고주파 반응성 스퍼터링법으로 증착된 p형 산화주석 박막에 Sn:SnO 혼합 타겟이 미치는 영향 연구 :The Study of p-type Tin Oxide Thin Films using various Sn/SnO composite target by RF Reactive Magnetron Sputtering

김철

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김철 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 김사라은경

발행연도: 2016

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2017

SnO/Sn 혼합 타겟으로 스퍼터 증착된 SnO 박막의 열처리 효과

김철 , 조승범 , 김성동 외 1명 마이크로전자 및 패키징학회지 2017.01 학술저널

2016

고주파 반응성 스퍼터링법으로 증착된 p형 산화주석 박막에 Sn:SnO 혼합 타겟이 미치는 영향 연구

김철 2016.01 학위논문

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투명 전도성 산화물은 가시광선 영역에서 높은 투과도와 우수한 반도체 특성으로 인해 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히, 투명 산화물 재료는 투명 전극, OLED, 액정 디스플레이, 트랜지스터와 같은 넓은 범위의 소자에 적용되고 있다.
대부분의 산화물 재료는 oxygen 2p orbital이 valence band maximum의 매우 낮은 곳에 위치하는 전자 밴드 구조로 인해 n형 전도 특성을 보인다. 하지만, 투명 CMOS 연산 소자를 구현하기 위해서는 n형 산화물 재료뿐만 아니라 p형 산화물 재료에 관한 선행 연구가 진행되어야 한다. 본 연구에서 다룰 SnO는 Sn 5s orbital이 oxygen 2p orbital과 함께 hybridized orbital을 구성하기 때문에 p형 전도 특성을 가질 수 있는 전자 밴드 구조를 갖는다. 도핑을 하지 않아도 p형 전도 특성을 보이는 SnO는 최근에 이르러 많은 연구가 이뤄지고 있으며 pn접합 다이오드, 박막 트랜지스터와 같은 소자 응용 연구가 보고되고 있다.
하지만, 현재까지 SnO는 고온에서 준안정상에 속하기 때문에 안정된 p형 특성을 가진 SnO 박막을 제조하는게 매우 어려운 실정이다. 그러므로 본 연구에서는 안정된 p형 전도 특성을 가지는 SnO 박막 제조 및 박막 트랜지스터 소자 제작에 초점을 맞추었다. 연구 단계는 크게 세 단계로 나누어 진행하였다. 첫번째로 소스 타겟 조성이 SnOx 박막에 미치는 영향을 조사하기 위해서 metallic Sn, Sn+SnO(50mol% Sn) composite, Sn+SnO(20mol% Sn) composite, ceramic SnO 4가지 다른 조성을 가지는 타겟을 이용하여 박막을 제조하였다. 박막 증착시, 산소분압(O2 content = 0-12%, 3%/step), 플라즈마 파워(20-50W, 15W/step), 열처리(300℃) 세 가지 공정 변수를 이용하였다. 증착된 SnOx 박막의 구조적, 전기적, 광학적 특성을 분석하여 p형 SnOx 박막 제조에 가장 적합한 타겟이 Sn+SnO(20mol% Sn) composite 타겟임을 확인하였다.
다음으로 Sn+SnO(20mol% Sn) composite 타겟을 이용한 SnOx 박막을 심층 분석하여 두 가지 다른 화학양론을 가지는 p형 SnO 박막을 제조하였음을 확인하였다. 기존 p형 SnO 박막 연구는 tin-rich p형 SnO 박막 연구가 주를 이뤘으나 본 연구에서는 tin-rich p형 SnO 박막뿐만 아니라 oxygen-rich p형 SnO 박막 제조가 Sn+SnO(20mol% Sn) composite 타겟을 통해 가능함을 보였다. Tin component가 존재하는 p형 SnO 박막은 높은 이동도를 가진다는 학계 보고가 있으나 박막 트랜지스터에 쓰이기에는 p형 반도체 특성을 제어하기가 어려운 부분이 있었다. 반면, Sn+SnO(20mol% Sn) composite 타겟을 이용한 oxygen-rich p형 SnO 박막은 넓은 process window에서 p형 전도 특성을 보이며 박막 제조 재현성과 전기적 안정성을 보여주었다.
마지막으로 본 연구 실험에서 가장 우수한 전기적 특성을 보여준 oxygen-rich p-SnO 박막을 이용하여 박막 트랜지스터 소자를 성공적으로 제작하고 소자 분석을 진행하였다.

Transparent conductive oxides(TCOs) have been studied because of their high transmittance in the visible region and their excellent semiconductor properties. In particular, transparent semiconductor oxides (TSOs) have been applied to a wide range of devices such as transparent electrodes, OLEDs, liquid crystal displays, and transistors.
Most of oxide materials show n-type conductivity due to the electronic band structure in which the oxygen 2p orbital is located at a very low valence band maximum. However, in order to realize a transparent CMOS circuit device, advanced research on n-type oxide materials as well as materials for p-type oxide should be conducted simultaneously. SnO, which is discussed in this study, has an electron band structure that can have p-type conductivity because tin 5s orbitals hybridized together with oxygen 2p orbitals. Therefore, many researches have been made on SnO which shows p-type conduction characteristics without doping, and researches on device applications such as pn junction diodes and thin film transistors have been reported.
However, to date, it has been difficult to fabricate SnO thin films with stable p-type characteristics because SnO shows metastable phase at high temperature. Therefore, this paper focuses on the fabrication of SnO thin films with stable p-type conductivity and the fabrication of thin film transistor devices using p-type SnO. This study was conducted in three stages. First of all, in order to investigate the effect of the source target composition on the SnOx thin film, we have fabricated the various of SnOx thin films using 4 different targets: metallic Sn, Sn+SnO(50mol% SnO: 50mol% Sn), Sn+SnO(80mol% SnO: 20mol% Sn). Three process variables were used for thin film deposition: oxygen partial pressure (O2 content = 0-12%, 3%/step), plasma power (20-50W, 15W/step) and heat treatment (300℃ in vacuum). Through the analysis of structural, electrical and optical properties of the deposited SnOx thin films, it was confirmed that Sn+SnO(20mol% Sn) composite target is the most viable target for the fabrication of p-type SnOx thin films.
Next, it was confirmed that p-type SnOx thin films having two different stoichiometry could be fabricated using Sn+SnO(20mol% Sn) composite target as a consequence of in-depth analysis. To be more specific, previous p-type SnO thin film researches were mainly focused on tin-rich p-type SnO thin film but, in this study, it was shown that the fabrication of tin-rich p-type SnO thin films as well as oxygen-rich p-type SnO thin films is possible with Sn+SnO(20mol% Sn) composite targets. In general, the p-type SnO thin film having a tin component has a high mobility, but it is difficult to control the characteristics of the p-type semiconductor for a thin film transistor. On the other hand, the oxygen-rich p-type SnO thin film using Sn+SnO (20mol% Sn) composite target exhibited p-type conductivity in a wide process window and showed thin film manufacturing reproducibility and electrical stability.
Finally, we successfully fabricated thin film transistor devices and analyzed the devices using oxygen-rich p-SnO thin films, which showed the best electrical properties in this research.

#SnO #thin film #sputtering #p-type #target composition

요약 ⅰ
표목차 ⅲ
그림목차 iv
I. Motivation and Objective of Dissertation 1
II. Literature Review and Technical Background 3
1. Transparent Conducting and Semiconducting Oxides 3
2. Fundamentals of p-type Tin Monoxide 9
3. Engineering issues on p-type SnO thin film fabrication 14
4. Fundamentals of Thin Film Transistor (TFT) 17
4.1 Structures of TFT 17
4.2 Basic operation of TFT 18
4.3 Characterization of p-channel TFT 21
III. Experimental Procedure 27
1. Thin Film Deposition Process 27
1.1 Substrate preparation 27
1.2 SnOx Thin Film Deposition using RF Reactive Sputtering 27
2. Thin Film Characterization 33
2.1 X-ray Diffraction (XRD) 33
2.2 X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 33
2.3 Hall Effect Measurement 34
2.4 Optical Characterization 35
3. Thin Film Transistor Fabrication 37
4. Device Characterization 39
IV. Results and Discussion 40
1. Overview of SnOx Thin Films Fabricated by 4 Different Sputtering Targets 40
1.1 Structural Property 41
1.2 Electrical Property 45
1.3 Optical Property 55
1.4 Conclusion 59
2. p-type SnO Thin Films using Sn:SnO Composite (20mol% Sn) Target 61
2.1 The most compatible target for p-type SnOx thin film fabrication 61
2.2 Structural property of p-type SnOx thin films (20W and 0 - 12% O2) 64
2.3 Optical property of p-type SnOx thin films (20W and 0 - 12% O2) 66
2.4 Electrical property of p-type SnOx thin films (20W and 0 - 12% O2) 67
2.5 Conclusion 68
3. Thin Film Transistor using p-type SnOx thin film 69
3.1 Structure of p-channel TFT 69
V. Summary and Perspectives 73
1. Summary 73
2. Perspectives 74
Reference 75
Abstract 96
Acknowledgement

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