KR102029180B1 - Method for manufacturing of tin sulfide (II)(SnS) thin film - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판 상에 불순물이 없는 고품질의 황화 주석(SnS) 박막 및 그 박막을 합성하는 방법, 그리고 공정 온도 제어를 통해 이차원의 결정을 갖는 황화 주석(SnS) 박막을 합성하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high quality tin sulfide (SnS) thin film free of impurities on a substrate, a method of synthesizing the thin film, and a method of synthesizing a tin sulfide (SnS) thin film having two-dimensional crystals through process temperature control.

Description

황화주석(II)(SnS) 박막 형성 방법{Method for manufacturing of tin sulfide (II)(SnS) thin film}Method for manufacturing of tin sulfide (II) (SnS) thin film}

본 발명은 산화가가 제어된 주석 전구체를 사용하여 화학 기상 증착법으로 합성한 박막 및 박막의 합성 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a thin film synthesized by chemical vapor deposition using a tin precursor having a controlled oxidation value and a method of synthesizing the thin film.

이차원 물질은 기존의 벌크 물질로부터 얻을 수 없는 성질을 가지며 층수에 따라 물성을 원하는 방향으로 제어할 수가 있기 때문에 새로운 물질 특성을 요구하는 여러 분야에서 크게 주목하고 있는 물질이다. The two-dimensional material has a property that cannot be obtained from the existing bulk material, and since the physical properties can be controlled in a desired direction according to the number of layers, the two-dimensional material is greatly attracting attention in various fields requiring new material properties.

특히 밴드갭이 존재하는 이차원 물질들은 기존의 실리콘 기반 트랜지스터의 축소화에 따른 한계를 극복할 수 있는 대체 물질로써 연구되어 왔다. 하지만 대부분의 이차원 물질(황화 텅스텐, 황화 몰리브덴)들은 녹는점이 매우 높기 때문에 박막을 합성하기 위해서는 600℃ 이상의 매우 높은 공정온도가 필수적이다. 상온에서의 박리(Exfoliation)법도 연구되고 있지만 재현성이 매우 부족하다는 단점이 있다. 따라서, 300℃ 보다 낮은 저온 공정 온도에서도 안정적으로 합성될 수 있는 이차원 박막과 그 박막의 제조법 개발이 요구된다.In particular, two-dimensional materials with band gaps have been studied as alternative materials that can overcome the limitations of miniaturization of existing silicon-based transistors. However, since most two-dimensional materials (tungsten sulfide, molybdenum sulfide) have a very high melting point, a very high process temperature of 600 ° C. or more is essential for thin film synthesis. Exfoliation method at room temperature has also been studied, but has a disadvantage in that reproducibility is very poor. Therefore, it is required to develop a two-dimensional thin film and a method for manufacturing the thin film which can be stably synthesized even at a low temperature process temperature lower than 300 ° C.

황화주석(SnSx)은 주석의 산화가에 따라 SnS의 경우는 p형 반도체, SnS2의 경우는 n형 반도체 특성을 보이는 등의 특징을 가지고 있는 층상구조 소재이다. 특히 주목할 만한 점은 다른 층상 구조 소재에 비해 녹는점(SnS: 882 ℃ & SnS2: 600 ℃)이 상당히 낮다는 점으로, 저온 공정을 통해서도 고품질의 박막을 형성할 수 있는 장점이 있다. 황화주석(SnSx)은 2차원 트랜지스터 채널물질뿐만 아니라 태양전지 및 photo detector의 absorption 물질로써 응용될 수 있으며 저전력 가스 센서 물질로써의 가능성도 가지고 있다. Tin sulfide (SnS x ) is a layered material having characteristics such as p-type semiconductor for SnS and n-type semiconductor for SnS 2 depending on the oxidation value of tin. It is particularly noteworthy that the melting point (SnS: 882 ℃ & SnS 2 : 600 ℃) is significantly lower than other layer structure materials, there is an advantage that can form a high quality thin film through a low temperature process. Tin sulfide (SnS x ) can be applied not only as a two-dimensional transistor channel material but also as an absorption material for solar cells and photo detectors, and has potential as a low-power gas sensor material.

그러나 잘 알려진 바와 같이 황화주석(IV)(SnS2)이 황화주석(II)(SnS)에 비해 안정상으로 n형 반도성 특성의 구현은 비교적 용이하나, p형 반도성 특징을 가지는 황화주석(II)의 형성은 거의 알려져 있지 않으며, 지금까지 보고된 박막 합성 방법은 공정 온도가 300℃ 이상으로 높거나, 공정 윈도우(process window)가 매우 좁다는 단점이 있었다. 또한, 박막 내의 불순물 농도와 SnS2, Sn2S3의 조성을 효과적으로 억제하는 것에 어려움이 있었다.However, sulfide tin (IV), as is well known (SnS 2) the sulfide tin (II) as not normal compared to the (SnS) implementation of the n-type semiconductive characteristics sulfide tin has a relatively easy one, p-type semiconductive characteristics ( The formation of II) is hardly known, and the thin film synthesis method reported so far has a disadvantage that the process temperature is higher than 300 ° C. or the process window is very narrow. In addition, there was a difficulty in effectively suppressing the impurity concentration in the thin film and the composition of SnS 2 and Sn 2 S 3 .

Sn 원자는 박막 내에서 +4가로 존재하는 것이 열역학적으로 안정하기 때문에 박막 내 황화주석(IV) 형성을 억제하여 준안정상인 황화주석(II) 단일 박막만을 합성하기 위해서는 새로운 방법이 요구된다. 결론적으로, 저온 영역의 넓은 공정 윈도우에서 불순물이 제어된 화학양론적 SnS(stoichiometric SnS) 박막을 형성할 수 있는 기술에 대한 연구가 필요하다.Since Sn atoms are thermodynamically stable in the presence of +4 in the thin film, a new method is required to synthesize only the tin (II) sulfide thin film by suppressing the formation of tin (IV) sulfide in the thin film. In conclusion, there is a need for a technique for forming a stoichiometric SnS thin film with controlled impurities in a wide process window in a low temperature region.

한국등록특허 10-1512749Korea Patent Registration 10-1512749

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 불순물이 없는 고품질의 이차원 황화주석(II)(SnS) 박막을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 300℃ 이하의 저온 영역의 넓은 공정 윈도우에서 재현성 있는 이차원 구조의 황화주석(II)(SnS) 박막의 합성 방법을 제공하는 것이다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The present invention has been made to solve various problems including the above problems, and an object of the present invention is to provide a high quality two-dimensional tin sulfide (II) (SnS) thin film. Another object of the present invention is to provide a method for synthesizing a tin (II) sulfide (SnS) thin film having a reproducible two-dimensional structure in a wide process window in a low temperature region of 300 ° C or lower. However, these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereby.

본 발명의 일 관점에 따르면, 기판 상에 주석 전구체와 황 전구체를 이용한 화학적 기상증착법(chemical vapor deposition)으로 황화주석(II)(SnS) 박막을 형성하는 방법이 제공된다. According to an aspect of the present invention, a method of forming a tin (II) sulfide (SnS) thin film by chemical vapor deposition using a tin precursor and a sulfur precursor is provided on a substrate.

이때 상기 주석 전구체는 주석의 산화가가 +2가인 금속유기화합물이며, 상기 황화주석(II)(SnS) 박막을 형성하기 위한 기판의 온도는 90℃ 내지 300℃의 범위, 바람직하게는 90℃ 내지 240℃ 범위를 가지는 것을 특징으로 한다. In this case, the tin precursor is a metal organic compound having an oxidation value of +2 valent tin, and the temperature of the substrate for forming the tin sulfide (II) (SnS) thin film is in the range of 90 ° C to 300 ° C, preferably 90 ° C to It is characterized by having a 240 ℃ range.

상기 황화주석(II)(SnS) 박막을 형성하는 방법에 있어서, 상기 금속전구체는, Bis(1-dimethylamino-2-methyl-2-propoxy)tin(II)을 포함한다. In the method of forming the tin sulfide (II) (SnS) thin film, the metal precursor includes Bis (1-dimethylamino-2-methyl-2-propoxy) tin (II).

상기 황화주석(II)(SnS) 박막을 형성하는 방법에 있어서, 상기 화학적 기상증착법은 원자층 증착법을 포함할 수 있다.In the method of forming the tin sulfide (II) (SnS) thin film, the chemical vapor deposition method may include an atomic layer deposition method.

상기 황화주석(II)(SnS) 박막을 형성하는 방법에 있어서, 상기 황화주석(II)(SnS) 박막은, 입방정계 SnS(π-SnS) 및 사방정계 SnS(o-SnS)가 서로 혼합된 상을 가지거나, 혹은 사방정계 SnS(o-SnS)가 단독으로 존재하는 상을 가지는 것일 수 있다.In the method of forming the tin sulfide (II) (SnS) thin film, the tin sulfide (II) (SnS) thin film, a cubic SnS (π-SnS) and tetragonal SnS (o-SnS) is mixed with each other It may have a phase or may have a phase in which tetragonal SnS (o-SnS) is present alone.

또한, 상기 사방정계 SnS(o-SnS)가 단독으로 존재하는 하는 상을 가질 경우, 상기 사방정계 SnS(o-SnS)는 결정면 (040)이 상기 기판에 평행하게 배열되는 구조를 가지는 것일 수 있다. In addition, when the tetragonal SnS (o-SnS) has a phase present alone, the tetragonal SnS (o-SnS) may have a structure in which the crystal plane 040 is arranged parallel to the substrate. .

본 발명의 다른 관점에 의하면, 황화주석(II)(SnS) 박막 채널을 가지는 반도체 트랜지스터 소자를 제조하는 방법으로서, 상기 황화주석(II)(SnS) 박막 채널은 상술한 방법 중 어느 하나의 방법으로 형성되는 것인, 반도체 트랜지스터 소자 제조 방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, as a method of manufacturing a semiconductor transistor device having a tin (II) sulfide (SnS) thin film channel, the tin (II) sulfide (SnS) thin film channel according to any one of the methods described above. A semiconductor transistor device manufacturing method is provided.

본 발명의 또 다른 관점에 의하면, 황화주석(II)(SnS) 박막을 센싱 물질로 가지는 가스 센서를 제조하는 방법으로서, 상기 황화주석(II)(SnS) 박막은 상술한 방법 중 어느 하나의 방법으로 형성되는 것인, 가스 센서 제조 방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, a method of manufacturing a gas sensor having a tin (II) sulfide (SnS) thin film as a sensing material, wherein the tin (II) sulfide (SnS) thin film is any one of the methods described above. To be formed, there is provided a gas sensor manufacturing method.

본 발명은 저온의 넓은 공정 온도 범위에서 불순물이 없는 황화주석(II) (SnS) 박막과 그 박막의 형성 방법을 제공할 수 있다. 또한, 공정온도와 사이클 수 제어를 통해 사용자가 원하는 황화주석의 결정상 또는 두께(층수)를 조절하는 방법을 제공할 수 있다. 상기 황화주석(II) (SnS) 박막을 사용함으로써 저전력 가스 센서를 제작할 수 있으며, 높은 이동도를 갖는 p-형 트랜지스터 기술 개발을 기대할 수 있다.The present invention can provide a tin sulfide (II) (SnS) thin film free of impurities in a wide range of low process temperatures, and a method of forming the thin film. In addition, it is possible to provide a method of controlling the crystal phase or thickness (number of layers) of tin sulfide desired by the user through controlling the process temperature and the number of cycles. By using the tin sulfide (II) (SnS) thin film, a low-power gas sensor can be manufactured, and p-type transistor technology having high mobility can be expected.

도 1은 본 발명의 황화주석(II)(SnS) 박막을 합성하기 위한 일련의 과정이다.
도 2a는 본 발명에서 황화주석(II)(SnS) 박막을 합성하기 위해 사용한 산화가 제어 전구체인 Bis(1-dimethylamino-2-methyl-2-propoxy)tin(II)이다. 도 2b, 2c 및 2d는 상용 전구체로써 주석의 산화가는 4가로 본 발명에서 사용한 2가의 전구체와 차이가 있다.
도 3a는 화학적 기상 증착법 중 원자층 증착법을 사용하여 사이클 수에 따른 황화주석(II)(SnS) 박막의 두께가 정확히 제어될 수 있음을 나타낸다. 도 3b는 본 발명의 방법을 사용하여 4인치의 이산화규소 기판에 황화주석(II)(SnS)를 합성하여 두께를 측정한 결과로써 매우 고른 박막이 대면적에 증착되었음을 보여준다.
도 4a는 공정 온도에 따른 황화주석(II)(SnS) 박막의 결정성을 GIXRD로 측정한 결과를 나타낸다. 도 4b는 결정의 우선 배향성을 관찰하기위해 theta-2theta mode XRD를 통해 박막의 결정성을 측정한 결과이다.
도 5a는 90℃에서 합성한 황화주석(II)(SnS) 박막의 TEM image이며, 도 5b는 240℃에서 합성한 황화주석(II)(SnS) 박막의 TEM image이다.
도 6a는 90-240 ℃의 공정 온도 조건에서 Sn:S의 조성이 1:1인 황화주석(II)(SnS)가 형성된 것을 WDXRF로 측정한 결과이고 도 6b는 황화주석(II)(SnS) 박막의 온도에 따른 라만 결합 진동을 나타낸 것이다.
도 7a, 7b, 7c 및 7d는 각각 Sn 3d, S 2p, O 1s 그리고 C 1s의 XPS spectra를 나타낸 것이다.
도 8은 120℃에서 합성한 황화주석(II)(SnS) 박막의 AES 분석 결과이다.
도 9는 합성된 황화주석(II)(SnS) 박막으로 제작한 박막 트랜지스터의 Output curve이다.
도 10a와 10b는 각각 황화주석(II)(SnS) 박막 가스 센서의 NO2, NH3 gas 센싱을 보여준다.
1 is a series of processes for synthesizing a tin (II) sulfide (SnS) thin film of the present invention.
FIG. 2A is Bis (1-dimethylamino-2-methyl-2-propoxy) tin (II), an oxidation-controlling precursor used to synthesize tin (II) sulfide (SnS) thin films in the present invention. Figures 2b, 2c and 2d is a oxidized tetravalent tin of a commercial precursor, which is different from the divalent precursor used in the present invention.
FIG. 3A shows that the thickness of a tin sulfide (II) (SnS) thin film according to the number of cycles can be accurately controlled using atomic layer deposition in chemical vapor deposition. 3b shows that a very even thin film was deposited on a large area as a result of synthesizing tin sulfide (II) (SnS) on a 4 inch silicon dioxide substrate using the method of the present invention.
Figure 4a shows the results of measuring the crystallinity of the tin (II) sulfide (SnS) thin film according to the process temperature by GIXRD. Figure 4b is the result of measuring the crystallinity of the thin film through theta-2theta mode XRD to observe the preferred orientation of the crystal.
5A is a TEM image of a tin (II) sulfide (SnS) thin film synthesized at 90 ° C, and FIG. 5B is a TEM image of a tin (II) sulfide (SnS) thin film synthesized at 240 ° C.
FIG. 6A is a result of measuring WDXRF that tin sulfide (II) having a composition of Sn: S 1: 1 (SnS) was formed at 90-240 ° C., and FIG. 6B shows tin (II) sulfide (SnS). It shows Raman coupling vibration according to the temperature of the thin film.
7A, 7B, 7C and 7D show the XPS spectra of Sn 3d, S 2p, O 1s and C 1s, respectively.
8 is an AES analysis result of a tin (II) sulfide (SnS) thin film synthesized at 120 ° C.
9 is an output curve of a thin film transistor fabricated from the synthesized tin sulfide (II) (SnS) thin film.
10A and 10B show NO 2 and NH 3 gas sensing of tin (II) sulfide (SnS) thin film gas sensors, respectively.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be implemented in various forms, and the following embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention, to those skilled in the art It is provided to inform you completely. In addition, the components may be exaggerated or reduced in size in the drawings for convenience of description.

명세서 전체에 걸쳐서, 층 또는 영역과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 상기 다른 구성요소 "상에" 접하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. Throughout the specification, when referring to one component, such as a layer or region, being located "on" another component, said one component directly "contacts" the other component, or between It may be interpreted that there may be other intervening components. On the other hand, when referring to one component located directly on another component, it is interpreted that there are no other components intervening therebetween.

첨부한 도면을 기준으로 본 발명에서 제공하는 황화주석(II) 박막의 물성과 황화주석(II)(SnS) 박막의 합성 방법에 대하여 설명하기로 한다.Based on the accompanying drawings, the physical properties of the tin (II) sulfide thin film provided in the present invention and a method of synthesizing the tin (II) sulfide (SnS) thin film will be described.

본 발명에 의하면, 주석 전구체와 황 전구체를 증착원으로 사용한 화학적 기상증착법(chemical vapor deposition, CVD)으로 소정의 기판 상에 황화주석(II)(SnS) 박막을 형성한다. 여기서 화학적 기상증착법은 주석을 포함하는 주석 전구체와 황을 포함하는 황 전구체를 소정의 온도를 유지하고 있는 기판으로 투입하여 기상 상태에서의 화학반응을 통해 상기 기판 상에 황화주석(II)(SnS) 박막을 형성하는 방법을 총칭한다. 이러한 화학적 기상증착법은 소정의 공간을 가지는 챔버 내로 전구체 가스들을 투입하는 방식인 LPCVD(low pressure CVD), PECVD(plasma enhanced CVD), APCVD(atmosphere pressure CVD) 뿐만 아니라 서로 다른 전구체 가스를 서로 시간적으로 이격시켜 교호적으로 기판으로 투입하여 원자층 레벨의 박막을 형성하는 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD)도 포함한다. According to the present invention, a tin sulfide (II) (SnS) thin film is formed on a predetermined substrate by chemical vapor deposition (CVD) using a tin precursor and a sulfur precursor as a deposition source. The chemical vapor deposition method is a tin (II) sulfide (SnS) on the substrate through a chemical reaction in the gas phase state by introducing a tin precursor containing tin and a sulfur precursor containing sulfur to a substrate maintaining a predetermined temperature The method of forming a thin film is generically described. The chemical vapor deposition method is a method of injecting precursor gases into a chamber having a predetermined space, as well as LPCVD (plasma enhanced CVD), plasma enhanced CVD (PECVD), atmosphere pressure CVD (APCVD) as well as spaced apart from each other precursor gas in time And atomic layer deposition (ALD) which alternately input into a substrate to form a thin film at the atomic layer level.

이러한 본 발명에 있어서, 주석을 제공하기 위한 증착원으로 종래의 상용 주석 전구체가 아닌 주석의 산화가가 +2가로 제어된 금속유기화합물을 주석 전구체를 사용하는 것을 기술적 특징으로 한다. 일 예로서, 상기 산화가가 +2가로 제어된 주석 전구체로서 Bis(1-dimethylamino-2-methyl-2-propoxy)tin(II)가 이용될 수 있다. In the present invention, it is a technical feature to use a tin precursor as a metal organic compound whose oxidation value of +2 is controlled, rather than a conventional commercial tin precursor, as a deposition source for providing tin. As an example, Bis (1-dimethylamino-2-methyl-2-propoxy) tin (II) may be used as the tin precursor having an oxidation value of +2.

도 2a에는 Bis(1-dimethylamino-2-methyl-2-propoxy)tin(II)의 분자구조가 개시되어 있다. 이와 대비하여 도 2b 내지 2d는 종래부터 사용되는 주석의 산화가가 4가인 주석 전구체로서 SnCl4, SnI4, [(CH3)2N]4Sn(Tetrakis(dimethylamino)tin(Ⅳ), TDMASn)의 분자구조가 각각 도시되어 있다(도 2a 및 2d의 분자구조에는 C와 결합된 H는 생략되어 있음).2A discloses a molecular structure of Bis (1-dimethylamino-2-methyl-2-propoxy) tin (II). On the contrary, FIGS. 2B to 2D are tin precursors having a tetravalent tin oxide, which are conventionally used, such as SnCl 4 , SnI 4 , [(CH 3 ) 2 N] 4 Sn (Tetrakis (dimethylamino) tin (IV), TDMASn) The molecular structure of is shown respectively (H in combination with C is omitted in the molecular structure of Figures 2a and 2d).

본 발명의 발명자는 주석의 산화가가 +2가로 제어된 Bis(1-dimethylamino-2-methyl-2-propoxy)tin(II)를 전구체로 사용함으로써 종래의 주석의 산화가가 +4가인 전구체를 사용하였을 때와 비교하여 준안정적인 황화주석(II)(SnS) 박막을 고품질로 형성할 수 있음을 발견하였다. 특히 주석의 산화가가 +2가로 제어된 주석 전구체를 사용할 경우에는 종래에 비해 낮은 온도인 300℃ 이하의 저온, 예를 들어 90 내지 240℃의 범위에서도 매우 우수한 특성을 가지는 황화주석(II)(SnS) 박막의 제조가 가능하였다. The inventors of the present invention use Bis (1-dimethylamino-2-methyl-2-propoxy) tin (II), which has an oxidation value of tin controlled to +2, as a precursor, thereby making it possible to use a precursor having an oxidation value of +4. It has been found that metastable tin sulfide (II) (SnS) thin films can be formed with high quality as compared to when used. Particularly, in the case of using a tin precursor whose tin oxide is controlled to +2 valence, tin (II) sulfide (II) having excellent characteristics even at a low temperature of 300 ° C. or lower, for example, 90 to 240 ° C. SnS) thin film was possible to manufacture.

한편, 상기 황 전구체로는 대표적으로 황화수소(hydrogen sulfide, H2S)가 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. Meanwhile, hydrogen sulfide (H 2 S) may be used as the sulfur precursor, but is not limited thereto.

도 1은 본 발명의 일 실시예로서, 원자층 증착법을 이용한 황화주석(II)(SnS) 박막의 합성 과정을 나타낸다. 주석의 전구체는 s(1-dimethylamino-2-methyl-2-propoxy)tin(II)를 사용하였으며, 황의 전구체로는 황화수소를 사용하였다. 증착이 수행되는 동안 기판의 온도는 90 내지 24 ℃ 범위에서 선택되었다. 기판으로는 산화규소(SiO2) 웨이퍼를 사용하였다. FIG. 1 illustrates a synthesis process of a tin sulfide (II) (SnS) thin film using an atomic layer deposition method as an embodiment of the present invention. The precursor of tin was s (1-dimethylamino-2-methyl-2-propoxy) tin (II) and hydrogen sulfide was used as the precursor of sulfur. The temperature of the substrate was selected in the range of 90 to 24 ° C. while the deposition was performed. A silicon oxide (SiO 2 ) wafer was used as the substrate.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예를 따르는 증착방법은 제공된 기판 상에 주석 전구체를 공급하는 단계(S1), 상기 주석 전구체를 퍼지(purge)하는 단계(S2), 상기 기판 상에 황화수소를 공급하는 단계(S3) 및 상기 황화수소를 퍼지하는 단계를 포함한다. 상기 S1 단계 내지 S4 단계는 하나의 사이클을 이루며, 한번 이상의 회수로 반복 수행될 수 있다. Referring to FIG. 1, a deposition method according to an embodiment of the present invention includes supplying a tin precursor on a substrate provided (S1), purging the tin precursor (S2), and hydrogen sulfide on the substrate. Supplying (S3) and purging the hydrogen sulfide. Steps S1 to S4 form one cycle and may be repeatedly performed one or more times.

도 2b, 2 및 2d로 도시된 주석의 산화가가 +4가인 주석 전구체를 사용할 경우 기본적으로 황화주석(IV) (SnS2)의 형태로 합성이 되며, 황화주석(II)(SnS) 형성을 위해서는 높은 온도 등등 공정 조건이 매우 까다로우며, 그나마 황화주석(IV)과의 혼합물 형태로 형성된다. 특히 본 발명의 실시예와 같이 증착시 공정온도가 300℃ 이하인 경우에는 거의 황화주석(II)(SnS)이 생성되지 않는다. When tin oxides having an oxidation value of +4 is shown in FIGS. 2b, 2 and 2d, they are basically synthesized in the form of tin (IV) sulfide (SnS 2 ) and form tin (II) sulfide (SnS). Process conditions are very demanding, such as high temperatures, and are formed in the form of a mixture with tin (IV) sulfide. In particular, when the process temperature is 300 ° C. or less during deposition as in the embodiment of the present invention, almost no tin sulfide (II) (SnS) is produced.

그러나, 이에 비해 본 발명의 실시예에 따를 경우에는 우수한 물성을 가지는 화학양론적 황화주석(II)(SnS) 박막의 제조가 가능하였다. 이하에서는 본 발명의 실시예에 의해 제조된 황화주석(II)(SnS) 박막의 미세조직 및 특성에 대해서 기술한다. However, in comparison with the embodiment of the present invention, it was possible to prepare a stoichiometric tin sulfide (II) (SnS) thin film having excellent physical properties. Hereinafter, the microstructure and properties of the tin sulfide (II) (SnS) thin film prepared according to the embodiment of the present invention will be described.

도 3a에서는 원자층 증착법의 사이클 수에 따라 박막의 두께가 선형적으로 증가하고 있음을 확인할 수 있다. 이는 원자층 증착법을 통해 황화주석(II)(SnS) 박막의 두께가 효과적으로 조절되고 있음을 나타낸다. In FIG. 3A, it can be seen that the thickness of the thin film increases linearly with the number of cycles of the atomic layer deposition method. This indicates that the thickness of the tin sulfide (II) (SnS) thin film is effectively controlled by atomic layer deposition.

도 3b는 본 발명에서 사용한 기판 중 하나인 4 인치의 산화규소 웨이퍼 위에 황화주석(II)(SnS) 박막을 125 사이클 동안 원자층증착법으로 합성한 결과이다. 다섯 지점의 박막의 두께로 균일도를 구해본 결과 98 %로 매우 균일한 박막이 대면적에서 증착되었음을 알 수 있다.FIG. 3B shows the result of synthesizing a tin (II) sulfide (SnS) thin film by atomic layer deposition on a 4 inch silicon oxide wafer, one of the substrates used in the present invention, for 125 cycles. As a result of calculating the uniformity by the thickness of the five thin films, it can be seen that a very uniform thin film was deposited at a large area of 98%.

도 4a와 4b는 90℃, 120℃, 150℃, 180℃, 210℃, 240℃의 공정온도에서 합성된 황화주석(II)(SnS) 박막의 결정성을 XRD(x-ray diffraction)로 관찰한 결과를 보여준다. 모든 공정 온도에서 이황화주석(SnS2)의 피크는 검출되지 않았으며 이에 따라 화학양론적(Stoichiometric)인 황화 주석(SnS) 박막이 전 공정 온도 영역에서 합성되었음을 확인할 수 있다. 4A and 4B show the crystallinity of tin (II) sulfide (SnS) thin films synthesized at process temperatures of 90 ° C, 120 ° C, 150 ° C, 180 ° C, 210 ° C, and 240 ° C by X-ray diffraction (XRD). Shows one result. The peaks of tin disulfide (SnS 2 ) were not detected at all process temperatures, indicating that stoichiometric tin sulfide (SnS) thin films were synthesized over the entire process temperature range.

도 4a의 GIXRD 결과를 통해 90℃의 낮은 공정온도에서도 황화주석(II)(SnS) 박막이 잘 결정화되어 합성된 것을 확인할 수 있으며 사방정계 (o-SnS) 상과 입방정계(π-SnS) 상이 함께 존재함을 보여준다. 본 발명에서 제공하는 공정 온도 조건 중 비교적 낮은 범위인 90 내지 180℃에서 합성한 황화주석(II)(SnS) 박막의 경우 이렇게 o-SnS 상과 π-SnS 상이 공존하는 형태로 박막이 합성된다. It can be seen from the GIXRD results of FIG. 4A that the tin sulfide (II) (SnS) thin film was well crystallized and synthesized even at a low process temperature of 90 ° C. Show that they exist together. In the case of the tin sulfide (II) (SnS) thin film synthesized at a relatively low range of 90 to 180 ° C among the process temperature conditions provided by the present invention, the thin film is synthesized in such a manner that the o-SnS phase and the π-SnS phase coexist.

공정 온도를 높일수록 합성한 황화주석(II)(SnS) 박막 내 π-SnS 상의 조성이 적어지고 있음을 볼 수 있고 대조적으로 o-SnS 상의 조성이 커지고 있음을 나타낼 수 있다. 더 나아가 210℃의 공정 온도조건에서부터는 황화주석(II)(SnS) 박막의 2차원 반데르발스 면이 기판과 평행하게 배열되고 있음을 도 4b의 θ-2θ 모드 XRD(theta-2theta mode XRD)로부터 확인할 수 있다. 240℃의 공정 온도에서 황화주석(II)(SnS) 박막을 합성할 경우에는 도 4a의 GIXRD로는 검출할 수 없고 오직 도 4b의 θ-2θ 모드 XRD로만 관찰 할 수 있을 정도로 기판과 정확히 평행하게 배열된 2 차원 반데르발스(van der Waals) 면이 검출되었고, 이를 좀 더 정확히 확인하기 위해 투과전자현미경(TEM) 분석을 수행하였다. It can be seen that as the process temperature increases, the composition of the π-SnS phase in the synthesized tin sulfide (II) (SnS) thin film decreases, and in contrast, the composition of the o-SnS phase increases. Furthermore, from the process temperature of 210 ° C., the 2D van der Waals plane of the tin (II) sulfide (SnS) thin film is arranged in parallel with the substrate. Theta-2theta mode XRD of FIG. This can be confirmed from. When synthesizing a tin (II) sulfide (SnS) thin film at a process temperature of 240 ° C., it is precisely arranged parallel to the substrate such that it cannot be detected by GIXRD of FIG. 4A and can only be observed by θ-2θ mode XRD of FIG. 4B. Two-dimensional van der Waals planes were detected, and transmission electron microscopy (TEM) analysis was performed to more accurately identify them.

도 5a와 5b는 각각 90℃의 공정 온도 조건에서 합성한 황화주석(II)(SnS) 박막과, 240℃의 공정 온도 조건에서 합성한 황화주석(II)(SnS) 박막의 단면을 TEM으로 분석한 결과를 나타낸다. 5A and 5B show TEM analysis of cross-sections of tin (II) sulfide (SnS) thin films synthesized at 90 ° C., and tin (II) (SnS) thin films synthesized at 240 ° C. One result is shown.

이미 도 4a와 4b에서 확인한 바 있듯, 공정 온도가 낮은 90℃의 경우 매우 작은 결정립(Grain)들이 다양한 배향성을 가지며 랜덤하게 분포하는 것을 볼 수 있다. 이와는 대조적으로 도 5b의 240℃에서 합성한 황화주석(II)(SnS)의 TEM 단면을 보면 이차원 반데르발스 면이 기판과 평행하게 잘 배열되어 매우 좋은 결정성을 보이는 것을 확인할 수 있다. 이차원 반데르발스 면간 거리가 0.28nm로 사방정계(Orthorhombic) (040)면임을 보여주며 이는 도 4b의 XRD 결과와 상응한다.As already confirmed in FIGS. 4A and 4B, at 90 ° C., where the process temperature is low, very small grains are randomly distributed with various orientations. In contrast, the TEM cross-section of tin (II) sulfide (SnS) synthesized at 240 ° C. of FIG. 5B shows that the two-dimensional van der Waals plane is well aligned in parallel with the substrate and exhibits very good crystallinity. The two-dimensional van der Waals interplanetary distance of 0.28 nm shows the Orthorhombic (040) plane, which corresponds to the XRD results of FIG. 4B.

따라서 본 발명에서는 넓은 공정 온도 조건에서 황화주석(II)(SnS) 박막과 그 박막의 합성 방법을 제공할 뿐만 아니라, 온도 조건의 정교한 조절을 통해 박막 내부의 π-SnS를 억제하여 이차원 o-SnS 상만이 존재하는 이차원 황화주석(II)(SnS)의 합성 방법까지 제공할 수 있다. 공정 온도 조건과 사이클 시간 등을 통해서 사용자가 원하는 박막의 결정성, 배향성, 두께(또는 이차원 면 층수)를 조절하는 방법을 제공할 수 있다.Therefore, the present invention not only provides a tin (II) sulfide (SnS) thin film and a method for synthesizing the thin film under a wide process temperature condition, but also suppresses π-SnS in the thin film through precise control of temperature conditions to thereby suppress two-dimensional o-SnS. A method for synthesizing two-dimensional tin sulfide (II) (SnS) in which only a phase is present can be provided. Through the process temperature conditions and the cycle time, it is possible to provide a method of controlling the crystallinity, orientation, thickness (or two-dimensional surface layer number) of the thin film desired by the user.

본 발명에서 제공하는 황화주석(II)(SnS) 박막과 그 박막의 합성 방법의 품질을 확인하기 위해서 WDXRF, RAMAN, XPS, AES 등의 박막 분석을 추가적으로 진행하였다.In order to confirm the quality of the tin sulfide (II) (SnS) thin film provided in the present invention and a method of synthesizing the thin film, thin film analysis such as WDXRF, RAMAN, XPS, and AES was further performed.

도 6a는 공정 온도 조건을 변화하며 합성한 황화주석(II)(SnS) 박막의 주석(Sn)과 황(S)의 조성을 WDXRF를 통해 분석할 결과이다. 모든 공정 온도(growth temperature) 조건에서 박막내의 S 조성이 약 50%로 정확한 화학양론비(Stoichiometry)를 갖는 황화주석(II)(SnS) 박막이 합성되었음을 확인하였다. FIG. 6A is a result of analyzing the composition of tin (Sn) and sulfur (S) of a tin (II) sulfide (SnS) thin film synthesized by varying process temperature conditions through WDXRF. It was confirmed that a tin sulfide (II) (SnS) thin film having an accurate stoichiometry was synthesized with an S composition of about 50% in all growth temperature conditions.

도 4a와 4b의 XRD 결과로는 검출되지 않았던 미세한 SnS2상까지 검출이 되는지 확인하기 위해 RAMAN 분석을 진행하였고, 이를 도 6b에 나타내었다. 도 6b에 도시된 바와 같이 RAMAN 분석을 통해서도 SnS2상이 검출되지 않았다. RAMA analysis was performed to confirm whether the fine SnS 2 phase was detected, which was not detected by the XRD results of FIGS. 4A and 4B. As shown in FIG. 6B, no SnS 2 phase was detected through RAMAN analysis.

XRD 뿐만 아니라 RAMAN 분석을 통해서도 SnS2상이 전혀 검출되지 않았으며 이를 통해 순수한 황화주석(II)(SnS) 만이 박막에 분포하고 있음을 알 수 있었다. TEM의 결과와 상응하게, 공정 온도가 높은 240℃에서 결정성이 가장 좋기 때문에 피크의 세기가 가장 크게 검출이 되었으며, 사방정계 황화주석(SnS)의 라만 쉬프트(RAMAN SHIFT) 위치와 정확히 일치한다.In addition to XRD and RAMAN analysis, no SnS 2 phase was detected, indicating that only pure tin sulfide (II) (SnS) was distributed in the thin film. Corresponding to the results of TEM, the peak intensity was detected the most because of the best crystallinity at 240 ° C, which is the high process temperature, and exactly matches the Raman shift position of the tetragonal tin sulfide (SnS).

도 7에는 모든 공정 온도 조건에서 합성한 황화주석(II)(SnS)의 XPS 분석 결과를 나타내었으며 이를 통해 박막 내의 불순물 농도와 박막 내 원자의 알 수 있다. 도 7a에서 Sn 3d의 코어 레벨(core level) 결합에너지가 485.7 eV에서 검출됨을 확인하였으며, 이를 통해 박막 내의 Sn이 +2의 산화가를 가지며 분포하는 것을 확인할 수 있다. 도 7b에서 S 2p의 코어 레벨 결합에너지가 161.2 eV에서만 검출되었고 이는 황화주석(SnS)의 Sn과 S의 결합에서부터 야기된 피크이다. 도 7c와 7d에는 각각 산소(O) 1s, 탄소(C) 1s의 코어 레벨 결합 에너지를 나타내었다. 도 7c에서 Sn과 O의 결합 에너지 피크가 검출되지 않았으며 검출된 O 1s 피크는 산화규소 기판으로부터 야기되었다는 것을 알 수 있다. 또한 도 7b를 통해 박막 내부에 탄소 불순물이 전혀 존재하지 않는 것을 확인할 수 있다. FIG. 7 shows XPS analysis results of tin sulfide (II) (SnS) synthesized under all process temperature conditions, and shows the impurity concentration in the thin film and the atoms in the thin film. In FIG. 7A, it was confirmed that a core level binding energy of Sn 3d was detected at 485.7 eV. As a result, Sn in the thin film may be distributed with an oxidation value of +2. In FIG. 7B, the core level binding energy of S 2p was detected only at 161.2 eV, which is a peak resulting from the binding of Sn and S of tin sulfide (SnS). 7C and 7D show core level binding energies of oxygen (O) 1s and carbon (C) 1s, respectively. It can be seen from FIG. 7C that the binding energy peak of Sn and O was not detected and the detected O 1s peak was caused from the silicon oxide substrate. In addition, it can be seen from FIG. 7B that no carbon impurities are present in the thin film.

도 8에는 박막 내에 존재하는 원자들을 깊이 프로파일(depth profile)로 분석하기 위해 실시한 AES 결과이다. 박막의 Sn와 S 조성은 1:1이며, 탄소, 질소 산소의 불순물은 검출 한계 이하의 농도로 존재하는 것을 보여준다. 표면 근처에 탄소 조성이 큰 것처럼 보이는데 이는 공기 중에 노출된 박막 표면에 탄소 오염이 불가피하게 존재하기 때문이며 박막 내부와 박막과 기판 사이 계면에는 탄소가 전혀 존재하지 않는다. FIG. 8 shows AES results of analyzing atoms existing in a thin film with a depth profile. The Sn and S compositions of the thin film are 1: 1 and the impurities of carbon and nitrogen oxygen are present at concentrations below the detection limit. It appears that the carbon composition is large near the surface because carbon contamination is inevitably present on the surface of the thin film exposed to air, and there is no carbon at the interface between the thin film and the thin film and the substrate.

도 9는 본 발명의 일시예에 따라 제조된 황화주석(SnS) 박막을 채널물질로 사용하여 추가적인 반도체 공정을 통해 박막 트랜지스터를 제작하고 그 특성을 측정한 결과이다. 게이트(Gate) 전압에 따라 드레인(Drain) 전류 값이 정확히 제어되고 있음을 볼 수 있다. 9 is a result of fabricating a thin film transistor through an additional semiconductor process using a tin sulfide (SnS) thin film manufactured according to the embodiment of the present invention as a channel material and measuring the characteristics thereof. It can be seen that the drain current value is accurately controlled according to the gate voltage.

도 10a 및 10b는 황화주석(II)(SnS) 박막을 센싱 물질로 사용하여 가스 센서 소자를 제작 및 측정한 결과이다. 도 10a 및 10b의 그래프에서 <G>라고 표시된 구간동안 반응 가스를 흘려주었고 그 외 구간은 공기를 흘려주었다. 또한 모든 측정은 별도의 가열 없이 상온 조건에서 진행 되었다. 도 10a의 경우, NO2가 박막에 흡착되면서 전자 받게(Electron acceptor)로 작용을 하여 p-형 반도체인 황화주석(II)(SnS) 박막 내부의 전자 농도를 낮추는 역할을 한다. 이때, (Ra-Rg)/Rg 로 구한 Response 값은 121 %로써 상온에서 비교적 높은 반응성을 보였다. 도 10b의 경우는 NH3가 흡착되면서 전자 주게(Electron donor)로 작용하여 박막 내부의 전자 농도를 높이거나 홀의 농도를 낮추어 저항이 높아지는 것을 보여준다. 이때, (Rg -Ra)/Ra 식으로 구한 Response 값은 38.6%로써 역시 상온에서 비교적 높은 반응성을 보인다.10A and 10B illustrate the results of fabricating and measuring a gas sensor device using a tin sulfide (II) (SnS) thin film as a sensing material. In the graphs of FIGS. 10A and 10B, the reaction gas was flowed during the section indicated by <G>, and the other section was air flowed. In addition, all measurements were performed at room temperature without additional heating. In the case of Figure 10a, NO 2 is adsorbed on the thin film to act as an electron acceptor (Electron acceptor) serves to lower the electron concentration inside the tin (II) sulfide (SnS) thin film of the p-type semiconductor. Where (R a -R g ) / R g The response value was 121%, which was relatively high at room temperature. In the case of FIG. 10B, as NH 3 is adsorbed, it acts as an electron donor to increase the electron concentration in the thin film or decrease the concentration of the hole to increase resistance. At this time, the response value obtained by the formula (R g - R a ) / R a is 38.6%, which is also relatively high at room temperature.

결과적으로 본 발명을 통해 황화주석(II)(SnS) 박막과 그 박막의 합성법 및 결정성 조절 방법뿐만 아니라 상기 박막의 트랜지스터, 가스 센서로의 응용 방법 또한 제공할 수 있다. As a result, the present invention can provide not only a tin (II) sulfide (SnS) thin film, but also a method of synthesizing and crystallizing the thin film, as well as a method of applying the thin film to a transistor and a gas sensor.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

Claims (7)

기판 상에 주석 전구체와 황 전구체를 이용한 화학적 기상증착법(chemical vapor deposition)으로 황화주석(II)(SnS) 박막을 형성하는 방법으로서,
상기 주석 전구체는 주석의 산화가가 +2가인 금속유기화합물이며,
상기 황화주석(II)(SnS) 박막은 화학양론적으로 형성되고,
상기 황화주석(II)(SnS) 박막을 형성하기 위한 기판의 온도는 210℃ 내지 240℃의 범위를 가지며,
상기 황화주석(II)(SnS) 박막은, 사방정계 SnS(o-SnS)가 단독으로 존재하는 상을 가지고, 상기 사방정계 SnS(o-SnS)는 결정면 (040)이 상기 기판에 평행하게 배열되는 구조를 가지는,
황화주석(II)(SnS) 박막 형성 방법.
A method of forming a tin (II) sulfide (SnS) thin film by chemical vapor deposition using a tin precursor and a sulfur precursor on a substrate,
The tin precursor is a metal organic compound having an oxidation value of +2 valence of tin,
The tin sulfide (II) (SnS) thin film is formed stoichiometric,
The temperature of the substrate for forming the tin sulfide (II) (SnS) thin film has a range of 210 ℃ to 240 ℃,
The tin sulfide (II) (SnS) thin film has a phase in which tetragonal SnS (o-SnS) exists alone, and the tetragonal SnS (o-SnS) has a crystal plane 040 arranged in parallel with the substrate. With the structure to become,
Tin sulfide (II) (SnS) thin film formation method.
제 1항에 있어서, 상기 주석 전구체는,
Bis(1-dimethylamino-2-methyl-2-propoxy)tin(II)를 포함하는,
황화주석(II)(SnS) 박막 형성 방법.
The method of claim 1, wherein the tin precursor,
Containing Bis (1-dimethylamino-2-methyl-2-propoxy) tin (II),
Tin sulfide (II) (SnS) thin film formation method.
제 1 항에 있어서,
상기 화학적 기상증착법은 원자층 증착법을 포함하는,
황화주석(II)(SnS) 박막 형성 방법.
The method of claim 1,
The chemical vapor deposition method includes an atomic layer deposition method,
Tin sulfide (II) (SnS) thin film formation method.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 황화주석(II)(SnS) 박막을 센싱 물질로 가지는 가스 센서를 제조하는 방법으로서,
상기 황화주석(II)(SnS) 박막은 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 방법으로 형성하는,
가스 센서 제조 방법.
A method of manufacturing a gas sensor having a tin (II) sulfide (SnS) thin film as a sensing material,
The tin sulfide (II) (SnS) thin film is formed by any one of claims 1 to 3,
Gas sensor manufacturing method.
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