초고진공 고주파 마그네트론 스퍼터링 방법으로 제작된 아연주석산화물 박막 트랜지스터 = Thin film transistors with zinc tin oxide (ZTO) channel layer deposited by ultra-high vacuum RF magnetron sputtering method

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 차세대 박막 트랜지스터 (TFT; Thin Film Transistor) 재료로 손 꼽히는 산화물 반도체 (Oxide Semiconductor) 물질 중 하나인 아연주석산화물 (ZTO; Zinc Tin Oxide) 박막의 광학적, 전기적 특성을 분석하고 ZTO 박막을 이용하여 TFT를 제작하여 전기적 특성을 평가하였다.
ZTO 박막은 초고진공 고주파 마그네트론 스퍼터링 방법을 이용하여 제작하였으며, ZTO 박막의 주석의 함량에 따른 전기적 특성에 대해 알아보기 위해 각각의 아연 산화물(ZnO) 타겟과 주석 산화물(SnO2) 타겟을 이용하여 코스퍼터링 방법으로 박막을 증착하였다. 아연 산화물 타겟의 스퍼터링 파워는 50 W로 고정한 상태에서 주석 산화물 타겟의 파워를 15 W에서부터 90 W까지 10 W씩 증가시키며 박막을 증착하였다. ZTO 박막의 증착은 상온에서 이루어졌으며 그 두께는 95 nm 정도가 되도록 증착하였다. 증착된 ZTO 박막은 furnace를 이용하여 300 ℃, 450 ℃, 600 ℃에서의 후열처리를 하였으며 이에 따른 박막 특성의 변화를 관찰하였다
SnO¬2 타겟에 가한 스퍼터링 파워가 35 W인 조건(Zn:Sn:O=0.46:0.14:0.40)에서 증착된 ZTO 박막의 Hall 측정 결과 Hall 이동도는 9.74 cm^2/V∙s 였으며, 저항은 1.25×〖10〗^3 Ω∙cm 였다. Sapphire 기판 위에 증착된 ZTO 기판의 투과도와 optical bandgap은 UV-Vis Spectroscopy를 통해 측정하였으며 가시광 영역에서 85 % 이상의 투과도를 나타냈으며 3.3 eV 정도의 optical bandgap을 관찰할 수 있었다. TFT는 back gate 구조로 제작하였으며 이때 source와 drain 전극은 알루미늄을 사용하였다. 주석 산화물(SnO2) 타겟에 인가한 스퍼터링 파워가 25 W(Zn:Sn:O=0.49:0.11:0.40)인 조건에서 제작한 ZTO 박막을 channel layer로 하는 TFT의 이동도는 19.1 cm^2/V∙s 이었으며 on-off ratio는 104 정도 되었다.
본 연구를 통해서 이루어진 ZTO를 channel layer로 하는 TFT는 indium을 사용하지 않고도 높은 이동도를 가진다는 점과 투명하다는 점에서 차세대 전자 소자 재료로써 가능성을 확인할 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

We have investigated thin film transistors (TFTs) with zinc tin oxide (ZTO) channel layer fabricated by using an ultra-high vacuum radio frequency sputter. ZTO thin films were grown at room temperature by co-sputtering of ZnO and SnO2, which applied power for SnO2 target was varied from 15 W to 90 W under a fixed sputtering power of 70 W for ZnO target. A post-annealing treatment to improve the film quality was done at temperature ranges from 300 to 600 ℃ by using the electrical furnace. The ZTO thin films showed good electrical and optical properties such as Hall mobility of more than 9.74 cm2/Vs, specific resistivity of about 1.25x103 cm at ZnO target sputtering power 35 W sample (Zn:Sn:O=0.46:0.14:0.40), and optical transmittance of 85 % in visible light region by optical bandgap of 3.3 eV. The ZTO TFT with an excellent performance of channel mobility of 19.1 cm2/Vs and on-off ratio (Ion/Ioff) of 104 was obtained from the films grown with SnO2 target power of 25 W(Zn:Sn:O=0.49:0.11:0.40) and post-annealed at 450 ℃. This result showed that ZTO film is promising on application to a high performance transparent TFTs.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 목 차 ............................................................................................. ⅰ
• 그림 목차 ............................................................................................. ⅲ
• 표 목차 ………………………………………………………………………… Ⅴ
• 국문 요지 ............................................................................................. ⅵ
• 제 1 장 서 론 ...................................................................................... 1
• 제 2 장 배 경 ...................................................................................... 4
• 2.1 Oxide Semiconductor ...................................................... 4
• 2.1.1 Oxide Semiconductor의 특성 ................................. 4
• 2.1.2 Zinc Oxide (ZnO) .................................................... 7
• 2.1.3 Tin Oxide (SnO2, SnO) ........................................... 11
• 2.1.4 Zinc Tin Oxide ......................................................... 16
• 2.2 Oxide Thin Film Transistor ........................................... 18
• 2.2.1 Oxide TFT의 역사 .................................................. 18
• 2.2.2 Oxide TFT의 구조 .................................................. 20
• 2.2.3 Oxide TFT의 Ohmic 접합 ...................................... 23
• 2.2.4 Short Channel Effect of oxide TFT ....................... 25
• 2.3 Ultra-High Vacuum Radio Frequency magnetron sputtering method ........................................................... 28
• 2.3.1 Sputtering의 개념 ................................................... 28
• 2.3.2 플라즈마 ................................................................... 32
• 제 3 장 실 험 ...................................................................................... 33
• 3.1 박막 증착 방법 및 조건 ................................................... 33
• 3.2 ZTO TFT 제작 ................................................................ 36
• 3.3 ZTO 박막 및 TFT 특성 평가 ......................................... 38
• 제 4 장 실험 결과 ............................................................................... 39
• 4.1 결정성 측정 결과 ............................................................. 39
• 4.2 표면 및 성분 측정 결과 ................................................... 41
• 4.3 광학적 특성 측정 결과 ..................................................... 44
• 4.4 전기적 특성 측정 결과 ..................................................... 47
• 4.4.1 Hall 측정 결과 ......................................................... 47
• 4.4.2 TFT I-V 측정 결과 ................................................ 49
• 제 5 장 결 론 ..................................................................................... 55
• 참고 문헌 ............................................................................................. 57
• ABSTRACT ......................................................................................... 60