[논문]산화물 박막 트랜지스터 개발 동향

정우석; 신재헌

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문제 정의

본고에서는 산화물 박막 트랜지스터의 다양한 구조와 N형 및 P형 산화물 반도체 소재의 이론적 배경, N형 산화물 반도체 개발 동향 및 P형 산화물 반도체 개발 동향, CMOS 개발 동향 등을 다룰 것이다. 21세기 유비쿼터스 시대에 들어서며, 가장 관심을 많이 끌 박막 소자는 단연 산화물 박막 트랜지스터일 것이며, 그에 대한 기술 동향 파악과 개발 목표달성으로 고성능 CMOS시대를 앞당길 수 있을 것이다.
또한 무엇보다 공정 온도가 200℃ 정도의 낮은 온도라는 점에서 Cu₂O 보다 좀 더 상용화의 가능성을 보여주고 있다고 판단된다. 이렇게 p형 산화물 TFT의 특성이 계속 좋아지고 최적화 되어 가면 결국 산화물 반도체 소자만으로 CMOS 회로 구현이 가능해지게 되는데 이에 대해서는 다음 장에서 자세히 소개하도록 하겠다.

대상 데이터

산화물 반도체로만 구성된 최초의 CMOS는 2008년도에 발표되었다[23]. P형 산화물 반도체는 SnO₂를 사용하였고, N형 산화물 반도체 소재는 In₂O₃를 사용하여, CMOS 인버터를 제작하였는데, 초기의 낮은 P형 TFT의 이동도(0.0047 cm²/Vs) 등으로 인해 높은 동작 전압과 11에 육박한 높은 Output Gain을 확보하였다(그림 19).
양극성 SnO 반도체로 제작한 CMOS 구조 (a) 및 VTC 및 Gain 특성(VDD = ±5V).

성능/효과

그림 9은 IZTO-TFT에서 박막의 인듐 조성과 IZO 타겟의 스퍼터 파워에 따른 트랜지스터 특성을 보여주고 있다. (a)에서 인듐 함량이 높아질수록 이동도는 증가하지만, 게이트 스윙 (S)는 낮아짐을 알 수 있고, IZO 파워가 증가할수록, 이동도는 감소하나 게이트 스윙은 커짐을 알 수 있다. (b)에서 V_T와 I_off는 반비례하는 경향을 보여주고 있으며, Transfer 곡선이 Negative로 움직임을 알 수 있다.

후속연구

본고에서는 산화물 박막 트랜지스터의 다양한 구조와 N형 및 P형 산화물 반도체 소재의 이론적 배경, N형 산화물 반도체 개발 동향 및 P형 산화물 반도체 개발 동향, CMOS 개발 동향 등을 다룰 것이다. 21세기 유비쿼터스 시대에 들어서며, 가장 관심을 많이 끌 박막 소자는 단연 산화물 박막 트랜지스터일 것이며, 그에 대한 기술 동향 파악과 개발 목표달성으로 고성능 CMOS시대를 앞당길 수 있을 것이다.
P형 산화물 반도체 개발 완성도에 따라, 고속 저전력 기능의 산화물 CMOS가 현실화될 수 있을 것이다. P형 개발과 CMOS 개발로 그 이전에 산화물 전자소자가 이뤄왔던 산업적 파급효과를 뛰어넘는 큰 수요를 가져올 것임은 확실할 것이다.
한편, 향후 10년 P형 산화물 반도체 소재 관련해서 이동도 10cm²/Vs 이상을 목표로 P형 산화물 반도체 조성 및 장치가 주력으로 개발될 것이다. P형 산화물 반도체 개발 완성도에 따라, 고속 저전력 기능의 산화물 CMOS가 현실화될 수 있을 것이다. P형 개발과 CMOS 개발로 그 이전에 산화물 전자소자가 이뤄왔던 산업적 파급효과를 뛰어넘는 큰 수요를 가져올 것임은 확실할 것이다.
SnO TFT의 경우엔 연구가 시작된 지 5년 정도 밖에 안되어서 스퍼터링, PLD, Evaporation 등 서너 가지 방법으로만 제조되고 있는데 앞으로 좀 더 다양한 방법이 시도될 것으로 보여진다. 표 3는 여러 증착 방법 및 온도 그리고 GI 조합으로 제조된 p 형 SnO TFT의 이동도 및 on-off 비를 보여주고 있는데 최근 Fortunato 등에 의해 4.
18 V/dec으로 거의 n-type 산화물 TFT의 수준을 보여주고 있다. 그러나 이러한 결과조차도 500℃라는 높은 공정온도 및 PLD라는 고가의 증착법에 의존한 결과여서 상용화까지 가기에는 아직도 많은 연구가 필요하다고 사료된다.
그 동안 많은 연구 성과로, 전기적 신뢰성, 광학적 신뢰성을 만족하면서, 트랜지스터 이동도도 30cm²/Vs 이상을 확보하는 수준에 이르렀다. 그런데, 앞으로 10년은 이동도 80cm²/Vs 이상 고이동도 N형 산화물 반도체를 개발하는 것과 이동도 20cm²/Vs 이상을 목표로 200도 이하 저온에서 용액공정으로 저가격 수요를 대응할 수 있는 산화물 반도체를 개발하는 것으로 이원화될 가능성이 높다. 한편, 향후 10년 P형 산화물 반도체 소재 관련해서 이동도 10cm²/Vs 이상을 목표로 P형 산화물 반도체 조성 및 장치가 주력으로 개발될 것이다.
예를 들어, 표 1에 나타나 있듯이, 대면적 AMOLED 디스플레이의 구동소자로써 지녀야 될 고이동도, 균일도, 신뢰도에 있어서 다결정 실리콘 TFT는 고이동도와 신뢰도만 만족하고 비정질 실리콘 TFT는 균일도만 만족하는 반면 비정질 산화물 TFT는 이 세 가지 필수 요건을 모두 가지고 있기 때문이다. 그렇지만, 산화물 박막 트랜지스터가 LTPS에 비해 낮은 수준인 20 cm²/Vs의 이동도를 넘어 80 cm²/Vs 이상으로 개발될 수 있어야 하는 것과 전기적 안정성뿐만 아니라, 광학적 안정성에서도 검증을 통과해야 할 것이다.
수백종류 이상의 N형 산화물 반도체 소재 조합에 비해, P형 산화물 반도체 소재는 대표적으로 CuO와 SnO가 큰 관심을 끌고 있다. 그렇지만, 앞으로 공정개선뿐만 아니라, 새로운 P형 박막 트랜지스터 소재 개발은 매우 중요할 것이다.
6(cm²/Vs)의 이동도와 7×10⁴ 정도의 on-off 비를 갖는 SnO p형 산화물 TFT가 보고되어 많은 관심을 불러일으키고 있다(그림 16). 또한 무엇보다 공정 온도가 200℃ 정도의 낮은 온도라는 점에서 Cu₂O 보다 좀 더 상용화의 가능성을 보여주고 있다고 판단된다. 이렇게 p형 산화물 TFT의 특성이 계속 좋아지고 최적화 되어 가면 결국 산화물 반도체 소자만으로 CMOS 회로 구현이 가능해지게 되는데 이에 대해서는 다음 장에서 자세히 소개하도록 하겠다.
이들 p형 산화물 반도체를 최적화시키는 범위에서 최적 조합의 n형 산화물을 선정하고, CMOS를 개발한다면, 낮은 작동 전압에서 높은 Gain을 확보할 수 있는 산화물 CMOS를 확보할 수 있을 것이다. 아울러, 저온 공정과 유연한 절연막의 적용으로 플렉시블한 CMOS 개발도 가능할 것이다. 향후엔, 이와 같은 결과를 차세대 디스플레이 구동소자나, RFID 소자, 이미지 센서 등에 활용하는 것이 가능할 것이다.
6 cm²/Vs, 7×10⁴에 이르기까지 많은 발전이 있어 왔다. 이들 p형 산화물 반도체를 최적화시키는 범위에서 최적 조합의 n형 산화물을 선정하고, CMOS를 개발한다면, 낮은 작동 전압에서 높은 Gain을 확보할 수 있는 산화물 CMOS를 확보할 수 있을 것이다. 아울러, 저온 공정과 유연한 절연막의 적용으로 플렉시블한 CMOS 개발도 가능할 것이다.
그런데, 앞으로 10년은 이동도 80cm²/Vs 이상 고이동도 N형 산화물 반도체를 개발하는 것과 이동도 20cm²/Vs 이상을 목표로 200도 이하 저온에서 용액공정으로 저가격 수요를 대응할 수 있는 산화물 반도체를 개발하는 것으로 이원화될 가능성이 높다. 한편, 향후 10년 P형 산화물 반도체 소재 관련해서 이동도 10cm²/Vs 이상을 목표로 P형 산화물 반도체 조성 및 장치가 주력으로 개발될 것이다. P형 산화물 반도체 개발 완성도에 따라, 고속 저전력 기능의 산화물 CMOS가 현실화될 수 있을 것이다.
이런 맥락에서 그림에 나타냈듯이, In₂O₃를 사용하여 플렉시블 산화물 TFT를 제작하였는데, 이동도 6 cm²/Vs 이상의 산화물 TFT를 후열처리 온도 200인 것은 의미가 있다. 향후에는 이동도 20 cm²/Vs 이상, 공정온도 200도 이하의 용액공정이 개발되고, 인듐을 사용하지 않는 소재를 개발하는 것이 목표가 될 수 있을 것이다.
아울러, 저온 공정과 유연한 절연막의 적용으로 플렉시블한 CMOS 개발도 가능할 것이다. 향후엔, 이와 같은 결과를 차세대 디스플레이 구동소자나, RFID 소자, 이미지 센서 등에 활용하는 것이 가능할 것이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

산화물 TFT가 비정실 실리콘 TFT에 비해 전기적 안정성이 좋은 것은 무엇에 기인하는가?

AM-LCD의 경우엔 트랜지스터가 스위칭 소자로만 사용되므로 게이트 전압에 의한 문턱전압의 이동이 그리 큰 문제가 되지 않는 반면 AM-OLED의 경우엔 트랜지스터가 스위칭 소자뿐만 아니라 전류공급 소자로써 사용되므로 문턱전압의 약간의 이동이 구동 특성에 지대한 영향을 미치게 된다. 산화물 TFT는 전자이동도도 크지만 무엇보다 전기적 안정성이 비정질 실리콘 TFT에 비해 훨씬 좋은데 이는 바로 활성층 내의 수소이온의 양 차이에 기인한다. 즉 비정질 실리콘에는 활성층 성장 시 어쩔 수 없이 다량의 수소이온이 들어가게 되는데 이는 수소이온의 비교적 큰 이동도로 인한 소자 불안정성을 야기하게 된다.

비정질 산화물 반도체의 결정 구조는?

비정질 산화물이 비정질 실리콘에 비해 높은 이동도 및 신뢰도를 갖는 이유는 바로 결정 구조 및 구성 성분과 관련이 있다. 그림 1은 비정질 실리콘과 비정질 산화물의 결정 구조를 비교한 개념도로써 비정질 실리콘은 전도대에서의 전자의 이동이 부자유스 러운 sp3 오비탈인데 반해 비정질 산화물은 전자의 이동이 비교적 자유로운 s오비탈로 구성되어 있음을 보여주고 있다. 이러한 결정 구조의 차이가 바로 수십 배의 전자이동도 차이를 주며 AM-OLED와 같은 전류주 입형 디스플레이의 구동소자로써의 첫 번째 요건을 만족시키는 역할을 하게 되는 것이다.

2008년 발표된 최초의 CMOS의 특징은 무엇인가?

산화물 반도체로만 구성된 최초의 CMOS는 2008년도에 발표되었다 [23]. P형 산화물 반도체는 SnO2를 사용하였고, N형 산화물 반도체 소재는 In2O3를 사용하여, CMOS 인버터를 제작하였는데, 초기의 낮은 P형 TFT의 이동도 (0.0047 cm2/Vs) 등으로 인해 높은 동작 전압과 11에 육박한 높은 Output Gain을 확보하였다 (그림 19).

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