ALD로 증착한 zinc tin oxide (ZTO) 박막의 특성에 미치는 증착 온도의 영향 및 이를 적용한 박막 트랜지스터의 동작 특성 연구

Abstract

본 연구에서는 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)을 이용하여 증착한 ZTO 박막 및 ZTO 박막을 채널막으로 사용하는 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor, TFT) 소자를 제작하여 이들의 물리적 특성 및 전기적 특성을 평가하였다. ALD는 각 원소 별 서브사이클(sub cycle)의 횟수를 달리하여 박막의 조성을 원하는 대로 정밀하게 조절할 수 있다는 장점이 있어 물질의 조성이 전기적 특성에 큰 영향을 주는 다성분계 산화물 반도체를 증착하는데 매우 적합한 공정이며, 우수한 conformality 특성을 가지므로 큰 단차를 가지는 구조에 균일하고 얇은 두께의 박막을 형성할 수 있다는 장점(high step coverage)이 있어 3차원의 구조의 차세대 반도체 소자의 제작에도 유리하다. ALD를 이용한 ZTO 박막의 증착은 ZnO 박막과 SnO2 박막을 증착하는 서브사이클로 구성되는 하나의 슈퍼 사이클을 여러 번 반복 시행함으로써 얻어지는데, 이 때 ZnO 박막과 SnO2 박막 각각의 서브사이클 시행 횟수 및 슈퍼 사이클 시행 횟수를4 조절하여 원하는 Zn:Sn 조성비 및 원하는 두께를 가지는 ZTO 박막을 형성할 수 있었다. TFT 채널막으로서 가장 우수한 특성을 보인다고 알려진 Zn:Sn 조성인 1:1 조성의 박막을 증착 온도를 달리하여 증착하였고, 열처리에 따른 박막의 물성 변화를 다양한 분석법을 사용하여 분석하였다. 증착된 ZTO 박막은 증착 온도와 관계없이 우수한 균일도와 낮은 불순물 함량을 나타내었고, 증착 온도가 높을수록 높은 밀도의 우수한 박막이 형성됨을 확인할 수 있었다. 150 ℃에서 증착한 ZTO 박막은 매우 porous한 구조를 가짐이 XRR 및 AFM, SEM 측정을 통해 확인되었다. 또한 ZTO 박막을 채널막으로 하는 TFT를 photo lithography 공정을 통해 제작하였으며, 증착 온도 및 열처리 유무에 따른 TFT의 전달 특성을 평가하였다. 제작된 TFT의 전기적 특성은 250 ℃에서 증착하고 열처리를 거친 ZTO 박막을 사용하였을 때 24.5 cm2/Vs 의 전계 이동도를 나타내며 우수한 특성을 나타낸 반면, 150 ℃ 에서 증착하고 열처리한 ZTO 박막을 적용한 TFT는 ~1 cm2/Vs 의 포화 이동도를 보이며 좋지 않은 특성을 나타내었다. 채널막 증착 온도 150 ℃ 조건의 ZTO TFT의 이동도 저하 현상은 박막 내에 존재하는 pore에 의한 전기 전도도 감소에 기인하는 것으로 분석되었으며, 이를 percolation 이론을 통해 설명할 수 있었다.