용액공정 산화 알루미늄 게이트 절연막 두께에 따른 IGZO 박막 트랜지스터 효과에 관한 연구

Abstract

산화물 반도체는 높은 이동도, 균일성 그리고 투명성 등 기존의 실리콘 반도체에 비하여 다양한 장점을 가지고 있어 차세대 디스플레이 장치인 유기발광다이오드 (AMOLED)의 구동 소자 재료로 각광을 받고 있다. 이 산화물 박막 트랜지스터 (oxide thin film transistors)를 제작하는 방법에는 진공공정과 비진공공정으로 구분할 수 있는데 여기서 비진공공정을 흔히 용액공정이라 한다. 이 용액공정을 이용하여 박막 트랜지스터를 제작하면 진공공정에 필요한 고가의 장비가 필요 없기 때문에 낮은 가격에 대면적, 대량생산이 가능 해진다. 이러한 장점으로 인하여 현재 용액공정에 대한 활발한 연구가 진행 중이다. 본 논문에서는 전 용액공정 박막 트랜지스터의 제작을 목적으로 박막 트랜지스터를 구성하는 채널 층, 소스/드레인 전극, 게이트 절연막을 각 각 용액공정을 이용하여 제작하였다. 용액공정은 스핀코팅, 잉크젯 프린팅 등 다양한 방법이 있지만 위 실험에서는 모두 스핀코팅 방법을 이용하였다. 채널 층은 기존의 indium gallium zinc oxide (IGZO)가 높은 가격의 단점을 가지고 있기 때문에 그것에 비해 상대적으로 저렴하고 용액 제작도 간단한 zinc tin oxide (ZTO)를 이용하였다. 소스/드레인 전극은 Ag 을 선택하였다. Ag 은 가장 낮은 저항을 가진 물질이며 상대적으로 낮은 온도 (120 ~ 200 ) 에서 막 증착이 가능하고 추가적인 annealing 이 필요 없다는 장점이 있기 때문에 전극 물질로 많이 활용된다. Ag 막의 저항을 줄이기 위해서 온도 별 막 증착 실험을 하였으며 소자의 특성에 최적화 시킬 수 있는 온도를 찾아 내었다. 게이트 절연막은 aluminum oxide (Al2O3)를 이용하였다. Al2O3 는 기존의 게이트 절연막인 실리콘 옥사이드 (SiO2)보다 높은 유전율 (high-k)을 가지고 있어 저전압 구동이 가능하고 다른 높은 유전율을 가지는 물질 보다 밴드 갭 (band gap)이 커서 절연 특성 또한 우수하다. 이러한 특성을 가지는 Al2O3 를 스핀코팅을 1 ~ 5 회 반복하는 멀티코팅을 이용하여 증착 하였다. 이 실험에서는 박막 트랜지스터에 최적화된 Al2O3 의 멀티코팅 횟수를 구하기 위해서 각 멀티코팅 횟수 별 막의 특성을 분석 하고 소자 특성 또한 비교해 보았다. 막을 분석하는데 있어 각 막들의 정전용량 (capacitance) 을 측정하여 유전율을 구하고 절연특성의 지표가 되는 누설전류도 측정해 보았다. 또한 멀티코팅 용액공정 게이트 절연막을 이용한 IGZO 박막 트랜지스터를 제작하여 각 소자의 특성을 비교하고 소자에 최적화된 멀티코팅 횟수를 도출 및 분석하였다. 위 실험에서 주목할 만한 점은 멀티코팅 횟수에 따라 Al2O3 절연막의 유전율이 감소한다는 것이다. 진공공정 방식에서는 있을 수 없는 현상 이지만 비진공공정인 멀티코팅 공정의 과정을 생각하면 가능한 현상이라 사료된다. 이것을 증명하기 위하여 SIMS (secondary ion mass spectrometry)분석을 통하여 멀티코팅 중 생길 수 있는 각 절연막 사이의 불순물을 확인하고 막의 밀도를 간접적으로 비교 하였다.