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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.30 No.4 pp.211-216
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2020.30.4.211

Effect of Sputtering Working Pressure on the Optical and Electrical Properties of InZnO Thin-Film Transistors

Ji-Min Park, Hyoung-Do Kim, Seong Cheol Jang, Hyun-Suk Kim†
Department of Materials Science and Engineering, Chungnam National University, Daejeon 34134, Republic of Korea
Corresponding author E-Mail : khs3297@cnu.ac.kr (H.-S. Kim, Chungnam Nat’l Univ.)
March 12, 2020 April 2, 2020 April 3, 2020

Abstract


Amorphous In-Ga-Zn-O (a-IGZO) thin film transistors, because of their relatively low mobility, have limits in attempts to fulfill high-end specifications for display backplanes. In-Zn-O (IZO) is a promising semiconductor material for high mobility device applications with excellent transparency to visible light region and low temperature process capability. In this paper, the effects of working pressure on the physical and electrical properties of IZO films and thin film transistors are investigated. The working pressure is modulated from 2 mTorr to 5 mTorr, whereas the other process conditions are fixed. As the working pressure increases, the extracted optical band gap of IZO films gradually decreases. Absorption coefficient spectra indicate that subgap states increase at high working pressure. Furthermore, IZO film fabricated at low working pressure shows smoother surface morphology. As a result, IZO thin film transistors with optimum conditions exhibit excellent switching characteristics with high mobility (≥ 30cm2/Vs) and large on/off ratio.



스퍼터링 공정 압력이 InZnO 박막트랜지스터의 광학 및 전기적 특성에 미치는 영향

박 지민, 김 형도, 장 성철, 김 현석†
충남대학교 신소재공학과

초록


    Ministry of Education
    NRF-2019R1I1A2A01064153

    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    최근 디스플레이 산업이 빠르게 성장함에 따라 대면적 및 초고해상도 디스플레이를 위한 고이동도 박막 트랜 지스터의 필요성이 높아지고 있다.1,2) 이에 따라서 비정 질 실리콘 대비 높은 이동도(> 10 cm2/Vs), 높은 투과도 및 대면적에서의 균일성 등의 우수한 특성을 가진 비정 질 산화물 반도체(AOS)는 디스플레이 후면 (backplane) 에서 박막 트랜지스터의 활성층으로 적용하기 위하여 활 발하게 연구되어 왔다.3,4) 그 중에도 In-Ga-Zn-O(IGZO)와 같은 일부 AOS는 고성능의 능동 행렬 유기 발광 다이오 드(active-matrix organic light emitting diode, AMOLED) 디스플레이 구현에 사용되는 등 성공적으로 상용화 되 었다.5,6) 그러나 super high-vision(SHV)과 같은 차세대 디스플레이 구현을 위해서는 더 높은 이동도를 가지는 박막 트랜지스터가 요구되며 이에 따라 새로운 AOS의 개발이 강하게 요구되고 있다.

    이와 관련하여, In-Zn-O(IZO)는 30 cm2/Vs 이상의 IGZO 대비 높은 이동도 및 저온 공정이 가능한 반도체 재료 로써 이러한 차세대 디스플레이의 구현에 적합한 재료 이다. IZO는 In2O3와 ZnO의 화합물로 조성 제어를 통 해 전자 이동도를 쉽게 조절할 수 있다.7-9) 또한 조성 제 어 이외에도 증착 방법, 공정 가스 유량, 기판 온도 및 공정 압력 등 다양한 변수에 의해 그 특성이 조절하기 용이하다.10-12) 따라서 공정 조건을 조절 및 최적화하여 우수한 전기적 특성을 가지는 IZO 기반 박막 트랜지스 터를 제조할 필요가 있다.

    본 연구에서는 IZO 박막 트랜지스터의 공정 압력에 따 른 전기적 특성을 평가하고 그 영향을 분석하였다. IZO 는 고주파 스퍼터링(RF sputtering)으로 증착하였으며, 공 정 압력은 2 mTorr 에서 5 mTorr까지 조절하였다. 스퍼 터링 공정 압력이 증가함에 따라 IZO 박막의 광학 밴 드 갭은 감소하였고 표면 거칠기는 증가하였다. 흡수 계 수 분석을 통해 공정 압력이 증가할수록 박막 내 subgap state 가 증가하여 박막의 품질이 나빠지는 것을 확인하 였다. 최적화된 공정 조건에서 제조한 IZO 박막 트랜지 스터는 높은 전계 효과 이동도(> 30 cm2/Vs) 및 큰 전류 점멸비(> 1010)와 함께 우수한 스위칭 특성을 나타내었다.

    2. 실험 방법

    IZO 박막은 고주파 스퍼터링과 IZO 타겟(In2O3 : ZnO = 85 : 15 at%) 을 이용하여 증착하였으며 그 용도에 따 라 thermally grown SiO2(100 nm)/highly doped p++Si, glass 기판을 이용하였다. 스퍼터링 공정 압력은 2 mTorr 부터 5 mTorr까지 변화시켜 공정 변수를 주었다. 이때 다른 공정 조건인 RF power, Ar : O2 가스 비율 및 박 막의 두께는 각각 50 W, 10 : 1 및 10 nm으로 고정하 였다. 자세한 IZO 박막의 증착 조건은 Table 1에 나타 내었다. 공정 압력에 따라 증착한 IZO 박막은 rapid thermal annealing(RTA)를 이용하여 200 °C에서 1시간동 안 열처리를 진행하였다. 마지막으로 thermal evaporation 을 이용하여 150 nm 두께의 알루미늄(Al) Source 및 Drain 을 증착하였다. IZO 반도체, Al 전극은 쉐도우 마 스크를 사용하여 패터닝 하였으며, 채널 층의 width 와 length 는 각각 800 μm, 200 μm 이다. 제조한 IZO 박 막 트랜지스터의 개략적인 구조 및 광학 이미지는 Fig. 1에 나타내었다.

    IZO 박막의 광학적 특성을 확인하기 위하여, 자외선 가 시광선 분광광도계(transmittance UV-vis spectrometer) 를 사용하여 200 nm에서 1,000 nm의 파장 범위 내에서 투과도를 측정하였다. 표면 거칠기 및 구조 분석은 원 자간력 현미경(atomic force microscopy)을 이용하여 관 찰하였다. 제작된 IZO 박막 트랜지스터의 전기적 특성 은 HP 4156B semiconductor parameter analyzer를 통 하여 암실 및 상온에서 측정되었다.

    3. 결과 및 고찰

    Fig. 2(a), (b)는 유리 기판 위에 10 nm 두께로 증착한 IZO 박막의 공정 압력에 따른 투과율 측정 결과 및 이 를 이용한 광학 밴드 갭 추출 결과이다. 광학 밴드 갭 추출을 위한 흡수 계수 α는 Lambert’s law의 다음 식으 로부터 계산하였다.

    α = 1 t ln ( 1 T )
    (1)

    여기서 tT는 각각 박막의 두께 및 투과율을 나타낸 다. 광학 밴드 갭은 Tauc method를 이용하여 추출하였 으며, 그 식은 다음과 같다.

    ( α h υ ) 2 = h υ E g
    (2)

    여기서 hυ는 각각 Planck 상수 및 빛의 진동수를 나타낸다. 가시광선 영역에서 모든 IZO 박막의 투과율 은 85 % 이상으로 높은 투과도를 나타내었다. 또한 추 출된 광학 밴드 갭은 공정 압력이 5 mTorr에서 2 mTorr 로 감소함에 따라서 3.23에서 3.45 eV로 증가하였다. 광 학 밴드 갭의 경우 전도대 및 가전자대 근처에 위치한 subgap state에 의한 흡수로 인하여 이론적인 밴드 갭 보 다 작아질 수 있다.13) Fig. 2(c)는 IZO 박막의 공정 압 력에 따른 흡수 스펙트럼(absorption spectra)의 변화를 보여주고 있으며, 공정 압력이 증가할수록 흡수 계수가 광학 밴드 갭 범위 내에서 증가하는 것을 확인하였다. 이는 공정 압력이 증가할 때 박막 내 subgap state가 증 가하는 것의 의미한다.14,15)

    Fig. 3은 공정 압력 변화에 따른 IZO 박막 표면의 AFM 측정 결과이다. 공정 압력이 5에서 2 mTorr 로 감 소함에 따라서 RMS(root-mean square) 값은 0.28에서 0.09 nm으로 감소하며 표면 구조가 점차 매끄럽게 변화 하였다. 스퍼터링 증착 공정 중 공정 압력이 감소할수 록 플라즈마 내 에너지를 지닌 입자들의 충돌 확률이 감 소함으로써 플라즈마 가스 및 타겟 원자 등의 평균 자 유 행로(mean free path)가 증가하게 된다.16) 따라서 높 은 운동 에너지를 가진 채 기판에 도달하여 과립형 구 조를 형성하지 않고 전체적으로 균일한 박막이 형성될 수 있다. 매끄러운 표면은 특히 박막 트랜지스터에서 전 극/반도체 및 반도체/절연막 계면의 결함 형성 등을 억 제하여 그 성능을 개선시킬 수 있다.17)

    다음으로 IZO 박막을 활성 층으로 사용하여 박막트 랜지스터를 제작 후 전기적 특성을 확인하였다. Fig. 4 는 다양한 공정압력에서 제작된 IZO 박막 트랜지스터 의 전달 곡선을 나타내며, 측정 시 게이트 전압은 10 V (saturation region)으로 고정하였다. 5 mTorr에서 증착된 IZO를 이용하는 경우, 박막 트랜지스터는 전도성 거동 을 보이며, 공정 압력이 감소할수록 우수한 스위칭 특 성을 나타낸다. 이는 공정 압력이 감소할수록 subgap state가 감소함으로써 박막의 특성이 전도성에서 반도체 성 거동으로 변화하는 것으로 볼 수 있다.

    공정 압력에 따른 IZO 박막 트랜지스터의 대표적인 전달 특성 변화를 Fig. 5 및 Table 2에 나타내었다. 공 정 압력이 5에서 2 mTorr로 낮아짐에 따라 subthreshold swing(S.S.) 값은 크게 감소하고, 전류점멸비 또한 ~ 1010 으로 개선되었다. 또한 문턱 전압은 2 mTorr의 공정 조 건에서 -0.23 V으로 30 cm2/Vs의 높은 이동도와 함께 매 우 우수한 전기적 성능을 보여주었다. 투과도 및 AFM 측정 결과에 비추어 볼때, 이러한 공정 압력 변화에 따 른 IZO 박막트랜지스터의 성능개선은 박막의 품질 향상 에 따른 계면 결함 및 박막 내의 subgap state 감소에 의해 나타나는 것으로 사료된다.14-16)

    Fig. 6은 공정 압력에 따른 IZO 박막 트랜지스터의 출력 곡선이다. 출력 곡선 측정 시 게이트 전압은 0 V 부터 10 V까지 2 V 간격으로 증가하며 측정되었다. 5 mTorr의 공정 조건에서는, 드레인 전압 및 게이트 전압 에 증가에 따라 선형의 드레인 전류 값을 나타낸다. 반 면에 2 mTorr의 공정 조건에서 제조한 IZO 박막 트랜 지스터는 낮은 드레인 전압에서 우수한 Ohmic 거동을 보이고, 드레인 전압이 높아질수록 명확하게 pinch-off 된 후 드레인 전류가 포화 되는 우수한 출력 특성을 나타 내었다.

    마지막으로, 최적화된 공정 압력에서 제작된 IZO 박막 트랜지스터의 바이어스 스트레스 하에서 안정성을 확인하 기 위하여 NBS(negative bias stress)와 PBS(positive bias stress) 신뢰성을 측정하였다. 신뢰성 측정 시, 게이 트 전압은 -20 및 20 V를 가하였고 드레인 전압은 -0.1 V로 고정하였으며 스트레스 시간은 3000 초로 설정하였 다. Fig. 7은 2 mTorr의 공정 압력에서 제작된 IZO 박 막 트랜지스터의 NBS 및 PBS 하에서의 스트레스 시간 에 따른 문턱 전압의 변화를 나타낸다. 결과적으로 2 mTorr에서 제작된 IZO 박막 트랜지스터는 NBS 및 PBS 신뢰성 측정 결과, 각각 -1.88 및 1.96 V의 문턱 전압 이동으로 비교적 안정적인 신뢰성을 나타내었다.

    4. 결 론

    본 논문에서는 고주파 스퍼터링으로 제조한 IZO 박막 및 이를 이용한 박막 트랜지스터의 공정 압력 변화에 따른 전기적 특성 등의 변화에 대하여 조사하였다. 투 과율 및 AFM 측정 결과 공정 압력이 감소할수록 IZO 박막의 투과율과 광학 밴드 갭은 증가하고, RMS 값은 향상됨을 확인하였다. 특히, 공정 압력 감소에 따른 투 과율 및 광학 밴드 갭의 증가는 IZO 박막 내 subgap state의 감소로 인한 것으로 보인다. IZO 박막 트랜지스 터의 경우 2 mTorr의 공정 압력에서 높은 이동도, 낮은 S.S. 값, 큰 전류점멸비 및 0 V 근처의 문턱 전압 값으 로 가장 우수한 스위칭 특성을 나타내었다. 결론적으로, 스퍼터링 증착 시 공정 압력이 IZO 박막 및 박막 트랜 지스터의 특성을 조절하는 중요한 요소라고 할 수 있다.

    Acknowledgements

    This work was supported by the Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Education (Grant No: NRF-2019R1I1A2A01064153).

    Figure

    MRSK-30-4-211_F1.gif

    (a) Schematic structure and (b) optical image of IZO TFTs.

    MRSK-30-4-211_F2.gif

    (a) Transmittance spectra of IZO thin films with various working pressure. (b) plot of (αhv)2 versus hv for IZO thin films with various working pressures. (c) the absorption spectra of IZO thin films with various working pressures.

    MRSK-30-4-211_F3.gif

    The AFM image of IZO thin films deposited at (a) 5 mTorr, (b) 3 mTorr, (c) 2 Torr.

    MRSK-30-4-211_F4.gif

    Transfer curves of IZO thin film transistors with various working pressures.

    MRSK-30-4-211_F5.gif

    Transfer parameters of IZO thin film transistors as a function of working pressures.

    MRSK-30-4-211_F6.gif

    Output curves of IZO thin film transistors deposited at (a) 5 mTorr, (b) 3 mTorr, (c) 2 mTorr.

    MRSK-30-4-211_F7.gif

    VTH shift values of NBS and PBS for IZO thin film transistors deposited at 2 mTorr.

    Table

    Deposition conditions of IZO thin films for fabrication of thin film transistors.

    Representative transfer parameters of IZO thin film transistors.

    Reference

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