4 nm 이하 In203 박막의 원자층 증착 : 전구체 종류와 박막 두께에 따른 전기적 및 박막 특성 상관관계 연구
- 주제(키워드) 원자층 증착 , 인듐 산화물 , 초박막 트랜지스터 , 전구체 화학 , 산소 결함 , 두께 스케일링
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 오일권
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 지능형반도체공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000035869
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD)을 이용한 초박막 산화물 반도체는 저열예산 공정과 우수한 전기적 특성의 양립 가능성으로 인해 차세대 집적 소자 채널 후보로 주목받고 있다. 특히 인듐 산화물(In2O3)은 In 5s 기반 전도 특성으로 인해 비정질 상태에서도 비교적 높은 전자 이동도 잠재력을 가지며, 수 nm 이하의 극초박막 영역에서는 채널 두께와 결함 분포에 따라 동작 모드가 민감하게 전환될 수 있다. 그러나 4 nm 이하 초박막 영역에서는 성장 과정에서 형성되는 산소 결함, 수산기 잔존, 박막 밀도 및 연속막 형성(areal closure) 등이 전기적 특성에 직접적으로 반영되므로, 전구체 화학과 두께 스케일링 효과를 결합하여 이해하는 체계적 연구가 요구된다. 본 연구에서는 두 종류의 인듐 전구체인 trimethylindium(TMI)와 dimethylamine– dimethylindium(DADI)를 사용하여 210 °C 에서 오존(O3) 산화제를 기반으로 1.8–3.9 nm 두께의 In2O3 박막을 열 ALD 로 성장시키고, 전구체에 따른 성장 거동 및 박막 특성 변화를 비교하였다. 성장 거동은 전구체 도즈에 따른 성장률(GPC) 포화 특성과 온도 의존성을 통해 평가하였으며, 전구체 흡착 및 리간드 제거 반응은 반응기 내 in situ QMS 분석을 통해 정량화하였다. 또한 XPS 및 XRR 분석으로 박막의 결합 상태와 질량 밀도를 비교하고, plan-view TEM 및 AFM 분석으로 극초박막 영역에서의 연속성 및 표면 형상을 평가하였다. 그 결과 TMI 공정은 DADI 공정에 비해 더 큰 포화 성장률을 보였으며, 박막 내 격자 In–O 결합 비율이 높고 수산기 및 결함 관련 성분이 낮은 경향을 나타냈다. 또한 TMI 유래 박막은 더 높은 질량 밀도와 더 낮은 표면 거칠기를 보였고, 1.8 nm 영역에서도 국부적 저밀도/불연속 영역의 면적 비율이 상대적으로 작게 나타났다. 반면 DADI 유래 박막은 bulky 리간드에 따른 흡착 패킹 제한과 다중 반응 경로의 공존으로 인해 성장률이 감소하고, 수산기·결함 관련 결합 성분과 표면 거칠기가 상대적으로 증가하는 경향을 보였다. 나아가 동일한 두께 조건에서 bottom-gate 구조의 In2O3 TFT 를 제작하여 두께 스케일링에 따른 전기적 특성 변화를 분석하였다. 1.8 nm 에서는 두 전구체 모두 연속막 한계와 트랩 지배 수송의 영향으로 서브스레숄드 특성이 크게 열화되고 이동도가 급락하였으며, 2.5 nm 에서 스위칭 특성이 급격히 개선되어 성능 균형이 가장 우수한 두께 구간으로 도출되었다. 3.2–3.9 nm 에서는 이동도와 on-current 가 계속 증가하였으나 문턱전압의 음의 이동과 off-state 누설 증가가 동반되어 게이트 제어력 약화에 따른 트레이드오프가 확인되었다. 전반적으로 TMI 유래 소자는 동일 두께에서 더 낮은 서브스레숄드 스윙과 더 높은 이동도를 보여, 전구체에 따른 박막 결합·밀도·연속성 차이가 두께 스케일링 곡선을 유의미하게 변화시킴을 확인하였다. 본 연구는 전구체 화학과 채널 두께가 초박막 In2O3 의 성장 메커니즘, 결함 환경, 그리고 TFT 성능에 미치는 영향을 기작적으로 연결함으로써, 저열예산 조건에서 고이동도이면서 전기적 특성으로 제어 가능한 In2O3 초박막 채널 설계를 위한 전구체 선택 기준과 최적 두께 창을 제시한다. 주요어: 원자층 증착, 인듐 산화물, 초박막 트랜지스터, 전구체 화학, 산소 결함, 두께 스케일링
more목차
제 1장. 연구 배경 1
제 1절 차세대 산화물 반도체 채널의 필요성 1
제 2절 극초박막 In2O3 박막의 연구 필요성 9
제 3절 원자층 증착 기반 초박막 In2O3 형성의 중요성 13
제 4절 전구체 종류와 박막 두께의 상관관계 연구 필요성 17
제 2장. 실험 방법 23
제 1절 원자층 증착 기반 In2O3 박막 형성 23
제 2절 In situ QMS 기반 박막 성장 반응 분석 25
제 3절 박막 특성 분석 26
제 4절 In2O3 박막 트랜지스터 제작 및 전기적 특성 분석 28
제 3장. 전구체에 따른 박막의 성장 거동 및 특성 분석 31
제 1절 서론 31
제 2절 결과 및 논의 33
제 3절 결론 55
제 4장. 두께 스케일링에 따른 TFT 소자 특성 분석 57
제 1절 서론 57
제 2절 결과 및 논의 59
제 3절 결론 72
제 5장. 요약 74
참고 문헌 77
Abstract in English 82
