한국표면공학회지 J. Kor. Inst. Surf. Eng.
Vol. 47, No. 4, 2014.
http://dx.doi.org/10.5695/JKISE.2014.47.4.181
<연구논문>
상온에서 증착된 IGZO 박막의 열처리 온도에 따른 특성
이석열a,b, 이경택a, 김재열a, 양명수a, 강인병a, 이호성b*
aLG Display 연구소, b경북대학교 신소재공학부
Characteristics of IGZO Films Formed by Room Temperature with Thermal Annealing Temperature.
Seok-ryeol Leea,b, Kyong-taik Leea, Jae-yeal Kima, Myoung-su Yanga, In-byeong Kanga, Ho-seong Leeb*
a
LG Display Laboratory, Gumi 730-726, Korea
b
School of Materials Science and Engineering, Kyungpook National University, Daegu 702-701, Korea (Received August 4, 2014 ; revised August 13, 2014 ; accepted August 20, 2014)
Abstract
We investigated the structural, electrical and optical characteristics of IGZO thin films deposited by a room- temperature RF reactive magnetron sputtering. The thin films deposited were annealed for 2 hours at various temperatures of 300, 400, 500 and 600
oC and analyzed by using X-ray diffractometer, transmission electron microscopy, atomic force microscope and Hall effects measurement system. The films annealed at 600
oC were found to be crystallized and their surface roughness was decreased from 0.73 nm to 0.67 nm. According to XPS measurements, concentration of oxygen vacancies were decreased at 600
oC. Optical band gap were increased to 3.31eV. The carrier concentration and Hall mobility were sharply increased at 600
oC. Our results indicate that the IGZO films deposited at a room temperature can show better thin film properties through a heat treatment.
Keywords : IGZO film, R.F. magnetron sputtering, annealing
1. 서 론
InGaZnO4 (IGZO)는 높은 전자 이동도, 고투과율, 소자 특성의 안정성 등의 이유로 Display 제품에서 기존에 사용되어 왔던 아몰포스-Si 기반 TFT 소자 의 대체 물질로 많은 주목을 받고 있다. 공정 조건 최적화, IGZO 조성, 후열처리에 따른 소자 특성 등 많은 연구가 진행되고 있으며, 많은 연구자들이 IGZO 기반의 TFT소자 특성의 개선 및 안정화를 위해서 다양한 접근으로 Device 성능 개선에 집중 하고 있다1.2). IGZO 기반의 TFT에서 증착 환경에 서 기인된 산소와 같은 특정 성분이 소자에 미치 는 영향과 수분에 의한 영향 등이 많이 연구되었으
며3-6), 특히 후열처리를 통한 소자 특성 개선이 중 요한 인자로 알려져 있다7,8). 후열처리 공정을 거치 면서 박막의 광투과율이 우수한 특성을 나타내고9), 이것과 관련된 IGZO 박막의 결정 구조와 산소 결 함에 따른 전기적 특성과의 관계성에 대해 많은 연 구가 진행되고 있다10,11). 일반적으로 후열처리 후 캐리어 농도가 증가 되는 것으로 알려져 있으며, 캐 리어 농도는 높은 성막 온도와 후열처리에 상당히 의존적이며, 저온 증착 된 상태에서 후열처리를 함 으로써 무질서한 원자 구조에서 원자가 재 배열됨 으로써 전자의 trap 밀도를 감소시켜 전자 이동도를 증가시킨다고 보고 되고 있다12). 본 연구에서는 마 그네트론 스퍼터링법을 이용한 IGZO = 1 : 1 : 1 타 켓으로 Glass에 IGZO 박막을 상온 증착하여, 박막 의 전기적 특성과 구조적 특성의 관계성을 밝히고,
*
Corresponding author. E-mail : [email protected]
각각 10분간 세정하였으며, 탈이온수로 헹군 뒤 N2
가스로 기판의 수분을 제거 시킨 후, In : Ga : Zn = 1 : 1 : 1의 타겟을 이용하여 챔버 안에 Ar : O2= 1 : 1 로 각각 75 sccm으로 유입시킨 후 3 × 10−3 torr의 공정압력으로 유지시켜 Power를 1.2 kW로하여 500 Å 두께로 증착하였다. 증착된 박막의 후열처리에 따른 특성 변화를 분석하고자 오븐을 이용하여 Air 분위기로 300oC, 400oC, 500oC, 600oC에서 각각 2 시간 동안 열처리 하였다.
증착된 IGZO 박막의 측정을 위해서 원자현미경 (AFM; Multimode, Veeco Co.)를 이용하여 IGZO 박막의 표면 형상을 측정하였으며, 후열처리 조건 에 따른 막의 결정학적 특성을 관찰하기 위해 X- 선 회절 분석기(XRD; SmartLab, Rigku Co.)를 사 용하였다. 이때 X-선의 회절각도는 0o~ 90o까지 변 화시켰으며, 타겟의 X-선은 CuKα=1.541Å 파장을 사용하였다. 또한 투과전자현미경 (TEM, JEM- ARM200F, Jeol Co.)을 이용하여 후열처리 조건에 따른 결정구조를 관찰하였으며, 전기적 특성을 측 정하기 위해 Hall effects 측정시스템 (HMS-3000, Ecopia Co.)을 사용하였다. 원소 조성 분석을 위해 서 X-선 광전자분광법 (XPS, K-ALPHA, Thermo- fisher Co.)를 이용하여 후열처리 온도에 따른 Metal oxide와 Oxygen Vacancy의 변화를 측정하였다. 분 광광도계 (Cary 300, Varian Co.)를 이용하여 IGZO 박막의 광투과도를 측정하였으며, 측정된 광투과도 로 부터 흡수계수 α와 광자에너지와의 관계식을 통 해 광학적 밴드갭을 구하였다
3. 실험결과 및 고찰
IGZO 박막은 LCD, Flexible, OLED등의 Display 에서 전자의 이동 속도에 영향을 주므로 결정 특성 평가는 중요하다. 그림 1은 300oC, 400oC, 500oC, 600oC에서 2시간 후열처리 후 각 시료들의 결정성 을 확인하기 위해 XRD를 이용하여 측정한 결과이 다. 600oC에서 2시간 후열처리한 시료에서만 2θ의 값이 30.5o 부근에서 IGZO에서 기인된 회절 피크
가 관찰되었으며, 300oC, 400oC, 500oC의 시료에서 는 회절피크가 관찰되지 않았다. 이 실험 결과는 저 온 증착된 IGZO 박막에서 후열처리 온도가 증가함 에 따라 (2 2 2)면으로 우선 성장한다는 실험결과 와 동일 하였다12).
그림 2는 AFM을 이용하여 후열처리 온도에 따 른 IGZO 박막의 표면 형상들을 나타낸 것이다. 측 정 결과 막의 표면 거칠기(RMS)는 300oC에서 0.73 nm, 400oC에서 0.75 nm, 500oC에서0.72 nm로 후열처리 온도에 따라 표면의 거칠기 차이는 거의 없었으며, 600oC에서는 0.67 nm로 약간 낮은 표면 거칠기를 나타내었다. XRD 측정에서 비정질로 확 인되었던 300oC, 400oC, 500oC시료에서 비슷한 거 칠기를 보인 반면, 결정 Peak가 관찰되었던 600oC 에서 낮은 거칠기를 나타내었는데, 이는 열처리 온 도 증가에 따라 표면 거칠기가 낮아진다는 결과와
Fig. 1. XRD patterns of the samples annealed at (a)
300
oC, (b) 400
oC, (c) 500
oC, and (d) 600
oC.
Fig. 2. Surface morphology of the samples annealed
at various temperatures.
일치 한다13,14). 이 결과는 후열처리에 따라 IGZO박 막의 구조 재배열이 일어나 공공이 감소하므로 조 밀한 구조를 가지는 것으로 판단된다. 그림 3은 고 분해능 투과전자현미경을 이용하여 IGZO박막의 단 면 미세구조의 결정성를 확인 하기 위한 측정결과 이다. 일반적으로 IGZO는 Zn의 조성함량이 높을수 록, 증착 온도가 높을수록 결정이 쉽게 형성된다고 알려져 있다15). XRD의 결과에서와 마찬가지로 300oC, 400oC, 500oC시료에서는 비정질로 관찰되었 으며, 600oC에서는 나노크리스탈이 형성되었음을 알 수 있었다. 500oC에서 30분 동안 후열처리한 IGZO 박막에서 결정이 관찰되었다고 보고되었으나10), IGZO 박막의 불안정한 특성 때문에 온도에 따른 결정구 조 해석은 아직까지도 명확하지 않아 많은 연구가 진행되고 있다.
그림 4는 200 ~ 800nm 파장 범위에서 온도에 따 른 후열처리 후 IGZO 박막의 투과도이다. 일반적 으로 열처리 후 박막은 높은 반사율 때문에 단 파
장에서 투과율이 후열처리전보다 낮은 것으로 알려 져 있으며, 장파장 영역의 투과율은 주로 자유 캐 리어 흡수에 영향을 받는 것으로 알려져 있다16). IGZO 박막에서 투과도는 300 ~ 400 nm 부근에서 후 열처리 온도가 증가 될수록 높고, 400 ~ 800 nm 구 간에서는 온도가 높을수록 투과율이 감소함을 알 수 있었다. 후열처리는 높은 전하 이동도 특성을 보 이며, 흡수 계수가 낮은 것으로 판단된다.
그림 5는 측정한 광투과도를 바탕으로 계산된 에 너지 밴드갭을 보여준다. 300oC와 400oC에서 3.0eV, 500oC에서 3.13eV, 600oC에서 3.31eV으로 열처리 온도 증가에 따라 광학적 밴드갭이 증가 하였다. 일 반적으로 비정질 IGZO 박막은 산화물 반도체 특성 으로 전도대 부근의 tail state가 영향을 미치는데, 열처리 온도가 증가할수록 결정성이 향상되어 전도 대 부근의 tail state를 감소시켜, 광학적 밴드캡이 증가하는 것으로 판단된다.
그림 6은 온도에 따른 열처리 후 IGZO박막의 캐 리어 이동도와 캐리어 밀도 및 비저항 변화를 나타 낸 것이다. 전자 이동도와 캐리어 농도는 비슷한 경 향이 있었다. 후열처리 온도 300oC 에서는 캐리어 이동도, 밀도 및 비저항이 측정 되지 않았으며,
Fig. 3. HR-TEM images of the samples annealed at
various temperatures.
Fig. 4. The Optical transmission spectrum of the samples annealed at various temperatures.
Fig. 5. Optical band gap curve of the sample annealed at various Temperatures.
Fig. 6. Carrier concentrations, mobilities, and resis-
tivities obtained from the sample annealed
at various temperatures.캐리어 이동도는 400oC, 500oC에서 10.77 cm2/Vs ~ 11.19 cm2/Vs, 600oC에서는 16.44 cm2/Vs로 급격하 게 증가하였고, 캐리어 밀도도 400oC에서 5.35 × 1016cm3, 그리고 500oC에서 2.09 × 1016 cm3 으로 차이가 없었으나, 600oC 일 때 1.19 × 1018 cm3 로 증 가하는 유사한 경향을 보였다. 그러나 비 저항은 열 처리 온도가 400oC에서는 10.4 Ωcm, 500oC에서는 2.7Ωcm, 600oC에서는 0.3 Ωcm로 감소하였다. 여기 에서 캐리어 농도와 밀도는 열처리 후 시료에서 급 격히 증가하였고, 열처리에 의존적임을 알 수 있었 다. 캐리어 농도 증가와 트랩된 전자가 방출 되므 로 트랩 전자 밀도를 감소시켜 원자배열을 개선시키 는 것으로 TEM 결과와 일치함을 알 수 있었다17). 그 러므로 캐리어 농도의 증가는 후열처리에 의해 원 자 배열을 개선시키는 것과 밀접한 관계가 있는 것 같다.
그림 7은 온도에 따른 열처리 후 XPS 스펙트럼 으로 IGZO 박막 내 산소의 결합상태를 보여준다.
O 1s 피크는 대표적으로 529.56 eV (OI)와 531.33 eV (OII)에서 두 개의 가우시안 형태로 fitting된다. 낮 은 결합 에너지 피크인 529.56 eV는 IGZO박막의 Zn, Ga 그리고 In에 둘러싸인 O2−에서 기인 되었으 며, 531.33 eV의 높은 결합에너지는 IGZO 박막 안 의 산소 결함영역에서 기인된 O2−와 관련이 있다18,19). 529.56 eV는 금속에 결합된 O2−이온으로는 300oC에 서 58.2%, 600oC에서 70.5%로 증가하였으며, 530.5 eV 인 산소빈자리는, 300oC 41.7%에서 600oC 29.9%로 감소하였다. 또한 후열처리 온도가 증가할 수록 금 속산화물의 함량이 증가한 반면, 산소빈자리는 감소 하였다. 산소 빈자리 감소는 IGZO의 저항을 감소 시킨다는 결과와 일치하며, 산소 빈자리에 의한 전 도 메커니즘은 IGZO와 같은 ZnO 기반의 연구에서 잘 알려져 있다19). 그러므로 이들 성분들의 강도는
이상에서 결정이 확인되었으며, 이때 전자 이 동도와 캐리어 농도가 급격하게 증가한 반면 저항 이 감소하였다. 또한 후열처리 온도가 증가 함에 따 라 밴드갭이 300oC에서 3.0 eV에서 600oC일때 3.31 eV 로 증가하는 특성을 확인할 수 있었으며, XPS에서 산소결함이 300oC 41.7%에서 600oC 29.9%로 감소 하는 것을 알 수 있었다. 이것으로 열처리 온도가 증가됨에 따라 밴드갭 특성이 우수한 것으로 확인 되었으며, 이는 후열처리를 통해 IGZO 박막내의 O2 관련 결함이 감소하였기 때문으로 판단된다.
IGZO = 1 : 1 : 1의 조성에서 600oC에서 결정화가 관 찰되며, 이에 따라 박막 특성이 변화 되는 것이 확 인되었다. 본 연구를 통해서 Air 분위기에서 후열 처리한 IGZO 박막은 전기-광학적 특성을 개선시켰 으며, IGZO 박막의 후열처리 온도를 최적화 함으 로써 IGZO 적용 디스플레이의 소자 개선 가능성을 확인 할 수 있었다.
REFERENCES
