Initial Reaction of Zn Precursors with Si (001) Surface for ZnO Thin-Film Growth

Abstract

We studied the initial reaction mechanism of Zn precursors, namely, di-methylzinc (Zn(CH 3 ) 2 , DMZ) and diethylzinc (Zn(C 2 H 5 ) 2 , DEZ), for zinc oxide thin-film growth on a Si (001) surface using density functional theory. We calculated the migration and reaction energy barriers for DMZ and DEZ on a fully hydroxylized Si (001) surface. The Zn atom of DMZ or DEZ was adsorbed on an O atom of a hydroxyl (-OH) due to the lone pair electrons of the O atom on the Si (001) surface. The adsorbed DMZ or DEZ migrated to all available surface sites, and rotated on the O atom with low energy barriers in the range of 0.00-0.13 eV. We considered the DMZ or DEZ reaction at all available surface sites. The rotated and migrated DMZs reacted with the nearest -OH to produce a uni-methylzinc (-ZnCH 3 , UMZ) group and methane (CH 4 ) with energy barriers in the range of 0.53-0.78 eV. In the case of the DEZs, smaller energy barriers in the range of 0.21-0.35 eV were needed for its reaction to produce a uni-ethylzinc (-ZnC 2 H 5 , UEZ) group and ethane (C 2 H 6 ). Therefore, DEZ is preferred to DMZ due to its lower energy barrier for the surface reaction.Key words ZnO, ALD, Zn precursor, density functional theory. 서 론대표적인 투명 전도 산화물(transparent conducting oxide, TCO)인 산화 아연 (ZnO)은 상온에서 3.37 eV의 넓은 밴 드갭 (band-gap)과 60 meV의 큰 엑시톤 결합 에너지 (exciton binding energy)를 갖는 II-VI 족 화합물이다. 1) 이 런 장점을 이용하여 ZnO는 가스 센서(gas sensor), 변환 기(transducer), 히터(heater), 서리 제거 장치(defroster), 태 양 전지(solar cell), 희석된 자기 반도체(diluted magnetic semiconductor), 전자 소자(electronic device), 광전자 소자 (optoelectronic device), 발광 다이오드(light emitting diode, LED), 표면 음파 소자(surface acoustic wave device, SAW), 투명 전극(transparent electrode)으로의 다양한 응 용을 갖는 물질이다. 2-9) 최근에는 저온 성장, 높은 전계 효 과 이동도(field effect mobility, 0.2-40 cm 2 /Ns), 우수한 on-off 비율(10 3 -10 6 ), 높은 가시광 파장 투명도 등이 요구 되는 투명 박막 트랜지스터(transparent thin-film transistor, TTFT)에 ZnO를 이용하는 연구가 진행되고 있다. [10][11][12] ZnO 박막을 형성하기 위한 방법으로 스퍼터링(sputtering) 과 펄스 레이저 증착법(pulsed laser deposition, PLD)과 같은 물리 기상 증착법(physical vapor deposition, PVD) 이 사용되어 왔다. 12,13) 하지만, 최근에는 정확한 두께 조 절과 우수한 표면 균일성 등의 장점을 갖는 원자층 증착 법(atomic layer deposition ALD)을 이용하여 ZnO가 증착 되고 있다. 14-18) 특히, 박막 트랜지스터(thin-film transistor, TFT)의 활성화 채널층(active channel layer) 형성을 위하 여 저온 박막 공정이 요구되어 ALD 기술이 더욱 중요 해지고 있다. ALD 기술을 이용한 ZnO 박막 형성에는 di-methylzinc (Zn(CH 3 ) 2 , DMZ)와 di-ethylzinc (Zn(C 2 H 5 ) 2 , DEZ)와 같 은 Zn 전구체(precursor)가 사용되고 있다. 18-21) 하지만 Zn 전구체 자체에 대한 계산 연구는 진행되어 왔으나 [22][23][24] , 전 구체와 Si (001) 기판과의 표면 반응에 대한 계산 연구 는 Ren 25) 과 Dong 등 26) 의 보고를 제외하고는 거의 진행 된 것이 없다. 그들은 DEZ의 초기 표면 반응을 이해하