Control of electric characteristic of atomic layer deposited Al-doped SnO2 using annealing process

Abstract

Metal-oxide semiconductor are used for variety application such as thin film transistor (TFTs) channel layer due to wide band gap and high carrier mobility, low process temperature. In2O3, InGaZnO thin films are known as an oxide film with n-type characteristics, but in the case of Indium (In), it is difficult to mass-produce due to rare element. For this reason, SnO2 thin films are being studied recently. Tin (Sn) is an element adjacent to In in the periodic table, and has an electron structure with excellent electrical characteristics similar to In, and has the advantage of being able to mass-produce because there is a large amount on earth. However, in the case of SnO2 thin films, the on/off current ratio tends to reduce due to high conductivity. To solve this problem, research is being conducted to lower the oxygen vacancy concentration by doping Al (aluminum) in SnO2 thin film. We deposited Al doped SnO2 thin film using Atomic layer deposition (ALD) & ozone(O3) reactant and then conducted a study to improve electrical properties through annealing process. The single Al2O3 doping layer (1cycle) inserted middle of SnO2 thin film. The annealing process was conducted at 300, 400, and 500 ℃ in an air atmosphere for 1hour. Auger electron spectroscopy (AES) confirmed that Al was doped in SnO2 thin film. In X- ray photoelectron spectroscopy (XPS), it was confirmed that as the annealing process temperature increased, the oxygen vacancy concentration in the SnO2 thin film decreased. As a result of IV analysis and hall measurement analysis, the Al-doped SnO2 thin film annealed 500 ℃ obtained the better on/off current ratio (1.82 X 106 ) and mobility values (1.56). That is, it could be seen that when Al is doped in the middle of SnO2 and annealed at 500 ℃, it has the better channel layer characteristics than as-dep SnO2 thin film.|금속 산화물 반도체는 넓은 밴드갭과 높은 캐리어 이동도, 낮은 공정 온도로 인해 박막트랜지스터 채널층과 같은 다양한 응용분야에 사용된다. 인듐을 사용하는 박막은 N형 특성이 좋은 물질로 알려져 있지만, 인듐은 희소원소로 인행 대량 생산이 어렵다. 이러한 이유로 최근에 이를 대체할수 있는 물질로써 SnO2 박막이 연구되고있다. 주석(Sn)은 주기율표상에서 인듐에 인접한 원소로 유사한 전기적특성이 우수한 전자구조를 갖고 있으며, 지구상에 다량이 존재하기 때문에 대량 생산이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 알루미늄이 도핑된 SnO2 박막은 원자층 증착법을 통해 측정표본으로 만들었으며, 어닐공정을 통해 전기적 특성을 향상시킬수 있는지에 대한 연구를 진행하였다. 어닐 공정은 대기상태에서 300도, 400도, 500도로 약 1시간을 진행하였다. 우선 AES(Auger electron spectroscopy)를 통해 SnO2 박막내에 알루미늄이 정상적으로 도핑이 되었음을 확인하였고, X선 광전자 분광법을 이용하여, 어닐의 공정온도가 증가할수록 SnO2 박막내 산소 결손 농도가 감소함을 확인하였다. IV 분석 및 홀 측정 분석결과, 고온에서 열처리된 알루미늄이 도핑된 SnO2 박막이 더 나은 온/오프 전류비와 이동도 값을 보였다. 따라서 알루미늄을 도핑하고, 열처리를 진행한 SnO2 박막이 as-dep 상태의 SnO2 박막보다 채널층 특성이 우수함을 알 수 있다.