Regular Paper 961 J. KIEEME Vol. 23, No. 12, pp. 961-965, December 2010 DOI: 10.4313/JKEM.2010.23.12.961 다양한기판온도에서증착된투명전도성 IGZO 박막의특성 김미선 1, 김동영 1, 서성보 1, 배강 1, 손선영 1, 김화민 1,a 1 대구가톨릭대학교전자공학과 Properties of Transparent Conductive IGZO Thin Films Deposited at Various Substrate Temperatures Mi-Sun Kim 1, DongYoung Kim 1, Sung-Bo Seo 1, Kang Bae 1, Sun-Young Sohn 1, and Hwa-Min Kim 1,a 1 Department of Electronics Engineering, Catholic University of Daegu, Gyeongsan 712-702, Korea (Received August 20, 2010; Revised October 28, 2010; Accepted December 1, 2010) Abstract: In this study, we investigated the optical, electrical, and structural properties of the IGZO(In 2O 3:Ga 2O 3:ZnO=1:9:90 wt.%) thin films prepared by RF-magnetron sputtering system under various substrate temperatures. All of the IGZO thin films shows an average transmittance of over the 80% in visible range. Most of all, deposited IGZO thin film at 100 o C substrate temperature have ZnO (002) of main growth peak and 17.02 nm of increased grains. And also IGZO thin film have low resistivity(1.35 10-3 Ω cm), high carrier concentration(6.62x10 20 cm -3 ) and mobility(80.1 cm 2 /Vsec). IGZO thin film have 2.08 mv at surface potential of electric force microscopy(efm). We suggest that pre-annealing at 100 o C can be applied for improving optical, electrical and structural properties. Keywords: TCO, RF-magnetron sputtering, IGZO, Pre-annealing, Electric force microscopy 1. 서론 1) 투명전도성산화물 (transparent conductive oxide, TCO) 박막은 liquid crystal display (LCD), plasma display panel (PDP), 압전소자및태양전지의투명전극으로사용되어지고있다. 투명전극의재료로많이쓰이는 indium tin oxide (ITO) 는가시광선영역에서의높은투과율과우수한전기전도성을가진다. 하지만수소플라즈마시 In과 Sn이환원되어전기적, 광학적으로불안정하여큰문제점으로지적되고있다 [1, 2]. 이를대체할물질로주목받고있는 ZnO는육방정계형 wurtzite 구조로서결정구조의이방성, 가시광영역에서광학적투과성, 높은굴절계수, 큰압전상수 a. Corresponding Author; hmkim@cu.ac.kr 등의다양한특성을가진재료이다. 또한 3.3 ev 정도의넓은밴드갭을가지는 n형반도체로서비화학양론적인결합으로인하여높은전기전도성을나타낸다. 이러한장점으로 ZnO를이용한연구가활발하게이루어지고있다. 일반적으로순수한진성 ZnO 박막의경우낮은전하운반자농도로인하여투명전극으로적용하기에는전기적인특성을향상시켜야한다. 따라서, 이러한단점을보완하기위해 ZnO 에 Al, In, Ga, B 등의 3족의불순물을도핑함으로써전기전도도를높이고대기중에서도안정된전기적성질을가진투명전극에관한연구결과들이보고되고있다 [3]. 또한, 기판온도에따른증착조건및열처리공정조건을최적화시킴으로써 indium zinc oxide (IZO) 와 gallium zinc oxide (GZO) 투명전도막의특성이향상된다는연구결과도보고되었다
962 J. KIEEME, Vol. 23, No. 12, pp. 961-965, December 2010: M.-S. Lim et al. [4,5]. 뿐만아니라 In 2O 3 와 Ga 2O 3 도핑한 ZnO (IGZO) 박막의경우 TFT 채널층및산화물박막트랜지스터의투명전극으로적용되고있다. 반면, IGZO 박막은일부광전자소자에적용된연구결과는보고되었으나공정조건또는열처리조건에따른연구결과는보고된바가거의없다. 따라서본연구에서는선행실험으로 RF-magnetron sputtering 방법을이용해 In 2O 3 와 Ga 2O 3 의혼합비에따른 IGZO 박막의특성들을분석하였으며, In 2O 3:Ga 2O 3:ZnO의비율이 1:9:90 wt.% 일때가장뛰어난전기적특성을갖는것을확인하였다. 따라서최적화된혼합비를기준으로 IGZO 박막의전기적, 구조적, 광학적특성들에서기판온도의영향을분석하였다. Table 1. Deposition conditions of IGZO films using RF-magnetron sputtering system. Deposition parameter Target Ratio Conditions In 2O 3:Ga 2O 3:ZnO (1:9:90 wt.%) Working Pressure 3.0x10-3 torr Carrier Gas RF Power Film Thickness Ar 13sccm 100W 300nm force microscopy (EFM, VEECO Co.) 장비를사용하여성막된박막의표면의이미지와표면전위들을비교, 분석하였다. 2. 실험방법 2.1 실험조건 3. 결과및고찰 본실험에서는 glass 기판에 RF-magnetron sputtering 방법으로 IGZO 박막을증착하기위해자체적으로타겟을제작하였다. 우선 Ga 2O 3, In 2O 3, ZnO의분말들을각각진공오븐에서 800 o C의온도에서 60분동안분말들의수분을제거하였다. 그후에 ball mill 방법으로각각의분말들을혼합한후열처리과정을통해 2차소성과정을거친후 hand mill과 ball mill 방법으로 24시간동안교반및분쇄작업을반복하였다. 마지막으로 sputtering용타겟으로사용하기위해 2인치펠렛 (pellet) 형태로 1100 kg ㆍweight/cm 2 의압력으로압착한후에 IGZO 타겟을고형화하였다. 증착전기판은 TCE, 아세톤, 메탄올의순서로각각 10분간세정하였으며, 질소가스로건조시켰다. RF-magnetron sputtering 장치를이용하여 IGZO 박막을제작하기위해서타겟과기판사이의거리는 60 mm, RF power는 100 W, 공정압력은 3.0x10-3 torr, 아르곤의유량은 13 sccm으로고정하였다. 박막증착시기판온도는 RT에서 400 o C까지변수로두었으며, 자세한증착조건은표 1에나타내었다. 성막된 IGZO 박막의전기적특성을알아보기위하여 Hall measurement system (HEM-2000, EGK Co.) 장비를사용하여캐리어농도및홀이동도를측정하였으며, X-ray diffractor (XRD, panalytical Co.) 를사용하여제작된박막들의기판온도에따른성장방향및결정성들을분석하였다. UV-visible spectrophotometer (UV-Vis, shimadzu Co.) 을사용하여광학적특성을측정하였으며, electric 3.1 기판온도에따른 IGZO 박막의광학적특성그림 1은 200 1100 nm의파장범위에서측정한 IGZO 박막의투과스펙트라이다. 기판의온도에상관없이제작된모든박막들은가시광영역에서 80% 이상의높은광투과율을나타내었다. 열처리하지않은박막과비교해다양한온도에서제작된박막들은흡수단이장파장또는단파장으로이동하지않았다. 이는 100 o C에서 400 o C까지의기판온도변화에의해서는 IGZO 박막의밴드갭이변하지않았다는것을의미한다. 3.2 기판온도에따른 IGZO박막의구조적특성그림 2는 IGZO 박막의기판온도에따른 XRD 측정결과를나타내었다. 실험결과실온에서증착된 IGZO 박막에비해기판온도가 100 o C인조건에서제작된박막은 ZnO (002) 방향의 Peak가향상된것을보이고있다. 반면, 기판온도가 100 o C 이상일경우 ZnO (002) 방향의결정성은감소되는경향을보이고있다. Scherrer formular를이용해 XRD 스펙트럼의반가폭 (full width at half maximum, FWHM) 으로부터입자크기를계산한결과, 기판온도가 100 o C인박막에서약 17.02 nm의가장큰입자크기를갖는것으로나타났다.
전기전자재료학회논문지, 제 23 권제 12 호 pp. 961-965, 2010 년 12 월 : 김미선등 963 Fig. 1. Optical transmission spectra of the IGZO thin films as a Fig. 2. XRD spectra of the IGZO thin films as a function of the substrate temperature. D = 0.9 λ B cosθ (1) 계산에적용된 X- 선의파장 ( λ) 은 Cu-K α 선 (1.5405 A ) 이며, B는 (002) peak의반치폭, θ는 Bragg의회절각을의미한다 [6]. 그래프의결과로부터알수있듯이 ZnO를기반으로한박막들의경우 34 부근에서 ZnO (002) 결정방향에대하여 C-축우선배향성을갖는다. 100 에서증착된 IGZO 박막의 ZnO (002) peak가결합력에부족한에너지를열에너지가충분히공급됨으로써원자의표면이동에의한영향으로인해 Zn과 O 2 간의결합력이 In 및 Ga의결합력보다높아져 ZnO peak가향상되었으며, 기판온도가 100 보다높은곳에서증착된 IGZO 박막은 In과 Ga의 O 2 와결합력이더커짐으로서 Zn과 O 2 와의결합력이낮아져 ZnO peak가감소되었다고사료된다. 이를통해나타난기판온도가 100 인박막에서결정성이가장크며, 이는박막내에전하의이동도를증가시켜박막의전기적특성을향상시킬수있다 [7,8]. 그림 3은기판온도에따른 IGZO 박막들의 EFM 측정결과표면형상들을나타낸것이다. 측정결과박막의표면거칠기는상온에서 1.75 nm가나타났으며, 100 o C에서증착된 IGZO 박막은 2.69 nm의표면거칠기를가지며이는제작된박막들가운데가장거친것으로나타났다. 이는기판온도 100 o C인박막에서표면의결정화가가장높게증가하고동시에결정의크기가증가하여표면이거칠어지게되는것으로사료된다 [9]. 반면기판의온도가 200 o C에서증착된 IGZO 박막은 100 o C에서증착된 IGZO 박막보다표면거칠기가낮아졌으며, 400 o C의기판온도에서증착된 IGZO 박막은 0.92 nm의가장낮은표면거칠기를 Fig. 3. Surface morphology of the IGZO thin films as a 나타내었다. 3.3 기판온도에따른 IGZO 박막의전기적특성그림 4와그림 5는 EFM 측정결과로부터정전기력을사용하여시료의표면전위및표면전하를측정한결과로부터박막의 EFM 이미지와평균표면전위그래프를보여주고있다. 측정시기판에 10.0 mv의바이어스를인가하였으며, IGZO 박막들의표면전위
964 J. KIEEME, Vol. 23, No. 12, pp. 961-965, December 2010: M.-S. Lim et al. Fig. 6. Resistivity property of IGZO thin film as a Fig. 4. EFM images of the IGZO thin films as a Fig. 7. Carrier concentration (left) and mobility (right) of the IGZO thin films as a function of the substrate temperature. Fig. 5. Average surface electric potential graph of IGZO thin films as a 를측정한결과기판의온도가 100 o C인박막에서 2.08 mv로가장높은평균표면전위를나타내었다. F= dc dz V dcv ac (2) 위의식은표면전위를구할때적용된식이며, Surface Potential의진동전압 (oscillating voltage) V ac 는 cantilever에직접적으로인가된다. 이때진동힘 F는식 (2) 에의해결정된다. dc/dz는시료와 tip 사이에 capacitance 값의수직미분값이고, V dc 는 tip과시료 에걸리는직류전압간의차이이다. 만약팁과시료사이에걸리는전압이없으면 V dc 는 0이며, 측정시 cantilever를통해다이오드에입력되는주파수변화는관측되지않을것이다 [9]. 만약에주파수변화가없거나매우작을경우측정된표면포텐셜이미지는어둡게나타날것이다. 반대로주파수변화가클경우측정된이미지는밝게나타날것이며, 이는샘플의전도성이뛰어나다는것을의미한다. 기판의온도가 100 o C인 IGZO 박막의결정립크기가가장크면서도표면포텐셜에너지값이가장큰것으로나타났다. 이는 100 o C에서증착된박막의전도성이가장우수하다는것을의미하며, 그림 4의결과와도일치함을보인다. 그림 6은기판온도변화에따른 IGZO 박막의비저항그래프이다. 실온에서증착된 IGZO 박막과비교해 100 o C에서열처리과정후증착된박막의비저항
전기전자재료학회논문지, 제 23 권제 12 호 pp. 961-965, 2010 년 12 월 : 김미선등 965 은 1.35 10-3 Ω cm로전기적특성이향상되었다. 그러나기판의온도가 100 o C 이상으로증가될경우박막의경우비저항은증가하였다. 이는그림 7에서기판온도에따른박막들의캐리어농도와이동도의결과에서확인할수있듯이기판의온도가 100 o C인 IGZO 박막에서가장높은캐리어농도 (6.62 10 20 cm -3 ) 와이동도 (80.1 cm 2 /Vsec) 를갖는것으로확인되었다. 결론적으로 RF-magnetron sputtering을이용하여최적화된온도에서열처리된 IGZO 박막은결정성이향상되어전하의농도와이동도를상승시켜비저항이감소하는데기여하였다 [10]. 반면에, IGZO 박막의경우 100 o C이상의기판온도에서성장될경우각물질의화학조성의불균형으로인해 ZnO (002) 방향의 C-축우선배향성이오히려감소해전기적특성이저하된다. 4. 결론 본실험에서는 RF-magnetron sputtering 방법으로다양한기판온도에서제작된 IGZO 박막들의광학적, 구조적, 전기적특성들을분석하였다. 제작된 IGZO 박막들은 80% 이상의높은광학적투과도를보였다. 특히, XRD 결과를통하여 100 o C 에서제작한 IGZO 박막에서가장높은 ZnO (002) 배향성을확인하였으며, 반가폭으로부터입자의크기를계산한결과 17.02 nm 로가장큰입자크기를나타내었다. 전기적특성을확인하기위하여캐리어농도및홀이동도를측정한결과, 기판온도 100 o C 에서증착된 IGZO 박막에서가장낮은비저항 (1.35 10-3 Ω cm) 과높은캐리어농도 (6.62X10 20 cm -3 ) 및홀이동도 (80.1 cm 2 /V ㆍ sec) 를확인하였다. 박막들의표면포텐셜에너지값을측정한결과, 100 o C 에서증착된 IGZO 박막은 2.08 mv 로가장높은평균표 면전위를나타내었다. 본연구를통해 IGZO 박막의증착온도를최적화함으로써평판디스플레이나태양전지의투명소자로의적용가능성을확인하였다. 감사의글본연구는중소기업청에서지원하는 2010년도산학연공동기술개발지원사업 ( 일련번호 :00043339) 의연구수행으로인한결과물임을밝힙니다. REFERENCES [1] J. Han, P. Q. Mantas, and A. M. R. Senos, J. EUR. CERAM. SOC. 21, 1338 (2001). [2] T. Minami, H. Nanto, and S. Takata, Jpn. J. Appl. Phys. 23, 280 (1984). [3] P. Nunes, E. Fortunato, P. Tonello, F. Braz Fernandesa, P. Vilarinhob, and R. Martins, Vacuum, 64, 281 (2002). [4] S.-U. Oh, E.-W. Kim, T.-Y. Lee, H.-I. Kang, B.-S. Kim, and J.-T. Song, J. KIEEME 20, 776 (2007). [5] J.-J. Kim and H.-M. Kim, J. Kor. Vac. Soc. 14, 238 (2005). [6] H. Okano, Y. Takahashi, T. Tanaka, K. Shibata, and S. Nakono, Jpn. J. Appl. Phys. 31, 3017 (1992). [7] P. Wang, N. Chen, Z. Yin, F. Yang, and C. Peng, J. Cryst. Growth. 290, 56 (2006). [8] R. K. Sahu, R. D. Vispute, S. Dhar, D. C. Kundaliya, and S. S.Manoharan, Thin Solid Films, 517, 1829 (2008). [9] D.-Y, Kim, H.-M, Kang, and H.-J, Kim, J. Kor. Vac. Soc. 19, 177 (2010). [10] C. A Hubber, T. E. Hubber, M. Sadoqi, L. A. Lubin, S. Manalis, and C.B. Prater, Science, 263, 800 (1994).