디스플레이·차세대 메모리용 공정설계 이론 토대…국제학술지 게재
산화물 반도체의 성능을 좌우하는 산소 빈자리 결함의 작동 원리가 새롭게 밝혀졌다. 디스플레이·차세대 메모리용 산화물 반도체의 열처리와 박막 구조를 정하는 공정 설계의 토대가 될 전망이다.
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| ▲ 연구진 사진. 왼쪽부터 정창욱 교수, 장형준 연구원(제1저자), 박윤주 연구원, 박범진 연구원. [울산과기원 제공] |
UNIST(울산과학기술원)는 반도체소재·부품대학원 정창욱 교수팀이 산화물 반도체의 산소 빈자리 결함의 성질을 결정하는 것은 반도체 물질 전체에 원자들이 얼마나 촘촘하게 들어차 있는지가 아니라, 결함 주변의 금속 원자 사이 거리라는 사실을 이론 계산을 통해 증명했다고 19일 밝혔다.
산화물 반도체 IGZO는 인듐·갈륨·아연과 산소로 이뤄진 물질이다. 낮은 온도에서 박막으로 만들기 쉬워 스마트폰과 TV 화면을 작동시키는 박막트랜지스터 반도체 소자 재료로 널리 쓰인다.
이 IGZO를 박막으로 제조하는 과정에서 산소 자리가 듬성듬성 비는 결함이 생기는데, 이 결함이 전류 흐름과 작동 전압을 바꿔 소자 성능을 불안정하게 만들 수 있다. 산소가 빠진 자리에 남은 두 개의 전자가 빈자리 주변에 갇히느냐 박막 전체로 퍼지느냐에 따라 소자의 작동 전압과 성능이 달라지는 것이다.
이번 연구에 따르면, 전자가 빈자리 주변에 갇히거나 박막 전체로 퍼지는 상태는 산소 빈자리 주변의 원자 배열에 따라 달라진다. 특정 금속 원자 사이가 가까워지면 전자가 빈자리 주변에 갇히고, 멀어지면 박막 전체로 퍼지는 것이다.
이 차이는 산소 빈자리에 남은 전자가 머무는 에너지 위치인 '결함 준위'의 변화에서 비롯된다는 설명이다. 결함 준위가 낮고 깊을수록 전자가 빈자리에 강하게 붙잡혀 빠져나오기 어렵다. 열처리와 박막을 잡아당기는 인장은 모두 산소 빈자리 주변의 특정 금속 원자 사이를 벌려 결함 준위를 높이는 효과가 있다. 결함 준위가 높아지면 전자는 빈자리에서 빠져나와 박막 전체로 퍼지기 쉬워진다. 열처리를 하면 원자들이 더 안정적인 위치로 재배열되면서 금속 이온끼리 밀어내는 에너지까지 줄어, 전자가 퍼진 상태가 에너지 측면에서 더 안정한 상태가 된다.
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| ▲ 연구 그림. 산화물 반도체에 압축·인장 변형과 열처리를 각각 했을 때 산소 빈자리의 전자 상태 변화 이미지. |
연구팀의 이론은 기존에 서로 맞지 않아 보였던 열처리와 압축이 각각 산소 빈자리의 성질에 미치는 영향도 일관되게 설명할 수 있다. 열처리는 산화물 반도체의 원자 배열과 전기적 특성을 조절하기 위해 쓰이는 공정이다. 기존에는 열처리하면 박막 내부의 빈 공간이 줄고 전체 원자 밀도가 높아져 산소 빈자리 주변에 갇힌 전자가 박막 전체로 퍼진다고 봤다. 하지만 박막을 압축하면 마찬가지로 밀도가 높아져도 전자가 오히려 산소 빈자리 주변에 갇히는 현상이 보고돼 왔다.
연구팀은 원자와 전자의 상태를 계산하는 밀도범함수이론과 구성좌표 분석, 열을 받은 원자들의 움직임을 시간에 따라 재현하는 제일원리 분자동역학 시뮬레이션을 통해 이 같은 사실을 밝혀냈다.
정창욱 교수는 "산소 빈자리 결함은 산화물 반도체에서 피하기 어려운 결함이지만, 그 결함의 전기적 역할을 공정 조건으로 조절할 수 있음을 이번 연구를 통해 입증했다"며 "열처리 조건이나 박막에 걸리는 응력을 설계하면 문턱전압, 전류가 켜지고 꺼지는 특성, 신뢰성을 함께 제어하는 데 활용할 수 있을 것"이라고 설명했다.
이번 연구는 미국화학회(ACS)에서 발행하는 케미스트리 오브 머티리얼즈(Chemistry of Materials)에 6월 23일 출판됐다. 연구 수행은 한국연구재단(NRF) 나노·소재기술개발사업(2710089547)의 지원을 받아 이뤄졌다.
KPI뉴스 / 최재호 기자 choijh1992@kpinews.kr
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