고성능 박막 트랜지스터를 위한 저온 ALD In₂O₃ 나노필름 증착

초록

사이클로펜타디에닐 인듐(InCp)과 과산화수소(H₂O₂)를 전구체로 사용한 인듐 산화물(In₂O₃) 나노필름의 원자층 증착(ALD)을 조사했다. 160~200 °C의 비교적 낮은 온도에서 증착 가능하며, 1.4~1.5 Å/사이클의 일정한 성장률을 보인다. 표면 거칠기는 온도 상승에 따라 점차 증가해 결정화 향상을 반영한다. 증착 온도가 150에서 200 °C로 상승함에 따라 광학 밴드갭(E_g)이 3.42에서 3.75 eV로 증가한다. In과 O의 원자비는 In₂O₃의 화학양론적 값에 가까워지고, 탄소 혼입은 감소해 200 °C에서는 In:O 비율이 1:1.36에 탄소가 검출되지 않는다. ALD Al₂O₃ 게이트 유전체를 사용한 고성능 In₂O₃ 박막 트랜지스터(TFT)를 제작하고 300 °C 공기 중 후열처리를 통해 전계효과 이동도 7.8 cm²/V·s, 서브임계 스윙 0.32 V/dec, 온/오프 비율 10⁷을 달성했으며, 이는 산소 공공 패시베이션에 기인한다.

배경

인듐 산화물(In₂O₃)은 실온에서 넓은 밴드갭(~3.7 eV), 높은 가시광 투과도, 우수한 화학적 안정성을 지닌 투명 금속 산화물 반도체로, 광전 소자, 전기화학 센서, 평판 디스플레이의 핵심 소재다. 스퍼터링, 졸-겔, 화학기상증착(CVD) 등 기존 증착 기술은 대면적 균일도 저하, 조성 제어 어려움, 높은 증착 온도(>300 °C) 등의 한계가 있어 저온에서 균일하고 조성이 정밀한 In₂O₃ 필름 제작을 어렵게 한다.

원자층 증착(ALD)은 우수한 스텝 커버리지, 원자 단위 두께 제어, 뛰어난 균일도, 낮은 공정 온도를 제공한다. 기존 In₂O₃ ALD 연구들은 InCl₃-H₂O, InCl₃-H₂O₂, InCp-O₃, InCp-O₂-H₂O, (CH₃)₃In-H₂O 등의 전구체를 사용했으나, 대개 200~500 °C의 증착 온도가 필요하고 성장률이 낮으며(0.25~0.40 Å/사이클), 부식성 HCl 부산물이 장비와 필름을 손상시킬 수 있다. TMIn 기반 전구체는 더 높은 성장률(1.3~2 Å/사이클)을 보이지만 여전히 200 °C 이상의 온도가 필요하다.

본 연구에서는 InCp와 H₂O₂를 전구체로 하는 In₂O₃ ALD를 제안해 낮은 온도에서 만족스러운 성장률로 증착을 가능하게 했다. 증착된 필름의 구조적, 화학적, 광학적 특성을 분석하고, ALD Al₂O₃ 게이트 유전체를 채용한 TFT에 적용해 전기적 성능을 평가했다.

실험

표준 RCA 공정으로 세정한 Si(100) 웨이퍼를 기판으로 사용했다. In₂O₃ 필름을 Wuxi MNT Micro Nanotech ALD 시스템을 사용해 150~210 °C에서 전구체인 InCp(99.999% 순도)와 30% 수용성 H₂O₂를 각각 130 °C와 50 °C에서 유지하며 질소 퍼지 가스로 증착했다. 기능성 필름 평가를 위해 In₂O₃ 채널 TFT를 제작했다: p형 Si(100) 기판(<0.0015 Ω·cm) 위에 트리메틸알루미늄과 H₂O ALD로 200 °C에서 38 nm Al₂O₃ 게이트 유전체를 성장시키고, 160 °C에서 20 nm In₂O₃ 채널을 증착했다. 광학 리소그래피, 전자빔 증착, 리프트오프로 Ti/Au(30 nm/70 nm) 소스/드레인 전극을 형성했다. 소자를 300 °C 공기 중에서 다양한 시간 동안 후열처리했다.

특성 분석에는 X선 회절(브루커 D8 디스커버), 원자힘 현미경(브루커 아이콘), X선 광전자 분광법(크라토스 Axis Ultra DLD), UV-VIS 분광법, 엘립소메트리(소프라 GES-SE)를 사용했다. 전기적 측정은 애질런트 B1500A 반도체 파라미터 분석기와 캐스케이드 프로브 스테이션으로 상온 대기 중 수행했다.

결과 및 논의

그림 1a는 기판 온도에 따른 성장률을 보여준다. 160~200 °C 사이에서 ~1.46 Å/사이클의 안정된 성장률을 보여 ALD In₂O₃의 빠른 성장 창을 확인했다. 150 °C에서는 InCp 응축으로 성장률이 상승하고, 210 °C에서는 InCp 열분해로 증가한다. 그림 1b는 160 °C에서 ALD 사이클 수에 따른 선형 두께 증가를 보여 균일한 증착을 입증한다.

a Si 기판 위 ALD In₂O₃ 필름의 기판 온도 함수 성장률, b 160 °C에서 ALD 사이클 수에 따른 필름 두께 의존성.

X선 회절 패턴(그림 2)은 160 °C 이하에서 비정질, 170 °C에서 초기 결정화, 210 °C에서 2θ = 30.3°와 35.4°의 뚜렷한 피크로 결정 성장이 향상됨을 보인다. 표면 형태(그림 3)는 RMS 거칠기가 160 °C에서 0.36 nm에서 210 °C에서 1.15 nm로 증가하며 결정립 크기와 상관관계를 보인다.

250 사이클로 다른 온도에서 증착된 In₂O₃ 필름의 X선 회절 패턴.

160 °C(a), 180 °C(b), 200 °C(c), 210 °C(d)에서 250 사이클씩 증착된 In₂O₃ 필름의 AFM 이미지.

고분해능 XPS 스펙트럼(그림 4)은 160 °C에서 289.8 eV의 C 1s 피크(C-O)가 나타나며 180 °C에서 감소하고 200 °C에서 사라져 고온에서 탄소 오염이 감소함을 보여준다. In 3d 스펙트럼은 444.7 eV와 452.3 eV의 더블릿 피크로 In₂O₃ 결합을 확인한다. O 1s 스펙트럼은 O¹(529.8 eV), O²(531.0 eV), O³(532.0 eV) 성분으로 분해되며, 각각 격자 산소, 산소 공공, -OH/CO 종에 해당한다. 온도 상승에 따라 O¹은 76%에서 92%로 증가하고 O²는 16%에서 4%로 감소해 산소 공공과 수산기가 현저히 줄어듦을 나타낸다.

160, 180, 200 °C에서 증착된 In₂O₃ 필름의 고분해능 a C 1s, b In 3d, c O 1s 스펙트럼. 측정 전 시료를 in-situ Ar 이온 빔으로 6분간 에칭함.

광학 흡수(그림 5)는 (αhν)² 대 광자 에너지를 보여주며, 외삽된 밴드갭이 150~200 °C에서 3.42에서 3.75 eV로 증가한다. 밴드갭 확대는 산소 공공 감소, 탄소 불순물 저감, 결정립 크기 증가에 따른 캐리어 농도 상승으로 인한 버스타인-모스 이동에 기인한다.

a 다양한 온도에서 In₂O₃ 필름의 (αhν)² 대 광자 에너지; b 증착 온도에 따른 추출된 밴드갭 의존성.

제작된 TFT는 초기에는 높은 산소 공공 밀도로 도전성 채널을 보였으나, 300 °C 공기 중 2시간 후열처리 후 일반적인 스위칭 거동을 보였다. 10시간 연장 시 문턱 전압이 양의 방향으로 더 이동하고 서브임계 스윙이 0.32 V/dec로 향상되었다. 11시간에서는 과도한 결정화 변화나 Ti 전극 산화로 성능이 저하되었다. 10시간 어닐링 소자는 전계효과 이동도 7.8 cm²/V·s, V_th -3.7 V, 온/오프 비율 10⁷을 달성했다.

a 300 °C에서 다양한 시간 어닐링된 In₂O₃ TFT의 전달 특성; b 10시간 어닐링 후 출력 특성.

2~11시간 어닐링된 필름의 XPS 분석(표 3)은 In:O 비율이 화학양론적 1:1.5 값에 접근함을 보여 산소 공공 패시베이션을 확인한다. 그러나 과도한 어닐링은 소자 성능을 악화시켜 최적 어닐링 시간의 필요성을 시사한다.

결론

InCp와 H₂O₂ 전구체를 사용한 In₂O₃ ALD는 160~200 °C에서 1.46 Å/사이클의 빠르고 균일한 성장률을 제공한다. 높은 증착 온도는 결정성을 향상시키면서 산소 공공과 탄소 오염을 현저히 줄여 광학 밴드갭을 증가시킨다. ALD Al₂O₃ 게이트 유전체를 채용한 TFT의 채널층으로 적용 시, 300 °C 공기 중 10시간 후열처리 후 전계효과 이동도 7.8 cm²/V·s, 서브임계 스윙 0.32 V/dec, 온/오프 비율 10⁷을 달성했다. 이는 저온 ALD In₂O₃가 고성능 투명 전자기기에 적용 가능함을 입증한다.