1. 서 론
현대 디스플레이 기술은 점차 고성능, 저전력, 유연성 등 다양한 요구를 충족하기 위해 발전하고 있다. 이 과정에서 박막 트랜지스터(thin-film transistor, TFT)는 핵심적인 스위칭 소자로서 디스플레이 성능에 직접적인 영향을 미친다.1,2) 특히 고해상도 및 고주사율 디스플레이에서 TFT의 역할은 더욱 중요하다. 그러나 현재 TFT 제조는 주로 유리 기판 위에서 이루어지며, 유리 기판의 물리적 특성으로 인해 공정 온도는 약 600~650 °C로 제한된다.3) 이는 실리콘 기반의 고온 공정 기술과 비교했을 때, TFT의 전기적 특성을 상대적으로 낮게 만드는 주요 원인이다.
최근 들어, 산화물 반도체 기반 TFT, 특히 인듐 갈륨 아연 산화물(indium gallium zinc oxide, IGZO)이 널리 주목받고 있다.4) IGZO는 높은 전자 이동도와 뛰어난 투명성 등 우수한 특성을 가지지만, 금속 원소 및 산소 조성을 균일하게 제어하기 어려운 구조적 복잡성과 인듐의 높은 비용 및 희소성으로 인해 한계가 있다.5) 이러한 이유로, 인듐을 포함하지 않는 산화물 반도체(indium-free oxide semiconductor)의 개발은 차세대 디스플레이 기술의 실현을 위해 필수적 과제로 대두되고 있다.6) 이러한 맥락에서 본 연구는 indium-free 소재인 ZnSnO (ZTO)를 활용하여 제조된 TFT의 성능을 개선하는 데 중점을 두었다. ZTO 박막을 증착하기 위해 atomic layer deposition (ALD)을 사용하였다. ALD는 나노미터 단위의 정밀한 두께 조절이 가능하고, 우수한 재현성을 통해 고품질의 박막 제조에 적합하다.7,8)
그러나 저온 공정에서 ZTO 기반 TFT를 제조할 경우, 산화물 반도체 내부의 결함 증가로 인한 전기적 특성 저하가 발생할 수 있다는 한계가 존재한다. 이를 해결하기 위해, 본 연구는 금속 캡핑층(metal capping layer)을 ZTO 기반 TFT에 도입하여 전기적 특성을 개선하고자 한다. 금속 캡핑층은 금속과 활성층 사이의 전자 에너지 준위 차이를 활용하여 금속에서 활성층으로 전자를 주입함으로써 활성층 내부의 전자 농도를 증가시키고, 이동도를 향상시키는 역할을 한다.9,10) 또한 금속 캡핑층은 기존 구조와 달리 새로운 전류 경로를 형성하여 게이트 절연체의 영향을 줄이고, 계면 전하 포획을 억제하여 바이어스 안정성을 향상시킨다.
본 연구에서는 다른 일함수를 가지는 알루미늄(Al)과 금(Au)을 금속 캡핑층으로 적용하여 ZTO 기반 TFT의 전자 이동도, 문턱 전압(threshold voltage), 전류 on/off 비율 등 주요 전기적 특성 변화를 평가하였다. 이를 통해 금속 캡핑층 도입이 ZTO 기반 TFT의 성능 향상에 미치는 영향을 체계적으로 분석하고자 한다.
2. 실험 방법
ZTO TFT는 inverted staggered 구조로 제작되었다. 하단 게이트 전극으로는 보론으로 고농도 도핑된 p형 Si 기판이 사용되었고, 게이트 절연체로는 기판 위에 열산화된 SiO2 (150 nm) 층을 사용하였다.
ZnO 및 SnO2 박막을 증착하기 위해, 각각 금속 전구체로 디에틸 아연(DEZ)와 테트라키스(디에틸아미노)주석(TDMASn)을 산화제로는 탈이온수(H2O)를 사용하였으며, TDMASn 전구체는 60 °C로 가열되었다. ZnO 증착과정에서 각 ALD ZnO 및 SnO2 시퀀스는 다음과 같다: DEZ 펄스(0.3 초) - DEZ 퍼지(20 초) - H2O 펄스(0.3 초) - H2O 퍼지(20 초), TDMASn 어시스트(0.1 초) - TDMASn 지연(1 초) - TDMASn 펄스(0.5 초) - TDMASn 퍼지(20 초) - H2O 펄스(0.3 초) - H2O 퍼지(20 초). ALD 공정 동안, 챔버 내부 온도는 180 °C로, 압력은 200 mTorr로 유지되었으며, 질소(N2) 가스는 30 sccm의 일정한 유량으로 캐리어 및 퍼지 가스로 사용되었다. ZTO 활성층은 Zn/Sn 주기 비율 10:20을 슈퍼 사이클로 하여 총 6회의 ALD 슈퍼 사이클 공정을 통해 제작되었다. 활성층 증착이 완료된 후, 글로브 박스에서 상대 습도를 20 % 이하로 유지하며 350 °C에서 1시간 동안 어닐링 공정을 진행하였다.
어닐링된 활성층 위에 100 nm 두께의 Al을 thermal evaporator을 통해 소스/드레인(S/D) 전극을 증착하였다. ZTO TFT 채널의 넓이(W)와 길이(L)은 각각 1,000, 300 µm으로 설계하였다. ZTO TFT에서 캡핑된 금속의 종류와 길이에 따른 효과를 조사하기 위해, 100 nm 두께의 Al과 Au 층을 각각 S/D 전극 사이에 thermal evaporator으로 증착하였다. 전극과 capping metal은 모두 쉐도우 마스크를 통해 패터닝 하였으며, 캡핑층의 넓이(W)는 3,000 µm이고, 길이(L)은 50, 100, 150, 200 µm로 설계하였다.
밴드갭, 일함수 관련 물성분석을 위하여 UPS (ultraviolet photoelectron spectroscopy), UV-vis (ultraviolet-visible spectrophotometry)를 측정하였다. 제조된 TFT의 전기적 특성 및 성능은 parameter analyzer (EL 423, ELECS Co.)를 이용하여 외부의 빛을 차단하고 상온에서 측정하였다. 본 연구에서 제조한 metal-capped ZTO TFT의 개략도를 Fig. 1에 표기하였다.
3. 결과 및 고찰
AI 캡핑층의 길이는 LAl로 나타내고 Au 캡핑층의 길이는 LAu로 나타낸다. 캡핑층의 길이는 TFT의 채널 길이보다 더 좁도록 설계되어 50, 100, 150, 200 µm로 설정하여 source와 drain 전극에 닿지 않고 중앙 영역을 덮도록 설정하여 소자를 제작하였다. Transport 특성은 VDS = 20 V로 고정한 후, VGS를 -20 V에서 40 V 까지 sweep하여 특성을 측정하였다.
Fig. 2와 Table 1에 표시된 바와 같이, 우리는 제조된 Al-capped ZTO TFT의 전기적 특성을 LAl의 길이에 따라 측정했다. LAl 길이를 조절하면서 전기적 성능을 조사하기 위해, Al 캡핑층의 두께(tMC)를 100 nm로 일정하게 유지했다. 결과는 Al 캡핑층의 길이 LAl이 길어짐에 따라 제조된 TFT가 우수한 전기적 성능을 나타냄을 보여준다. 특히, LAl = 200 µm Al-capped ZTO TFT의 경우, µsat, SS, VT, ION/OFF 값이 각각 16.89 cm2/V ‧ s, 0.59 V/decade, 0.81 V, 2.14 × 107이었다. 그러나 LAl이 100 µm로 감소했을 때, 이동도는 이전 조건에 비해 절반으로 감소했다. 유사하게, LAl이 증가함에 따라 모든 전기적 특성은 향상되었다. Al-capped ZTO TFT의 성능 차이는 캡핑층에 의해 형성되는 전도 영역의 변화에 기인할 수 있다. 이 영역은 전자들이 풍부하고, 게이트 절연체로부터 떨어진 채널의 뒤쪽에 위치하여 전도 영역이 주요 on-current 경로를 형성함으로써 전기적 특성과 안정성을 향상시킨다.10)
Table 1.
Electrical characteristics of Al-capped ZTO TFTs as a function of capping layer length (LAl).
Fig. 3과 Table 2에 표시된 바와 같이, 우리는 제조된 Au-capped ZTO TFT의 전기적 특성을 LAu의 길이에 따라 측정했다. 마찬가지로, LAu 길이를 조절하면서 전기적 성능을 조사하기 위해, Au 캡핑층의 두께(tMC)를 100 nm로 일정하게 유지했다. 결과는 Au 캡핑층의 길이 LAu가 길어짐에 따라 제조된 TFT가 전기적 성능이 감소함을 보여준다. Au-capped ZTO TFT의 성능 저하는 Al에서와 반대로 ZTO 층 내에 전자가 캡핑층으로 이동하는 electron depletion 현상에 기인한다. 이러한 현상으로 인해 LAu = 200 µm인 Al-capped ZTO TFT의 경우, µsat이 1.21 cm2/V ‧ s로 감소하는 전기적 특성의 저하가 관찰되었다.
ZTO 박막의 광학적 특성을 분석하기 위해 UV-vis 분석을 수행하였다. 박막의 밴드갭을 측정하기 위해 아래 식 (1)을 사용하여 분석을 진행하였다.
α : absorption coefficient
n : transition probability
A : optical transition constant
Eg : band gap
hν : photon energy (21.2 eV, He I UV light source)
Table 2.
Electrical characteristics of Au-capped ZTO TFTs as a function of capping layer length (LAu).
직접 전이의 경우 n = 2, 간접 전이의 경우 n = 1/2가 적용된다.11)Fig. 4(a)는 제작된 샘플의 광자 에너지에 대한 (αhν)2 곡선을 보여주며, 이 곡선에서 (αhν)2 = 0이 되는 광자 에너지가 ZTO 박막의 밴드갭 값(Eg)으로 나타난다. 분석 결과, ZTO 박막의 밴드갭은 3.95 eV로 측정되었다.
이어서, 자외선 광전자 분광법(UPS)을 활용하여 ZTO 박막의 전자 밴드 구조를 확인하였다. Fig. 4(b, c)는 ZTO 박막의 UPS 스펙트럼에서 나타나는 저결합 에너지 및 고결합 에너지 영역을 보여준다.12) UPS 분석을 통해 최소 운동 에너지(Ecutoff)를 측정하고 이를 바탕으로 각 박막의 일함수(Φ)를 선형 피팅을 통해 계산하였다. 일함수는 아래 식 (2)를 사용하여 계산되었다.
Ecutoff : minimum kinetic energy
EF : Fermi level
hν : photon energy (21.2 eV, He I UV light source)
Φ : work function
UPS 스펙트럼에서 x축의 0점은 페르미 준위에 맞추어 설정하였으며, ZTO 박막의 일함수는 4.37 eV로 측정되었다. 또한, 저결합 에너지 영역에서는 선형 피팅을 통해 가전자대 가장자리 에너지를 계산하였다. Fig. 4(b)에서 ZTO 박막의 페르미 준위부터 가전자대 에너지까지의 값은 3.26 eV로 측정되었다.
Fig. 5는 UV-vis 및 UPS 분석 결과를 바탕으로 ZTO 박막의 에너지 밴드 다이어그램을 나타내며, Table 3에 일함수, 가전자대 에너지, 밴드갭 데이터를 정리하였다. 분석 결과에 따르면, ZTO 박막의 일함수는 4.37 eV로 측정되었으며, 이는 캡핑층으로 사용된 Al (4.0 eV) 및 Au (5.1 eV)의 일함수와 비교된다.13,14) 캡핑층 물질의 일함수는 ZTO 박막과의 계면 특성에 중대한 영향을 미치며, 전자 주입 메커니즘 및 전기적 특성 변화의 주요 요인으로 작용함을 확인할 수 있었다. Al을 캡핑층으로 사용한 경우, Al의 일함수(4.0 eV)는 ZTO의 일함수(4.37 eV)보다 낮아 두 층 사이의 에너지 장벽이 전자를 ZTO 박막 내부로 이동시킨다. 이러한 계면 특성은 Al에서 ZTO로 전자를 주입하여, ZTO 박막 내부의 전도 전자 밀도를 증가시켜 전기적 특성을 향상시킨다. 전자 주입의 활성화는 접촉 저항을 감소시키고 전하 운반체 농도를 증가시켜 소자의 전도성과 이동도를 개선한다.
Table 3.
Work function, valence band edge, and bandgap of ZTO thin film and capping materials.
| Material |
Work function (eV) |
Valence band edge (eV) |
Bandgap (eV) |
| ZTO thin film | 4.39 | 3.26 | 3.95 |
| Al (capping) | 4.00 | - | - |
| Au (capping) | 5.10 | - | - |
Au를 캡핑층으로 사용한 경우, Au의 일함수(5.1 eV)가 ZTO의 일함수(4.37 eV)보다 높아 계면에서의 에너지 장벽이 ZTO 박막으로부터 Au로 전자를 이동시킨다. 이로 인해 ZTO 박막은 전자를 잃게 되고, 전도 전자 밀도가 감소하며 전기적 특성이 저하된다. 이는 접촉 저항의 증가 및 소자 성능 저하로 이어진다. 이와 같은 결과는 Fig. 5에 제시된 에너지 밴드 다이어그램을 통해 더욱 명확히 이해할 수 있다. ZTO 박막과 캡핑층 간의 에너지 준위 차이는 전자 이동 방향을 결정한다. Al과 같이 일함수가 ZTO보다 낮은 재료는 전자 주입에 유리한 계면 특성을 형성하여 소자의 성능을 향상시키는 반면, Au와 같이 일함수가 높은 재료는 전자 손실을 유발하여 소자의 성능을 저하시킨다.
Al 캡핑이 적용된 ZTO TFT의 작동 원리와 높은 전자 이동도 값을 이해하기 위해서 Fig. 6에서 Al-capped ZTO TFT에서 전자 이동 메커니즘을 제시하였다. ZTO 활성층은 비정질 구조와 산소 결함으로 인한 결함이 존재하고 이러한 결함은 전자의 산란 중심 및 트랩으로 작동한다. 이때 전도 영역에서 생성되거나 주입된 전자는 ZTO 활성층의 후면 채널에 존재하는 결함에 의해 트랩되어 후면 채널의 결함 밀도를 감소시킨다. 따라서 저항이 낮은 전자 이동 경로가 형성되어 포화 이동도가 향상된다. 이러한 결과로 Al 캡핑층이 ZTO 활성층의 전기적 특성을 향상시키는 주요 메커니즘으로 작용한다.
4. 결 론
본 연구에서는 ALD 공정으로 제작한 ZTO TFT의 캡핑 금속의 종류와 길이에 따른 전기적 특성에 대해서 조사하였다. 광학적 특성 분석 결과, 활성층의 일함수보다 캡핑 금속의 일함수가 작으면, 활성층의 전자 밀도가 증가하여 포화 이동도가 증가했다. 반대로, 활성층의 일함수보다 캡핑 금속의 일함수가 크면, 전자 밀도가 감소하고 접촉 저항이 증가하여 포화 이동도가 감소함을 확인하였다. 또한, Al-capped ZTO TFT에서 LAl이 증가함에 따라 저항이 낮은 전자 이동경로가 커지게 되고 이에 따라 포화 이동도가 증가함을 확인하였다. 특히 LAl = 200 µm인 Al-capped ZTO TFT는 µsat = 16.89 cm2/V ‧ s, SS = 0.59 V/decade, VT = 0.81 V, ION/OFF = 2.14 × 107의 우수한 특성을 보였다. 이러한 결과는 작은 일함수를 가지는 Al 캡핑층이 계면의 전자 주입을 활성화하고, 소자의 전기적 특성을 개선하는 데 중요한 역할을 함을 보여준다.
