핵심 요약
- 울산과학기술원(UNIST) 정창욱 반도체소재·부품대학원 교수 연구팀이 산화물 반도체 IGZO의 산소 빈자리 결함 작동 원리를 규명했다고 7월 19일 밝혔다.
- 연구팀은 결함 특성이 전체 원자 밀도가 아니라 결함 주변 금속 원자 간 거리에 의해 결정된다는 사실을 이론 계산으로 입증했다.
- 이번 연구 결과는 미국화학회(ACS)가 발행하는 국제학술지 ‘케미스트리 오브 머티리얼즈(Chemistry of Materials)’ 6월 23일자에 게재됐다.
울산과학기술원(UNIST) 정창욱 반도체소재·부품대학원 교수 연구팀이 산화물 반도체 IGZO(인듐·갈륨·아연·산화물)의 성능과 안정성을 좌우하는 산소 빈자리(oxygen vacancy) 결함의 핵심 작동 원리를 규명했다고 7월 19일 밝혔다. 연구팀은 산소 빈자리 결함 특성이 전체 원자 밀도가 아니라 결함 주변 금속 원자 간 거리에 의해 결정된다는 사실을 이론 계산으로 입증했다.
이번 연구 결과는 디스플레이용 박막트랜지스터(TFT)와 차세대 메모리 반도체의 공정 최적화는 물론, 문턱전압과 신뢰성 제어 기술 개발에도 활용될 것으로 기대된다.
산화물 반도체 IGZO는 저온 공정이 가능해 스마트폰과 TV 디스플레이용 박막트랜지스터(TFT)의 핵심 소재로 쓰인다. 제조 과정에서 발생하는 산소 빈자리 결함은 전류 흐름과 문턱전압에 영향을 미쳐 소자의 성능과 장기 신뢰성을 좌우하는 주요 요인으로 꼽힌다.
연구 결과 산소가 빠져나간 자리에 남은 전자는 결함 주변에 머무르거나 반도체 박막 전체로 확산되는데, 이 거동은 결함 주변 금속 원자 간 거리에 따라 결정되는 것으로 나타났다. 금속 원자 간 거리가 가까우면 전자가 결함에 갇히고, 거리가 멀어지면 전자가 박막 전체로 퍼져 전도에 기여한다.
UNIST 연구팀은 이러한 현상이 전자가 위치하는 결함 준위(defect level) 변화와 관련 있다고 분석했다. 결함 준위가 낮을수록 전자가 결함에 강하게 묶이고, 높을수록 쉽게 이동해 전기 전도 특성을 높이는 것으로 확인됐다.
특히 열처리와 박막 인장 공정은 결함 주변 금속 원자 간 거리를 늘려 결함 준위를 높이는 효과를 보였다. 반면 압축 응력은 전자를 다시 결함 주변에 머물게 하는 방향으로 작용했다.
이번 연구는 그동안 명확히 설명되지 않았던 열처리와 압축 공정의 상반된 효과를 하나의 원리로 설명했다는 점에서 의미가 있다. 기존에는 열처리로 원자 밀도가 증가해 전자가 확산된다고 해석됐지만, 압축 공정에서도 원자 밀도가 증가함에도 반대 현상이 나타나면서 원인 규명이 과제로 남아 있었다.
UNIST 연구팀은 밀도범함수이론(DFT), 구성좌표 분석, 제일원리 분자동역학 시뮬레이션을 활용해 산소 빈자리와 전자의 거동을 정밀 분석했다.
정창욱 UNIST 교수는 “산소 빈자리 결함은 산화물 반도체에서 피하기 어려운 요소지만 공정 조건에 따라 전기적 역할을 제어할 수 있음을 확인했다”며 “열처리 조건과 응력 설계를 통해 문턱전압과 스위칭 특성, 신뢰성을 동시에 최적화하는 데 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단(NRF) 나노·소재기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 미국화학회(ACS)가 발행하는 국제학술지 ‘케미스트리 오브 머티리얼즈(Chemistry of Materials)’ 6월 23일자에 게재됐다.
출처: ittimes (https://www.ittimes.com/news/articleView.html?idxno=85936)