• Transactions on Electrical and Electronic Materials
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• v.15 no.6
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• pp.328-332
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• 2014

Thin film transistors (TFTs) with an amorphous silicon zinc tin oxide (a-2SZTO) channel layer have been fabricated using an RF magnetron sputtering system. The effect of the change of excitation electron on the variation of the total interfacial trap states of a-2SZTO systems was investigated depending on sputtering power, since the interfacial state could be changed by changing sputtering power. It is well known that Si can effectively reduce the generation of the oxygen vacancies. However, The a-2SZTO systems of ZTO doped with 2 wt% Si could be degraded because the Si peripheral electron belonging to a p-orbital affects the amorphous zinc tin oxide (a-ZTO) TFTs of the s-orbital overlap structure. We fabricated amorphous 2 wt% Si-doped ZnSnO (a-2SZTO) TFTs using an RF magnetron sputtering system. The a-2SZTO TFTs show an improvement of the electrical property with increasing power. The a-2SZTO TFTs fabricated at a power of 30 W showed many of the total interfacial trap states. The a-2SZTO TFTs at a power of 30 W showed poor electrical property. However, at 50 W power, the total interfacial trap states showed improvement. In addition, the improved total interfacial states affected the thermal stress of a-2SZTO TFTs. Therefore, a-2SZTO TFTs fabricated at 50 W power showed a relatively small shift of threshold voltage. Similarly, the activation energy of a-2SZTO TFTs fabricated at 50 W power exhibits a relatively large falling rate (0.0475 eV/V) with a relatively high activation energy, which means that the a-2SZTO TFTs fabricated at 50 W power has a relatively lower trap density than other power cases. As a result, the electrical characteristics of a-2SZTO TFTs fabricated at a sputtering power of 50 W are enhanced. The TFTs fabricated by rf sputter should be carefully optimized to provide better stability for a-2SZTO in terms of the sputtering power, which is closely related to the interfacial trap states.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2014.02a
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• pp.348-348
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• 2014

차세대 디스플레이 구동 회로 소자를 위한 재료로서, Amorphous Oxide Semiconductor (AOS)가 주목받고 있다. AOS는 기존의 Amorphous Silicon과 비교하여 뛰어난 이동도를 가지고 있으며, 넓은 밴드 갭에 의한 투명한 광학적 특성을 가지고 있다. 이러한 장점을 이용하여, AOS 박막은 thin film transistor (TFT)의 active channel로 이용 되고 있다. 하지만, AOS를 이용한 TFT의 경우, 시간이 경과함에 따라 $O_2$ 및 $H_2O$ 흡착에 의해 전기적 특성이 변하는 현상이 있다. 이러한 현상은 소자의 신뢰성에 있어 중요한 문제가 된다. 이러한 문제를 연구하기 위해 본 논문에서는, AOS 박막을 이용하여 bottom 게이트형 TFT를 제작하였다. 이를 위해 먼저, p-type Si 위에 건식산화방식으로 $SiO_2$(100 nm)를 성장시켜 게이트 산화막으로 이용하였다. 그리고 Zn과 Sn이 1: 2의 조성비를 가진 ZnSnO (ZTO) 용액을 제조한 후, 게이트 산화막 위에 spin coating 하였다. Splin coating된 용액에 남아 있는 솔벤트를 제거하기 위해 10분 동안 $230^{\circ}C$로 열처리를 한 후, 포토리소그래피와 에칭 공정을 이용하여 ZTO active channel을 형성하였다. 그 후, 박막 내에 남아 있는 불순물을 제거하고 ZTO TFT의 전기적인 특성을 향상시키기 위하여, $600^{\circ}C$의 열처리를 30분 동안 진행 하여 junctionless형 TFT 제작을 완료 하였다. 제작된 소자의 시간 경과에 따른 열화를 확인하기 위하여, 대기 중에서 2시간마다 HP-4156B 장비를 이용하여 전기적인 특성을 확인 하였으며, 이러한 열화는 후처리 공정을 통하여 회복시킬 수 있었다. 열화의 회복을 위한 후처리 공정으로, 퍼니스를 이용한 고온에서의 열처리와 microwave를 이용하여 저온 처리를 이용하였다. 결과적으로, TFT는 소자가 제작된 이후, 시간에 경과함에 따라서 on/off ratio가 감소하여 열화되는 경향을 보여 주었다. 이러한 현상은, TFT 소자의 ZTO back-channel에 대기 중에 있는 $O_2$ 및 $H_2O$의 분자의 물리적인 흡착으로 인한 것으로 보인다. 그리고 추가적인 후처리 공정들에 통해서, 다시 on/off ratio가 회복 되는 현상을 확인 하였다. 이러한 추가적인 후처리 공정은, 열화된 소자에 퍼니스에 의한 고온에서의 장시간 열처리, microwave를 이용한 저온에서 장시간 열처리, 그리고 microwave를 이용한 저온에서의 단 시간 처리를 수행 하였으며, 모든 소자에서 성공적으로 열화 되었던 전기적 특성이 회복됨을 확인 할 수 있었다. 이러한 결과는, 저온임에도 불구하고, microwave를 이용함으로 인하여, 물리적으로 흡착된 $O_2$ 및 $H_2O$가 짧은 시간 안에 ZTO TFT의 back-channel로부터 탈착이 가능함과 동시에 소자의 특성을 회복 가능 함 의미한다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.400-400
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• 2012

산화물 반도체는 넓은 에너지갭을 가지고 높은 이동성과 높은 투명성을 가지기 때문에 초고 속 박막 트랜지스터(Thin film transistor; TFT)에 많이 응용되고 있다. 그러나 ZnO 및 $In_2O_3$ 산화물 반도체를 박막트랜지스터에 사용할 경우 소자가 불안정하여 전기적 성질이 저하되고 문턱전압의 이동이 일어난다. TFT에 사용되는 산화물 반도체로는 GaInZnO, ZrInZnO, HfInZnO 및 GaSnZnO의 전기적 특성에 관한 연구가 많이 되었다. 그러나 titanium-indium-zinc-oxide (TIZO) TFT에 대한 연구는 비교적 적게 수행 되었다. 본 연구에서는 TFTs의 안정성을 향상하기 위하여 TFT의 채널로 사용되는 TiInZnO를 형성하는데 간단한 제조 공정과 낮은 비용의 용액 증착방법을 사용하였다. 졸-겔 전해액은 Titanium (IV) isopropoxide $[Ti(OCH(CH_3)_2)_4]$, 0.1 M Zinc acetate dihydrate $[Zn(CH_3COO)_2{\cdot}2H_2O]$ 그리고 indium nitrate hydrate $[In(NO_3)_3{\cdot}xH_2O]$을 2-methoxyethanol의 용액에 합성하였다. $70^{\circ}C$에서 한 시간 동안 혼합 하였다. Ti의 몰 비율은 10%, 20% 및 40% 로 각각 달리하여 제작하였다. $SiO_2$층 위에 2,500 rpm 속도로 25초 동안 스핀 코팅하여 TFT를 제작하였다. TIZO 박막에 대한 X-선 광전자 스펙트럼 관측 결과는 Ti 몰 비율이 증가함에 따라 Ti 2p1/2피크의 세기가 증가함을 보여주었다. TiZO 박막에 Ti 원자를 첨가하면 $O^{2-}$ 이온이 감소하기 때문에 전하의 농도가 변화하였다. 전하 농도의 변화는 TiZO 채널을 사용하여 제작한 TFT의 문턱전압을 양 방향으로 이동 하였으며 off-전류를 감소하였다. TiZO 채널을 사용하여 제작한 TFT의 드레인 전류-게이트 전압 특성은 on/off비율이 $0.21{\times}107$ 만큼 크며 이것은 TFT 소자로서 우수한 성능을 보여주고 있다.

• Transactions on Electrical and Electronic Materials
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• v.16 no.2
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• pp.99-102
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• 2015

Thin film transistors (TFTs) with amorphous 2 wt% silicon-doped zinc tin oxide (a-2SZTO) channel layer were fabricated using an RF magnetron sputtering system, and the effect of post-annealing treatment time on the structural and electrical properties of a-2SZTO systems was investigated. It is well known that Si can effectively reduce the generation of oxygen vacancies. However, it is interesting to note that prolonged annealing could have a bad effect on the roughness of a-2SZTO systems, since the roughness of a-2SZTO thin films increases in proportion to the thermal annealing treatment time. Thermal annealing can control the electrical characteristics of amorphous oxide semiconductor (AOS) TFTs. It was observed herein that prolonged annealing treatment can cause bumpy roughness, which led to increase of the contact resistance between the electrode and channel. Thus, it was confirmed that deterioration of the electrical characteristics could occur due to prolonged annealing. The longer annealing time also decreased the field effect mobility. The a-2SZTO TFTs annealed at 500℃ for 2 hours displayed the mobility of 2.17 cm²/Vs. As the electrical characteristics of a-2SZTO annealed at a fixed temperature for long periods were deteriorated, careful optimization of the annealing conditions for a-2SZTO, in terms of time, should be carried out to achieve better performance.

• Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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• v.34 no.2
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• pp.99-104
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• 2021

Ion-beam sputtering (IBS) was used to deposit semiconducting IZTO (indium zinc tin oxide) thin films onto heavily-doped Si substrates using a sintered ceramic target with the nominal composition In0.4Zn0.5Sn0.1O1.5, which could work as a channel layer for oxide TFT (oxide thin film transistor) devices. The crystallization behavior and electrical properties were examined for the films in terms of deposition parameters, i.e. target tilt angle and substrate temperature during deposition. The thickness uniformity of the films were examined using a stylus profilometer. The observed difference in electrical properties was not related to the degree of crystallization but to the deposition temperature which affected charge carrier concentration (n), electrical resistivity (ρ), sheet resistance (Rs), and Hall mobility (μH) values of the films.

• 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 Materials Research Society of Korea Conference
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• 2010.05a
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• pp.54.1-54.1
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• 2010

산화물 기반의 TFT는 유리, 금속, 플라스틱 등 기판 종류에 상관없이 균일한 제작이 가능하며, 상온 및 저온에서 대면적으로 제작이 가능하고, 저렴한 비용으로 제작 가능하다는 장점 때문에 최근 많은 연구가 이루어지고 있다. 현재 TFT 물질로 많이 연구되고 있는 산화물은 ZnO (3.4 eV)나 InOx (3.6 eV), GaOx (4.9 eV), SnOx(3.7 eV)등의 물질과 각각의 조합으로 구성된 재료들이 주로 사용되고 있으며, 가장 많은 연구가 이루어진 ZnO 기반의 TFT는 mobility와 switching 속도에서 우수한 특성을 보이나, 트렌지스터의 안정성이 떨어지는 것으로 보고 되고 있다. 그러나 IGZO 물질의 경우 결정학적으로 비정질이며 상온 및 저온에서 대면적으로 제작이 가능하고, 높은 전자 이동도의 특성을 가지고 있는 장점 때문에 최근 차세대 산화물 트렌지스터로 각광받고 있다. IGZO TFT 소자의 경우 Ag, Au, In, Pt, Ti, ITO 등 다양한 전극 물질이 사용되고 있는데, 이들 중 active channel과 ohmic contact을 이루는 Al, Ti, Ag의 적용을 통해 향상된 성능을 얻을 수 있다. 하지만 이들 전극 재료는 TFT 소자 제작시 필수적인 열처리 공정에 노출되면서 active channel 과 전극 사이 계면에 문제점을 야기할 수 있다. 특히, Ti의 경우 산화가 잘되기 때문에 전극계면에 TiO2를 형성하여 contact resistance의 큰 영향을 미치는 것으로 보고 되고 있다. 본 연구에서는 ohmic 전극재료인 Ti 또는 Ti/Au를 적용하여 TFT 소자 제작 및 특성에 대한 평가를 진행했으며, 열처리에 따른 전극과 IGZO 계면 사이의 미세구조와 전기적인 특성간의 상관관계를 연구하였다. 이를 통해, 소자 제작 공정을 최적화하고 신뢰성 있는 소자 특성을 얻을 수 있었다.

• Journal of the Korean institute of surface engineering
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• v.47 no.5
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• pp.239-243
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• 2014

The electrical and optical properties of amorphous In-Tin-Zinc-Oxide(ITZO) deposited at room temperature using rf-magnetron sputtering were investigated. The amorphous ITZO thin films were obtained at the composition of In:Sn:Zn = 6:2:2, 4:3:3, and 2:4:4, but the ITZO (8:1:1) showed a crystalline phase of bixbyite structure of In2O3. The resistivity of ITZO could be controlled by oxygen pressure in the sputtering ambient. The resistivity of post-annealed ITZO thin films exhibited the dependence on the amount of Indium. Optical energy band gap and transmittance increased as the amount of indium in ITZO increased. For the device application with ITZO, the bottom-gated thin-film transistor using ITZO as a active channel layer was fabricated. It showed a threshold voltage of 1.42V and an on/off ratio of $5.63{\times}10^7$ operated with saturation field-effect mobility of $14.2cm^2/V{\cdot}s$.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2010.05a
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• pp.53.2-53.2
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• 2010

지금까지 능동 구동 디스플레이의 TFT backplane에 사용하고 있는 채널 물질로는 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H)과 저온 폴리실리콘(low temperature poly-Si)이 대표적이다. 수소화된 비정질 실리콘은 TFT-LCD 제조에 주로 사용되는 물질로 제조 공정이 비교적 간단하고 안정적이며, 생산 비용이 낮고, 소자 간 특성이 균일하여 대면적 디스플레이 제조에 유리하다. 그러나 a-Si:H TFT의 이동도(mobility)가 1 cm2/Vs이하로 낮아 Full HD 이상의 대화면, 고해상도, 고속 동작을 요구하는 UD(ultra definition)급 디스플레이를 개발하는데 있어 한계 상황에 다다르고 있다. 또한 광 누설 전류(photo leakage current)의 발생을 억제하기 위해서 화소의 개구율(aperture ratio)을 감소시켜야하므로 패널의 투과율이 저하되고, 게이트 전극에 지속적으로 바이어스를 인가 시 TFT의 문턱전압(threshold voltage)이 열화되는 문제점을 가지고 있다. 문제점을 극복하기 위한 대안으로 근래 투명 산화물 반도체(transparent oxide semiconductor)가 많은 관심을 얻고 있다. 투명 산화물 반도체는 3 eV 이상의 높은 밴드갭(band-gap)을 가지고 있어 광 흡수도가 낮아 투명하고, 광 누설 전류의 영향이 작아 화소 설계시 유리하다. 최근 다양한 조성의 산화물 반도체들이 TFT 채널 층으로의 적용을 목적으로 활발하게 연구되고 있으며 ZnO, SnO2, In2O3, IGO(indium-gallium oxide), a-ZTO(amorphous zinc-tin-oxide), a-IZO (amorphous indium-zinc oxide), a-IGZO(amorphous indium-galliumzinc oxide) 등이 그 예이다. 이들은 상온 또는 $200^{\circ}C$ 이하의 낮은 온도에서 PLD(pulsed laser deposition)나 스퍼터링(sputtering)과 같은 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition)으로 손쉽게 증착이 가능하다. 특히 이중에서도 a-IGZO는 비정질임에도 불구하고 이동도가 $10\;cm2/V{\cdot}s$ 정도로 a-Si:H에 비해 월등히 높은 이동도를 나타낸다. 이와 같이 a-IGZO는 비정질이 가지는 균일한 특성과 양호한 이동도로 인하여 대화면, 고속, 고화질의 평판 디스플레이용 TFT 제작에 적합하고, 뿐만 아니라 공정 온도가 낮은 장점으로 인해 플렉시블 디스플레이(flexible display)의 backplane 소재로서도 연구되고 있다. 본 실험에서는 rf sputtering을 이용하여 증착한 a-IGZO 박막에 대하여 열처리 조건 변화에 따른 a-IGZO 박막들의 광학적, 전기적 특성변화를 살펴보았고, 이와 더불어 a-IGZO 박막을 TFT에 적용하여 소자의 특성을 분석함으로써, 열처리에 따른 Transfer Curve에서의 우리가 요구하는 Threshold Voltage(Vth)의 변화를 관찰하였다.