화된 조건을 결 정하기 위하여 chalcogen element의 혼합비율과 증착온도를 조절하였고 증착된 각각의 박막에 대하여 특성평가를 실시하였다. 또한, ZnO 박막과 ZnO/ZnS 혼합 물박막(mixture films)의 전기적 특성을 비롯한 결정성 연구를 위하여 급속 열처 리를 실시하였고 이에 대한 특성변화에 대하여 논의하였다. 원자층 증착법으로 증착한 ZnO와 ZnS 박막의 물리적, 화학적, 전기적 특성 분석하여, 증식형 (enhancement mode)로 동작할 수 있고 높은 전계효과 이동 도를 가질 수 있는 투명 박막 트랜지스터의 채널 layer로서의 특성을 보이는지 확인하였으며, 박막 특성 개선을 위하여 ZnO와 ZnS 박막의 혼합 비율에 따른 특성 평가 및 ZnO 박막의 원자층 증착 공정 온도 별 특성 평가를 진행하여 최 적화된 공정 조건을 확보하였다. 마지막으로, 위 실험들을 통하여 얻어낸 최적화된 조건들을 토대로 하부 게이 트 형식의 트랜지스터를 제작, 평가하였다. 이렇게 SiO₂층을 gate insulator 물 질로 적용하여 제작된 ZnO 박막 트랜지스터는 증식형 (enhancement mode)의 동작을 하였으며, 1~2 cm2/Vs의 전계효과 이동도, 그리고 105 대의 on/off ratio 를 갖는 특성을 보였다. 본 실험에서는 고성능의 ZnO 박막트랜지스터를 제작하기 위해 channel layer 로서의 여러 가지 특성평가와 접근을 시도하였고, 이를 통하여 특성을 만족하는 ZnO 투명 박막 트랜지스터를 성공적으로 제작할 수 있었다. 이것은 낮은 공정 온도와 고성능을 요구하는 OLED와 flexible display와 같은 차세대 디스플레이와 새롭게 각광받고 있는 투명 일렉트로닉스 관점에서 매우 주목할 만한 결과라고 할 수 있다.; Mixed thin films of ZnO and ZnS were deposited by Atomic layer deposition (ALD) to achieve the film properties for active channel materials, and the characteristics of ZnO, ZnS and their mixed films with various composition ratios were examined. Chemical bond states of the mixed films consisted with ZnO and ZnS phases showed no sulfates or sulfites phases. The structures of ZnO and ZnS film exhibited wurtzite hexagonal crystalline structure. However, the mixed films did not show any specific preferred orientation because of amorphous character of mixed films due to the large lattice mismatch between ZnO and ZnS film. The ZnO thin film showed low resistivity with higher carrier concentration up to ~1019 cm-3 than the ZnS thin film which showed ~1012 cm-3 carrier concentration. The mixed films exhibited carrier concentration ranges of 1015~ 1018 cm-3 and resisivity ranges of 102 ~ 103 Ω∙ cm depending on the compositional variations, and there were no significant changes in electrical properties of the mixed films depending on the post heat treatments. ZnO thin films were also deposited at various process temperatures. The process temperature was varied from 70℃ to 250℃ at several increments while the other process parameters were fixed. At the process temperatures of 70℃ and 90℃, the ZnO thin films showed strong (002) preferred orientations with cylindrical fine columnar crystal structures, almost a 1:1 stoichiometric chemical ratio of Zn to O, and n-type carrier concentrations in the range of 1016 cm-3 with resistivities of 0.1-1 Ω∙ cm. ZnO thin films deposited at temperatures higher than 110℃ had wedge-shaped crystal structures, high oxygen deficiencies, and higher n-type carrier concentrations up to 1020 cm-3 than the films deposited at lower temperatures. We fabricated the thin film transistor with ZnO(90℃) channel layer, and it showed field effect mobility value of 1~2 cm-2/Vs, on/off ratio value of 105, and low off-current with enhancement mode.