Electro-Mechanical 분석 방법을 통한 비정질 In-Ga-Zn-O의 전기적 특성 및 구조 완화에 대한 연구

Abstract

비정질 산화물의 가장 큰 특징은 수정(crystal)물질과 달리 원자의 배열이 불규칙적으로 이루어져 있다는 것이다. 불규칙한 원자 구조로 인해 기계적인 특성, 대면적화의 용이성, 투명성 등 다양한 측면에서 우수한 성질을 보여주어 기존의 반도체 물질을 뛰어 넘을 수 있는 차세대 반도체 소자 물질로 주목 받고있다. 열역학 적으로 준안정상인 비정질 산화물은 유리전이 온도 이하에서도 구조 완화로 인해 원자의 재배열이 일어나고, 이 과정에서 물질의 특성이 변화한다고 보고되고 있다. 하지만 이러한 현상에 대한 완벽한 이해 및 조절 방법에 대한 연구가 부족한 상황이다. 현재 활발히 연구가 진행되고 있는 비정질 산화In-Ga-Zn-O(IGZO)를 예시로 들면, 전기적 특성을 결정짓는 주 요소인 O원자의 주변환경에 따라 다양한 전자 준위를 가진다고 알려져 있으며, 구조 완화 과정에서 O 주변 원자 환경이 변화하여 전자 준위의 분포가 변화하고 전기적 특성이 변화할 수 있다고 알려져 있지만 이를 제어할 수 있는 방안에 대해서는 잘 알려져 있지 않다. 비정질 산화물의 위와 같은 문제는 반도체소자의 신뢰성 측면과 특성 조절 측면에서 문제점으로 대두되고 있으며, 보다 정밀한 비정질 산화물 반도체 소자 개발을 위해서는 반도체 산화물 내 원자간 환경 변화에 따른 구조 완화 현상에 대한 이해가 필요하며 이를 기반으로 비정질 산화물의 특성 조절 방안에 대한 연구가 필요한 상황이다. 본 연구에서는 비정질 IGZO 내에서 전기적 특성과 가장 연관 있다고 알려진 O 원자와의 결합이 가장 높은 Ga의 화학양론을 조절 하고 이에 따른 구조 완화 현상과 전기적 특성의 변화를 관찰 하였다. Ga의 화학양론은 co-sputtering을 통해 조절하였으며, 열처리 과정에서 발생하는 구조 완화 현상을 박막의 곡률 변화를 통해 관찰하였고 이를 전기적 특성의 변화와 연관 지었다. Ga의 화학양론이 높을수록 같은 열처리 조건에서 낮은 전도도 (conductance)보였으며 이는 Ga의 양이 증가함으로써 O와의 평균 결합에너지가 증가하고 O deficient한 donor의 생성이 줄어듦으로 인한 것으로 예측된다. Ga의 화학양론과 상관없이 낮은 온도 구간(~300 ˚C)에서는 열처리 시간에 상관없이 전도도가 거의 일정하게 유지되는 것을 확인 하였으며, 400 ˚C 온도 구간부터 열처리 시간에 따른 전도도의 증가가 관찰되었다. 500 ˚C 구간에서는 Ga화학양론이 낮은 경우(1.5) 전류의 흐름이 금속과 비슷한 수준으로 흐르는 것을 확인하였고, 기판 온도 증가에 따라 저항이 증가하는 metallic한 성질을 보여 주었다. 이와 동시에 전도도의 dependence가 사라졌으며, 이를 통해 Ga의 화학양론이 낮은 경우 높은 열처리 온도 조건에서 O와 관련된 donor들이 정렬되어 특정한 전도 경로를 만드는 것으로 예측된다. 반대로 Ga의 화학양론이 높은 경우 높은 열처리 온도구간에서도 면적 dependence가 유지되었으며, local한 전도 경로를 만들지 않는 것으로 예측된다. 온도구간에 따라서 열처리 시간에 따른 전도도의 변화는 온도에 따른 박막의 곡률 변화로 해석하였다. 약 300 ˚C 구간까지 박막의 곡률 증가치는 낮았으며, 이는 박막의 밀집화 현상이 크게 일어나지 않은 것에 기인하는 것으로 해석된다. 열처리 시간에 따라 전도도의 변화를 보였던300 ˚C 이후 온도 구간이후에서는 박막의 곡률이 급격히 증가하고 박막의 밀집화 현상이 급격히 일어남에 따라 전도도가 열처리 시간에 따라 증가하는 현상으로 해석된다. 위 현상은 Ga의 화학양론에 상관없이 공통적으로 관찰된 특성으로 유리 전이 온도 등의 특성은 크게 변화하지 않았다. 본 연구에서는 비정질 IGZO내에서 양이온의 화학양론 조절하여 O의 원자 환경을 변화시키고 구조완화에 따른 전기적 특성 변화를 조절하고자 하였으며 비정질 산화물의 전기적 특성의 변화를 박막의 기계적 곡률 변화로 예측하는 방법을 제시하고자 하였다.