• Journal of the Korean Vacuum Society
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• v.16 no.5
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• pp.359-365
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• 2007

In this paper we present a bottom-gate type of zinc oxide (ZnO) and Gallium (Ga) doped zinc oxide (GZO) based thin film transistors (TFTs) through applying a radio frequency (RF) magnetron sputtering method at room temperature. The gate leakage current can be reduced up to several ph by applying $SiO_2$ thermally grown instead of using new gate oxide materials. The root mean square (RMS) values of the ZnO and GZO film surface were measured as 1.07 nm and 1.65 nm, respectively. Also, the transmittances of the ZnO and GZO film were more than 80% and 75%, respectively, and they were changed as their film thickness. The ZnO and GZO film had a wurtzite structure that was arranged well as a (002) orientation. The ZnO TFT had a threshold voltage of 2.5 V, a field effect mobility of $0.027\;cm^2/(V{\cdot}s)$, a on/off ratio of $10^4$, a gate voltage swing of 17 V/decade and it operated in a enhancement mode. In case of the GZO TFT, it operated in a depletion mode with a threshold voltage of -3.4 V, a field effect mobility of $0.023\;cm^2/(V{\cdot}s)$, a on/off ratio of $2{\times}10^4$ and a gate voltage swing of 3.3 V/decade. We successfully demonstrated that the TFTs with the enhancement and depletion mode type can be fabricated by using pure ZnO and 1wt% Ga-doped ZnO.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.334-334
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• 2012

Transparent oxide semiconductors have recently attracted much attention as channel layer materials due to advantageous electrical and optical characteristics such as high mobility, high stability, and good transparency. In addition, transparent oxide semiconductor can be fabricated at low temperature with a low production cost and it permits highly uniform devices such as large area displays. A variety of thin film transistors (TFTs) have been studied including ZnO, InZnO, and InGaZnO as the channel layer. Recently, there are many studies for substitution of Ga in InGaZnO TFTs due to their problem, such as stability of devices. In this work, new quaternary compound materials, tantalum-indium-tin oxide (TaInSnO) thin films were fabricated by using co-sputtering and used for the active channel layer in thin film transistors (TFTs). We deposited TaInSnO films in a mixed gas (O2+Ar) atmosphere by co-sputtering from Ta and ITO targets, respectively. The electric characteristics of TaInSnO TFTs and thin films were investigated according to the RF power applied to the $Ta_2O_5$ target. The addition of Ta elements could suppress the formation of oxygen vacancies because of the stronger oxidation tendency of Ta relative to that of In or Sn. Therefore the free carrier density decreased with increasing RF power of $Ta_2O_5$ in TaInSnO thin film. The optimized characteristics of TaInSnO TFT showed an on/off current ratio of $1.4{\times}108$, a threshold voltage of 2.91 V, a field-effect mobility of 2.37 cm2/Vs, and a subthreshold swing of 0.48 V/dec.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2015.08a
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• pp.208.1-208.1
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• 2015

최근, 차세대 투명 디스플레이 구동소자로서 산화물 반도체를 이용한 Transparent Amorphous Oxide Semiconductor (TAOS) 기술이 큰 주목을 받고 있다. 산화물 반도체는 기존의 a-Si에 비해 우수한 전기적인 특성과 낮은 구동전압 그리고 넓은 밴드 갭으로 인한 투명성의 장점들이 있다. 그리고 낮은 공정 온도에서도 제작이 가능하기 때문에 유리나 플라스틱과 같은 다양한 기판에서도 박막 증착이 가능하다. 하지만 기존의 furnace를 이용한 열처리 방식은 낮은 온도에서 우수한 전기적인 특성을 내기 어려우며, 공정 시간이 길어지는 단점들이 있다. 따라서 본 연구에서는 산화물 반도체중 In-Ga-Zn-O (IGZO)와 In-Sn-O(ITO)를 각각 채널 층과 게이트 전극으로 이용하였다. 또한 마이크로웨이브 열처리 기술을 이용하여 기존의 열처리 방식에 비해 에너지 전달 효율이 높고 짧은 시간동안 저온 공정이 가능하며 우수한 전기적인 특성을 가지는 투명 박막 트랜지스터를 구현 하였다. 본 실험은 glass 기판위에서 진행되었으며, RF sputter를 이용하여 ITO를 150 nm 증착한 후, photo-lithography 공정을 통하여 하부 게이트 전극을 형성하였다. 이후에 RF sputter를 이용하여 SiO2 와 IGZO 를 각각 300, 50 nm 증착하였고, patterning 과정을 통하여 채널 영역을 형성하였다. 또한 소자의 전기적인 특성 향상을 위해 마이크로웨이브 열처리를 1000 Watt로 2 분간 진행 하였고, 비교를 위하여 기존 방식인 furnace 를 이용하여 N2 분위기에서 $400^{\circ}C$로 30분간 진행한 소자도 병행하였다. 그 결과 마이크로웨이브를 통해 열처리한 소자는 공정 온도가 $100^{\circ}C$ 이하로 낮기 때문에 glass 기판에 영향을 주지 않고 기존 furnace 열처리 한 소자보다 전체적으로 전기적인 특성이 우수한 것을 확인 하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2016.02a
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• pp.217-217
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• 2016

The amorphous InGaZnO (a-IGZO) is widely accepted as a promising channel material for thin-film transistor (TFT) applications owing to their outstanding electrical properties [1, 2]. However, a-IGZO TFTs have still suffered from their bias instability with illumination [1-4]. Up to now, many researchers have studied the sub-gap density of states (DOS) as the root cause of instability. It is well known that defect states can influence on the performances and stabilities of a-IGZO TFTs. The defects states should be closely related with the deposition condition, including sputtering power, and pressure. Nevertheless, it has not been reported how these defects are created during conventional RF magnetron sputtering. In general, during conventional RF magnetron sputtering process, negative oxygen ions (NOIs) can be generated by electron attachment in oxygen atom near target surface and then accelerated up to few hundreds eV by a self-bias; at this time, the high energy bombardment of NOIs induce defects in oxide thin films. Recently, we have reported that the properties of IGZO thin films are strongly related with effects of NOIs which are generated during the sputtering process [5]. From our previous results, the electrical characteristics and the chemical bonding states of a-IGZO thin films were depended with the bombardment energy of NOIs. And also, we suggest that the deep sub-gap states in a-IGZO as well as thin film properties would be influenced by the bombardment of high energetic NOIs during the sputtering process.In this study, we will introduce our novel technology named as Magnetic Field Shielded Sputtering (MFSS) process to prevent the NOIs bombardment effects and present how much to be improved the properties of a-IGZO thin film by this new deposition method. We deposited a-IGZO thin films by MFSS on SiO2/p-Si and glass substrate at various process conditions, after which we investigated the morphology, optical and electrical properties of the a-IGZO thin films.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.341-341
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• 2012

Recently, oxide semi-conductor materials have been investigated as promising candidates replacing a-Si:H and poly-Si semiconductor because they have some advantages of a room-temperature process, low-cost, high performance and various applications in flexible and transparent electronics. Particularly, amorphous indium-gallium-zinc-oxide (a-IGZO) is an interesting semiconductor material for use in flexible thin film transistor (TFT) fabrication due to the high carrier mobility and low deposition temperatures. In this work, we demonstrated improvement of flexibility in IGZO TFTs, which were fabricated on polyimide (PI) substrate. At first, a thin poly-4vinyl phenol (PVP) layer was spin coated on PI substrate for making a smooth surface up to 0.3 nm, which was required to form high quality active layer. Then, Ni gate electrode of 100 nm was deposited on the bare PVP layer by e-beam evaporator using a shadow mask. The PVP and $Al_2O_3$ layers with different thicknesses were used for organic/inorganic multi gate dielectric, which were formed by spin coater and atomic layer deposition (ALD), respectively, at $200^{\circ}C$. 70 nm IGZO semiconductor layer and 70 nm Al source/drain electrodes were respectively deposited by RF magnetron sputter and thermal evaporator using shadow masks. Then, IGZO layer was annealed on a hotplate at $200^{\circ}C$ for 1 hour. Standard electrical characteristics of transistors were measured by a semiconductor parameter analyzer at room temperature in the dark and performance of devices then was also evaluated under static and dynamic mechanical deformation. The IGZO TFTs incorporating hybrid gate dielectrics showed a high flexibility compared to the device with single structural gate dielectrics. The effects of mechanical deformation on the TFT characteristics will be discussed in detail.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2015.08a
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• pp.211.1-211.1
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• 2015

최근 용액 공정을 이용한 산화물 반도체에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 넓은 밴드갭을 가지고 있는 산화물 반도체는 높은 투과율을 가지고 있어 투명 디스플레이에 적용이 가능하다. 기존의 박막 진공증착 방법은 진공상태를 유지하기 위한 장비의 가격이 비싸며, 대면적의 어려움, 높은 생산단가 등으로 생산율이 높지 않다. 하지만 용액 공정을 이용하면 대기압에서 증착이 가능하고 대면적화가 가능하다. 그리고 각각의 조성비를 조절하는 것이 가능하다. 이러한 장점에도 불구하고, 소자의 신뢰성이나 저온공정은 중요한 이슈이다. Instability는 threshold voltage (Vth)의 shift 및 on/off switching의 신뢰성과 관련된 parameter이다. 용액은 소자의 전기적 특성을 열화 시키는 수분 과 탄소계열의 불순물을 다량 포함 하고 있어 고품질의 박막을 형성하기 위해서는 고온의 열처리가 필요하다. 기존의 열처리는 고온에서 장시간 이루어지기 때문에 유리나 플라스틱, 종이 기판의 소자에서는 불가능하지만 $100^{\circ}C$ 이하의 저온 공정인 microwave를 이용하면 유리, 플라스틱, 종이 기판에서도 적용이 가능하다. 본 연구에서는 산화물 반도체 중에서 InGaZnO (IGZO)를 용액 공정으로 제작한 juctionless thin-film transistor를 제작하여 기존의 열처리를 이용하여 처리한 소자와 microwave를 이용해서 열처리한 소자의 전기적 특성을 한 달 동안 관찰 하였다. 또한 In:Zn의 비율을 고정한 후 Ga의 비율을 달리하여 특성을 비교하였다. 먼저 p-type bulk silicon 위에 SiO2 산화막이 100 nm 증착된 기판에 RCA 클리닝을 진행 하였고, solution InGaZnO 용액을 spin coating 방식으로 증착하였다. Coating 후에, solvent와 수분을 제거하기 위해서 $180^{\circ}C$에서 10분 동안 baking공정을 하였다. 이후 furnace열처리와 microwave열처리를 비교하기 위해 post-deposition-annealing (PDA)으로 furnace N2 분위기에서 $600^{\circ}C$에서 30분, microwave를 1800 W로 2분 동안 각각의 샘플에 진행하였다. 또한, HP 4156B semiconductor parameter analyzer를 이용하여 제작된 TFT의 transfer curve를 측정하였다. 그 결과, microwave 열처리한 소자의 경우 기존의 furnace 열처리 소자와 비교하여 높은 mobility, 낮은 hysteresis 값을 나타내었으며, 1달간 소자의 특성을 관찰하였을 때 microwave 열처리한 소자의 경우 전기적 특성이 거의 변하지 않는 것을 확인하였다. 따라서 향후 용액공정, 저온공정을 요구하는 소자 공정에 있어 열처리방법으로 microwave를 이용한 활용이 기대된다.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2009.11a
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• pp.5-5
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• 2009

Thin-film-transistors (TFTs) that can be prepared at low temperatures have attracted much attention because of the great potential for transparent and flexible electronics. One of the mainstreams in this field is the use of organic semiconductors such as pentacene. But device performance of the organic TFTs is still limited due to low field-effect mobility and rapid degradation after exposing to air. Alternative approach is the use of amorphous oxide semiconductors as a channel. Amorphous oxide semiconductors (AOSs) based TFTs showed the fast technological development, because AOS films can be fabricated at room temperature and exhibit the possibility in application like flexible display, electronic paper, and larges solar cells. Among the various AOSs, a-IGZO has lots of advantages because it has high channel mobility, uniform surface roughness and good transparency. [1] The high mobility is attributed to the overlap of spherical s-orbital of the heavy post-transition metal cations. This study demonstrated the effect of the variation in channel thickness from 30nm to 200nm on the TFT device performance. When the thickness was increased, turn-on voltage and subthreshold swing was decreased. The a-IGZO channels and source/drain metals were deposited with shadow mask. The a-IGZO channel layer was deposited on $SiO_2$/p-Si substrates by RF magnetron sputtering, where RF power is 150W. And working pressure is 3m Torr, at $O_2/Ar$ (2/28 sccm) atmosphere. The electrodes were formed with electron-beam evaporated Ti (30 nm) and Au (70 nm) bilayer. Finally, Al (150nm) as a gate metal was thermal-evaporated. TFT devices were heat-treated in a furnace at 250 $^{\circ}C$ and nitrogen atmosphere for 1hour. The electrical properties of the TFTs were measured using a probe-station. The TFT with channel thickness of 150nm exhibits a good subthreshold swing (SS) of 0.72 V/decade and on-off ratio of $1{\times}10^8$. The field effect mobility and threshold voltage were evaluated as 7.2 and 8 V, respectively.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2015.08a
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• pp.208.2-208.2
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• 2015

최근 산화물 반도체에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 비정질 산화물 반도체인 In-Ga-Zn-O(IGZO)는 기존의 비정질 실리콘에 비해 공정 단가가 낮으며 넓은 밴드 갭으로 인한 투명성을 가지고 있고, 저온 공정이 가능하여 다양한 기판에 적용이 가능하다. 반도체의 공정 과정에서 열처리는 소자의 특성 개선을 위해 필요하다. 일반적인 열처리 방법으로 furnace 열처리 방식이 주로 이용된다. 그러나 furnace 열처리는 시간이 오래 걸리며 일반적으로 고온에서 이루어지기 때문에 최근 연구되고 있는 유리나 플라스틱, 종이 기판을 이용한 소자의 경우 기판이 손상을 받는 단점이 있다. 이러한 단점들을 극복하기 위하여 저온 공정인 마이크로웨이브를 이용한 열처리 방식이 제안되었다. 마이크로웨이브 열처리 기술은 소자에 에너지를 직접적으로 전달하기 때문에 기존의 다른 열처리 방식들과 비교하여 에너지 전달 효율이 높다. 또한 짧은 공정 시간으로 공정 단가를 절감하고 대량생산이 가능한 장점을 가지고 있으며, 저온의 열처리로 기판의 손상이 없기 때문에 기판의 종류에 국한되지 않은 공정이 가능할 수 있을 것으로 기대된다. 따라서 본 연구에서는 마이크로웨이브 열처리가 소자의 전기적 특성 개선에 미치는 영향을 확인하였다. 제작된 IGZO 박막 트렌지스터는 p-type bulk silicon 위에 thermal SiO2 산화막이 100 nm 형성된 기판을 사용하였다. RCA 클리닝을 진행한 후 RF sputter를 사용하여 In-Ga-Zn-O (1:1:1) 을 70 nm 증착하였다. 이후에 Photo-lithography 공정을 통하여 active 영역을 형성하였고, 전기적 특성 평가가 용이한 junctionless 트랜지스터 구조로 제작하였다. 후속 열처리 방식으로 마이크로웨이브 열처리를 1000 W에서 2분간 실시하였다. 그리고 기존 열처리 방식과의 비교를 위해 furnace를 이용하여 N2 가스 분위기에서 $600^{\circ}C$의 온도로 30분 동안 열처리를 실시하였다. 그 결과, 마이크로웨이브 열처리를 한 소자의 경우 기존의 furnace 열처리 소자와 비교하여 우수한 전기적 특성을 나타내는 것을 확인하였다. 따라서 마이크로웨이브를 이용한 열처리 공정은 향후 저온 공정을 요구하는 소자 공정에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2015.08a
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• pp.210.1-210.1
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• 2015

최근 산화물 반도체에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 비정질 산화물 반도체인 In-Ga-Zn-O (IGZO)는 기존의 비정질 실리콘에 비해 공정 단가가 낮으며 넓은 밴드 갭으로 인한 투명성을 가지고 있고, 저온 공정이 가능하여 다양한 기판에 적용이 가능하다. 반도체의 공정 과정에서 열처리는 소자의 특성 개선을 위해 필요하다. 일반적인 열처리 방법으로 furnace 열처리 방식이 주로 이용된다. 그러나 furnace 열처리는 시간이 오래 걸리며 일반적으로 고온에서 이루어지기 때문에 최근 연구되고 있는 유리나 플라스틱, 종이 기판을 이용한 소자의 경우 기판이 손상을 받는 단점이 있다. 이러한 단점들을 극복하기 위하여 저온 공정인 마이크로웨이브를 이용한 열처리 방식이 제안되었다. 마이크로웨이브 열처리 기술은 소자에 에너지를 직접적으로 전달하기 때문에 기존의 다른 열처리 방식들과 비교하여 에너지 전달 효율이 높다. 또한 짧은 공정 시간으로 공정 단가를 절감하고 대량생산이 가능한 장점을 가지고 있으며, 저온의 열처리로 기판의 손상이 없기 때문에 기판의 종류에 국한되지 않은 공정이 가능할 수 있을 것으로 기대된다. 따라서 본 연구에서는 마이크로웨이브 열처리가 소자의 전기적 특성 개선에 미치는 영향을 확인하였다. 제작된 IGZO 박막트렌지스터는 p-type bulk silicon 위에 thermal SiO2 산화막이 100 nm 형성된 기판을 사용하였다. RCA 클리닝을 진행한 후 RF sputter를 사용하여 In-Ga-Zn-O (1:1:1)을 70 nm 증착하였다. 이후에 Photo-lithography 공정을 통하여 active 영역을 형성하였고, 전기적 특성 평가가 용이한 junctionless 트랜지스터 구조로 제작하였다. 후속 열처리 방식으로 마이크로웨이브 열처리를 1000 W에서 2분간 실시하였다. 그리고 기존 열처리 방식과의 비교를 위해 furnace를 이용하여 N2 가스 분위기에서 $600^{\circ}C$의 온도로 30분 동안 열처리를 실시하였다. 그 결과, 마이크로웨이브 열처리를 한 소자의 경우 기존의 furnace 열처리 소자와 비교하여 우수한 전기적 특성을 나타내는 것을 확인하였다. 따라서, 마이크로웨이브를 이용한 열처리 공정은 향후 저온 공정을 요구하는 소자 공정에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

• Korean Journal of Materials Research
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• v.30 no.11
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• pp.615-620
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• 2020

Oxide semiconductor, represented by a-IGZO, has been commercialized in the market as active layer of TFTs of display backplanes due to its various advantages over a-Si. a-IGZO can be deposited at room temperature by RF magnetron sputtering process; however, additional thermal annealing above 300℃ is required to obtain good semiconducting properties and stability. These temperature are too high for common flexible substrates like PET, PEN, and PI. In this work, effects of microwave annealing time on IGZO thin film and associated thin-film transistors are demonstrated. As the microwave annealing time increases, the electrical properties of a-IGZO TFT improve to a degree similar to that during thermal annealing. Optimal microwave annealed IGZO TFT exhibits mobility, SS, V_th, and V_H of 6.45 ㎠/Vs, 0.17 V/dec, 1.53 V, and 0.47 V, respectively. PBS and NBS stability tests confirm that microwave annealing can effectively improve the interface between the dielectric and the active layer.