1. 서 론

비정질 산화물 반도체는 기존 비정질 실리콘 공정을 사 용하여 증착할 수 있으며 높은 수준의 캐리어 이동도로 인하여 평판 디스플레이 분야에서 많은 주목을 받아오 고 있다. 비정질 실리콘을 사용하는 기존의 액티브 매 트릭스 액정 디스플레이(AMLCD)의 스위칭 트랜지스터 는 일반적으로 1 cm²/Vs 보다 낮은 전계 효과 이동도를 보이는 반면, 트랜지스터에 n형 산화물 반도체를 사용하 여 5 cm²/Vs 이상의 전계 효과 이동도를 달성하였다.^1,2) 산 화물 반도체 기반의 박막 트랜지스터(thin film transistor, TFT)의 뛰어난 이동도는 고해상도 대면적 디스플레이와 휴대 가능한 소형 태블릿의 개발을 가능하게 하였다. 높 은 on current(I_on) 값이 요구되는 TFT backplane 내부 에 In-Ga-Zn-O(IGZO)와 같은 산화물 반도체를 사용한 제품이 출시되었으며 점차 그 범위가 확대되고 있고, 낮 은 off current(I_off) 값은 소비 전력을 감소시켜 휴대용 제품 적용에 강점을 보인다.^3,4)

현재 사용되고 있는 LG display OLED TV Panel의 TFT는 이동도 10 cm²/Vs 수준의 IGZO 산화물 반도체로 구성되어 있으며, 더 우수한 디스플레이 특성 구현을 위 하여 30~50 cm²/Vs 또는 그 이상의 이동도를 갖는 산 화물 반도체 물질과 새로운 공정 등이 연구 개발되고 있 다.^5,6) 이와 같은 디스플레이 시장의 요구에 따라 높은 이동도, 안정성과 더불어 저온 공정가능 여부가 주된 관 심사로 자리잡고 있다. 하지만 트랜지스터로 제작되기 위 해서는 400 °C 이상의 고온 열처리가 요구되어 유연기 판 적용에 어려움이 있기 때문에 최근 저온 열처리 시 산화물 TFT의 고온에서와 같은 특성 발현을 위하여 자 외선, 이온, 감마선 조사 등 여러 종류의 조사 연구가 수행되어 왔다.^7-9)

본 연구에서는 전자빔 조사의 저온공정에 적용 가능성 을 확인하기 전 단계로 400 °C 열처리된 IGZO 박막에 대하여 0.1 MeV 에너지의 전자빔을 조사하여 조사량에 따른 박막의 전기적, 광학적 특성 변화를 관찰하였다.

2. 실험 방법

IGZO 박막의 전구체 용액을 제작하기 위하여 용매인 2-methoxyethanol [CH₃OCH₂CH₂OH]에 indium nitrate hydrate [In(NO₃)₃ ·xH₂O], gallium nitrate hydrate [Ga (NO₃)₃ ·xH₂O], zinc acetate dihydrate [Zn(C2H₃O₂)₂ ·2H₂O] 를 0.5 M 농도로 혼합하여 전구체 용액을 제작하였고 이 때 In:Ga:Zn의 비율은 2:1:1로 고정하였으며, 60 °C에서 1 시간 동안 교반하였다. 혼합된 용액은 spin-coating 법을 이용하여 SiO₂(100 nm)/p⁺-Si 기판 위에 3000 rpm, 30초 동안 약 40 nm 두께로 증착하였다. 증착된 박막은 150 °C로 10 분간 건조시킨 후, 튜브로를 이용하여 400 °C 에서 1 시간 동안 대기 분위기에서 열처리 하였다. 전 자빔 조사는 한국원자력연구원의 0.2 MeV급 소형 전자빔 조사 장치를 이용하였다. 전자빔은 상온, 대기 분위기에 서 0.1 MeV 에너지로 고정하였으며, 조사량은 7.5 × 10¹⁵, 1.5 × 10¹⁶, 4.5 × 10¹⁶ electrons/cm²로 변화시켰다. 전자빔 조사 후 thermal evaporator로 약 100 nm 두께의 Al 소 스와 드레인을 증착하여 트랜지스터를 제작하였다.

IGZO 전구체 용액의 열적 거동을 확인하기 위하여 thermogravimetry/differential thermal analysis(TG/DTA) 를 사용하였다. 전기적 특성은 semiconductor parameter analyzer를 이용하여 분석하였으며, X-ray photoelectron spectroscopy(XPS), spectroscopic ellipsometer(SE)로 각각 화학 결합과 밴드갭을 분석하였다. XPS 측정은 O 1s peak 분석을 통해 화학결합을 관찰하였고, 밴드갭은 SE 측정에서 흡광계수가 급격히 증가하는 지점을 기준으로 외삽법을 통해 도출하였다. SE의 광학적 밴드갭 측정 결 과와 XPS 가전자대 준위 측정 결과를 결합하여 밴드 정 렬을 수행하였다.

3. 결과 및 고찰

Fig. 1은 IGZO 전구체 용액의 열적 거동을 분석하고 적정 열처리 온도를 알아보기 위하여 TG/DTA를 측정한 결과이다. 먼저 약 88 °C 부근에서 흡열반응과 함께 큰 질량 감소를 관찰할 수 있었다. 이것은 대부분 용매의 증발에 의해서 발생하며, 일부는 Zn acetate 분해에 의한 아세트산(acetic acid) 감소에 의해 발생한다. 약 115 °C 부근에서 nitrate 기반 전구체(In(NO₃)₃·xH₂O, Ga(NO₃)₃· xH₂O)가 In(OH)₃와 Ga(OH)₃로 분해된다.¹⁰⁾ Acetate 기 반 전구체 또한 해당 온도구간에서 수산화물 형태로 모 두 변하게 된다. 마지막으로 320 °C 부근의 발열반응은 수산화 반응으로 형성된 In(OH)₃, Ga(OH)₃, Zn(OH)₂의 분해반응(de-hydroxylation)으로 M-OH 결합에서 M-O-M 네트워크 형성이 진행되는 온도이며, 이 온도에서 박막 이 형성되는 것으로 판단된다.^10,11) 따라서 400 °C 열처 리는 IGZO 박막 형성에 충분한 온도라고 판단되어 해 당 온도에서 열처리를 진행하였다.

Fig. 1

TG/DTA curves of the IGZO precursor solution.

Fig. 2(a)와 (b)는 전자빔 조사량에 따른 트랜지스터의 전기적 특성 변화를 나타낸 그래프이다. 문턱전압(threshold voltage, V_TH)은 V_DS> V_G-V_TH 인 영역에서 선형 외삽법 을 이용하여 구하였고 게이트 문턱전압 이하에서의 기 울기(subthreshold swing, S.S.)와 포화이동도(saturation mobility, μ_sat) 값은 식 (1), (2)를 통하여 도출하였다.¹²⁾

Fig. 2

Transfer curves of IGZO TFTs as a function of EB dose; (a) log and (b) linear scale.

여기서 W와 L은 각각 채널의 폭과 길이이며, C_i는 단 위면적당 게이트 절연체의 전기용량을 의미한다.

전자빔 조사전 박막과 7.5 × 10¹⁵ e/cm² 조사된 박막은 트랜지스터 특성을 보여주었고, 1.5 × 10¹⁶, 4.5 × 10¹⁶ e/ cm² 조사된 박막의 경우 −40 ~ 40 V의 게이트 전압 범 위에서 각각 10⁻³, 10⁻⁴ A 정도의 거의 일정한 드레인 전 류 특성을 보였다. 전자빔 조사량이 1.5 × 10¹⁶ e/cm²까지 증가함에 따라 I_on과 I_off 값이 함께 증가하였으며, S.S. 값 은 증가하여 소자 특성이 나빠지는 경향을 보였다. μ_sat는 as-dep.의 경우 4.77 cm²/Vs 이었고 7.5 × 10¹⁵ e/cm² 조사 된 박막은 5.43 cm²/Vs로 약간 증가하였으며, 이후 1.5 × 10¹⁶ e/cm² 이상 조사된 시편들은 드레인 전류는 증가하 였으나 측정범위 내에서 off 영역이 관찰되지 않아 μ_sat 를 구할 수 없었다. V_TH는 조사 전 2.3 V에서 조사량 증 가에 따라 측정범위를 벗어나 측정할 수 없었다. IGZO 박막의 전기적 특성은 전자빔 조사량이 증가함에 따라 반도체에서 도체로 변화하는 경향을 확인하였다. 하지만 4.5 × 10¹⁶ e/cm² 조사된 박막의 경우 오히려 드레인 전 류가 감소하였는데 이러한 변화가 박막의 화학적 결합 또는 캐리어 농도와 관련 있을 것으로 생각되며 XPS와 SE 분석을 진행하여 파악하고자 하였다.

Fig. 3는 전자빔 조사량에 따른 IGZO 박막 O 1s core level 의 XPS spectra 결과이다. 정확한 화학적 결합 분 석을 위하여, O 1s peak는 O_I(530.9 eV), O_II(532.0 eV), O_III(532.9 eV) 3개의 서로 다른 Gaussian peak로 normalization 및 de-convolution 하였다. 각 분리된 peak는 서로 다른 화학적 결합을 나타낸다. O_I은 격자 내의 금 속-산소 결합을 나타내며, O_II는 산소 공공, O_III는 -OH 불순물 또는 화학흡착 상태를 의미한다.¹³⁾ 전자빔 조사 량이 1.5 × 10¹⁶ e/cm²으로 증가함에 따라 산소공공(O_II)의 상대적인 비율이 14.68에서 19.08 % 로 점진적으로 증 가 후, 4.5 × 10¹⁶ e/cm²에서 17.70 %로 감소하였다. 1.5 × 10¹⁶ e/cm²까지 전자빔 조사로 인하여 산소공공 비율이 증 가함에 따라 식 (3)과 같이 자유전자가 생성되어 캐리 어 농도가 증가함을 예측할 수 있다.¹⁴⁾

Fig. 3

XPS O 1s core level spectra of IGZO thin films as a function of EB dose; (a) as-dep., (b) 7.5 × 10¹⁵, (c) 1.5 × 10¹⁶ and (d) 4.5 × 10¹⁶ electrons/cm².

이때 O_I 비율의 감소는 O_II 증가로 인한 M-O 결합 감 소에 따른 결과로 해석되며, O_III의 증가는 진공상태가 아 닌 대기분위기에서 전자빔 조사를 진행하였기 때문에 전 자빔 에너지에 의한 대기 수분의 표면 흡착 등의 영향 으로 판단된다.

Fig. 4(a)는 굴절상수, 4(b)는 흡광계수를 해당 에너지 영역에서 측정한 결과이다. 먼저 Fig. 4(a)의 결과를 보 면 전자빔 조사량이 증가함에 따라 측정 에너지 영역에 서 굴절상수 값이 증가하다 감소하는 것을 확인할 수 있 는데, 이는 박막의 밀도가 상승하다 4.5 × 10¹⁶ e/cm² 조 사된 박막에서는 감소하였음을 의미한다.¹⁵⁾ Fig. 4(b) 그 래프에서 흡광계수가 급격하게 증가하는 지점을 기준으 로 외삽법을 이용하여 광학적 밴드갭을 도출하였다. 밴 드갭은 전자빔 조사량이 증가함에 따라 as-dep. 박막의 경우 3.39 eV에서 4.5 × 10¹⁶ e/cm² 조사된 경우 3.46 eV 로 증가하였다. 이는 기존 보고된 전자빔 조사에 따른 밴드갭 변화 경향과 유사하였다.¹⁶⁾ 전자빔 조사량이 증 가함에 따라 밴드갭의 증가와 동시에 전도대 이하 영역 에서 흡광계수가 변화함을 확인하였다. 밴드갭과 전도대 이하의 흡광계수 준위의 변화가 산화물 반도체 박막의 전기적 특성에 미치는 영향을 보고했지만¹⁷⁾ 흡광계수가 변화하는 에너지 영역대가 보고된 연구와는 다르기 때 문에 해당 결함의 상태 및 준위에 대한 추가적이 분석 이 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 4

SE spectra of IGZO thin films as a function of EB dose; (a) refractive index and (b) extinction coefficient.

Fig. 5는 XPS와 SE 측정 결과를 종합하여 밴드 정렬 하여 조사량에 따른 에너지 밴드의 변화를 도식화한 결 과이다. 페르미 준위(Fermi level, E_F)에서 가전자대 최 대 에너지(valence band maximum, VBM) 사이 에너지 영역 변화는 밴드갭의 변화와 유사하게 점차 증가하였 다. 특히, 1.5 × 10¹⁶ e/cm² 조사된 박막에서 E_F와 전도대 최소 에너지(conduction band minimum, CBM)의 차이 가 가장 작았으며, 이는 일반적으로 더 높은 전자 농도 를 의미한다.^18-20) 밴드 정렬을 통해 1.5 × 10¹⁶ e/cm² 조 사된 박막이 도체 특성을 나타내는 원인은 증가한 전자 농도에 의한 것임을 확인할 수 있었다. 4.5 × 10¹⁶ e/cm² 조사된 박막에서 E_F와 CBM 사이의 차이는 1.5 × 10¹⁶ e/ cm² 조사된 경우 보다 증가하였는데, 이는 XPS 분석 결 과 산소 공공의 감소로 인한 자유전자 농도의 감소 영 향으로 판단된다. XPS와 SE 결과를 토대로 4.5 × 10¹⁶ e/ cm² 조사된 박막의 드레인 전류가 1.5 × 10¹⁶ e/cm² 조사 된 박막보다 감소한 이유는 산소공공(O_II) 감소에 따른 전자농도의 감소에 기인하는 것으로 판단된다.

Fig. 5

Schematic band alignment diagrams reflecting the relative position of Fermi level, conduction band minimum and valence band maximum as a function of EB dose; (a) as-dep., (b) 7.5 × 10¹⁵, (c) 1.5 × 10¹⁶ and (d) 4.5 × 10¹⁶ electrons/cm².

4. 결 론

솔젤법으로 제조된 IGZO 박막에 대하여 0, 7.5 × 10¹⁵, 1.5 × 10¹⁶, 4.5 × 10¹⁶ e/cm²의 전자빔 조사량 변화에 따른 전기, 광학적 특성 변화를 관찰하였다. 조사량 증가에 따 라 μ_sat, I_on/off, V_TH, 그리고 S.S. 등이 변화하였으며 1.5 × 10¹⁶ e/cm² 이상 조사된 경우 도체와 같은 전기적 특 성을 보였다. 조사량 증가에 따라 XPS 분석 결과 산소 공공의 비율이 증가하다 일정 조사량 이후 감소하였고, SE 분석결과 3.39 eV에서 3.46 eV로 밴드갭이 증가하였 다. 밴드갭과 E_F의 밴드 정렬을 통하여 밴드갭 내의 E_F 의 위치를 파악하여 전자 농도를 비교할 수 있었다. 1.5 × 10¹⁶ e/cm² 조사된 박막의 E_F가 CBM과 가장 가깝게 위치함을 확인하였고 이 시편의 전기적 특성의 변화는 전자 농도의 증가에 의한 것으로 판단된다. 4.5 × 10¹⁶ e/ cm² 조사된 박막의 드레인 전류가 1.5 × 10¹⁶ e/cm² 조사 된 박막보다 감소한 이유 또한 밴드 정렬 결과로부터 확 인할 수 있었다. 일정량의 전자빔 조사는 산화물 반도 체 트랜지스터의 I_on 값을 증가시키며 I_on/off, S.S. 등 트 랜지스터 특성에 영향을 미치게 되는데 이와 같은 변화 는 전자빔 조사를 통해 생성된 결함 및 결합 상태 변 화의 영향으로 판단된다. 후속 연구로써 열처리 전 박 막에 전자빔 조사를 행한 후 저온 열처리를 진행하는 방 식으로 공정을 변화하여 전자빔을 이용한 소자의 저온 공정 및 반도체 전기적 특성 향상 가능성을 확인해 보 고자 한다.