1. 서론
오늘날 디스플레이 백플레인에는 박막트랜지스터(thin film transistor, TFT)가 집적되어 각 화소의 제어를 담당하고 있다. 흔히 사용되고 있는 비정질 규소(a-Si) 기반 박막트랜지스터는 적절한 에너지 밴드갭을 가지고 있어 소자 제작이 용이하고, 경제적이라는 장점이 있다. 그러나 디스플레이 산업 및 집적 회로의 발전에 따라 점차 고성능의 트랜지스터가 요구되면서, a-Si 기반 박막트랜지스터보다 더 뛰어난 성능의 대체품을 찾을 필요가 급증하였다. 2004년, Hosono 연구팀이 비정질 산화물 반도체인 In-Ga-Zn-O(a-IGZO)를 발표하면서 a-IGZO는 현재 규소반도체 기반 박막트랜지스터를 대체할 차세대 물질로써 급부상했다[1]. IGZO TFT는 복잡한 공정 과정이 필요하지 않고, 상온에서 증착이 가능하며 유연하다는 특징이 있어 디스플레이 기반 산업의 혁신적인 돌파구가 되리라고 많은 기대를 얻고 있다. 하지만 이런 IGZO TFT의 수많은 장점에도 불구하고, IGZO 기반 TFT의 이동도는 10 cm2/Vs 정도로 제한된다는 단점이 존재한다[2]. 이를 극복하기 위해 IGZO의 구성 요소 중 이동도를 높이는 데 쓰이는 물질인 In를 기반으로 IGZO TFT의 이동도를 증가시키려는 많은 노력이 시도되었다.
In은 매우 큰 5s 오비탈을 가지고 있으며, 이 오비탈의 중첩은 비정질 결정에서도 전자가 쉽게 움직일 수 있는 통로를 제공한다[3]. 따라서 높은 In 함유량을 가지는 비정질 산화물 반도체는 우수한 전자이동도를 보이게 되고, 이를 활용한 고전자이동도 소자가 다수 보고되고 있다. In2O3를 dual channel로 증착하는 방법이 효과를 얻어 34.3 cm2/Vs의 전자이동도를 측정하였다[4]. 플라즈마 원자막 증착방식 등의 방식을 사용하여 전자이동도를 높이는 방법이나 IGZO의 GaO나 ZnO를 TiN으로 대체한 IZTO/IGTO TFT도 연구되었다[3-6]. 일반적으로, In2O3 기반 TFT는 전자이동도가 높으나, 최대/최소 전류비가 낮고 동작 안정성이 불안한 문제를 가지고 있다고 인식되고 있다.
이러한 맥락에서 본 논문에서는 증착 과정이 간단하면서도 높은 전자이동도 및 최대/최소 전류비 등 우수한 특성을 가지는 In2O3 박막트랜지스터의 제조를 보고한다.
2. 연구방법
모든 소자는 SiO2산화막이 300 nm 성장된 p++ Si 기판 위에 제조되었다. 이 때 SiO2는 게이트 절연막으로 작용하였다. 준비된 기판 위에 In2O3 채널층이 RF 마그네트론 스퍼터링(radio frequency magnetron sputtering) 기법으로 증착되었다. 고순도 In2O3 타겟 (99.99 %, 태원과학)을 사용하였으며, 금속 섀도우마스크(제작: 미래테크)를 사용하여 원하는 선폭으로 채널이 선택적으로 증착될 수 있도록 하였다. 증착시 고순도 Ar가스(99.999%)가 사용되었으며 챔버에 유입되는 유량은 99 sccm, 챔버의 압력은 4 mTorr로 유지되었다. 증착은 스퍼터링 파워 100 W에서 10분간 진행되었다. 이어서 Al 전극은 DC 마그네트론 스퍼터링(direct current magnetron sputtering)을 이용하여 증착되었으며, 역시 금속 섀도우마스크가 사용되어 전극 사이 간격을 조절하여 선택적으로 전극을 증착하였다. 고순도 Al 타겟(99.999%)이 사용되었으며, 증착시 마찬가지로 고순도 Ar 가스만이 사용되었다. 챔버에 유입되는 유량은 99 sccm, 챔버의 압력은 10 mTorr로 유지되었고, 증착은 스퍼터링 파워 약 100 W에서 5분간 진행되었다.
소자 제작시 사용한 금속 마스크는 채널층의 넓이(W)가 일정하게 고정되고, 길이(L)는 각각 100, 150, 200, 250 μm이었다. 증착 완료 후 채널층의 넓이는 광학현미경으로 관찰했을 때 450 μm으로 측정되어, 본 논문에서는 이 값을 채널의 W 값으로 사용하였다.
전극 증착이 완료된 이후, 특성을 개선하기 위해 핫플레이트를 사용하여 250도에서 1시간 15분 가량 열처리를 진행했다[7]. 마지막으로, Si기판의 밑면에 흠집을 낸 뒤 전도성 수지도료인 실버페이스트(silver paste)를 이용하여 구리 테이프를 부착, 게이트 전극을 만들었다. 제조된 박막트랜지스터의 최종 구조는 Fig. 1(a)와 같으며, 제조된 소자의 사진은 Fig. 1(b)에 나와 있다.
소자 측정은 프로브스테이션 (MSTECH MST4000A) 에서 진행되어 빛의 영향을 최소화 하였다. 측정을 위해 2대의 소스미터기기(Keithley Model 2400)을 사용하였으며, 자체 제작한 파이썬 기반 소프트웨어와 컴퓨터로 소스미터기기를 제어하여 측정을 진행하였다[8].
3. 결과 및 고찰
먼저 제조된 소자의 전류-전압(current-voltage, I~V) 특성을 분석하였다. Fig. 2(a)는 제조된 소자의 출력특성곡선(output characteristic curves)을 채널 길이별로(100, 150, 200, 250 μm) 보여준다. 드레인 전압 (Vd)을 0 V에서 20 V까지 변화시키면서 전류를 측정하였고, 게이트 전압(Vg)은 0에서 100 V까지 각 커브마다 20 V 간격으로 변화하였다. 먼저 전체적인 전류의 크기는 L이 증가할 수록 감소함을 알 수 있다. 박막 트랜지스터에서 드레인 전류(Id)는 식 (1)과 같이 Square-law 모델을 사용하여 근사적으로 기술될 수 있다[9,10]. W가 일정한 상태에서 L이 증가할 때 소자의 W/L 비율이 감소하므로, 전체 전류는 줄어들게 된다.
Ci: 단위면적당 축전용량
또한 그래프에서 보는 바와 같이, 모든 커브에서 전류의 증가가 선형적으로 일어나는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 소스/드레인 전극과 In2O3 채널 사이에 오믹 접합이 잘 형성되었음을 시사한다. 게이트 전압에 따라 전류의 증가 폭 역시 일정하게 나타났으며, 이를 통해 측정 범위 내에서는 소자가 일정한 전자 이동도 및 축전 용량을 가짐을 알 수 있다. 단, 본 소자에서는 채널이 낮은 문턱전압을 가지고 있으며, 게이트의 축전용량이 상대적으로 낮아 본 측정범위에서 Pinch-off 및 포화 현상은 관찰하지 못했다. 또한, 채널 길이가 증가함에 따라 전체 커브의 개형은 유지한 채 최대 전류의 크기가 일정한 비율로 줄어듦을 확인할 수 있었다.
제조된 소자의 전달특성곡선(transfer characteristic curves) 역시 측정 및 분석되었다. Fig. 2(b)는 채널 길이에 따른 전달특성곡선을 세미-로그 플롯으로 보여준다. 게이트 전압은 −100 V에서 100 V까지 변화되었으며, 드레인 전압 1 V와 10 V에서 각각 측정이 이루어졌다. 모든 소자에서, 전류의 증가는 약 −75 V~−50 V 부근에서 시작되었다. 전류의 증가가 시작되는 지점을 턴온전압(turn-on voltage, Von)으로 말하기도 하는데, 채널의 길이가 증가함에 따라 Von 역시 증가하는 경향을 확인할 수 있다[11,12]. 이는 채널 길이가 짧아짐에 따라 채널과 전극과의 상호작용 등에 따라 전체 채널 대비 유효 채널이 더 짧아지고, 채널의 특성에 어느 정도 영향을 주는 것으로 해석할 수 있다. 낮은 Von 은 순수한 In2O3를 채널로 사용하는 TFT의 특징이기도 하다.
한편, 모든 소자에서 최소 전류 대비 최대 전류의 비율은 106 이상을 기록하였으며, 이는 본 기술이 적용된 소자가 향후 디스플레이 등 산업분야에서 실제 응용까지 충분히 이를 수 있을 만큼 우수한 점멸비를 가질 수 있음을 시사한다. 소자의 특징을 나타내는 또 다른 지표 중 하나인 Subthreshold Swing(SS)의 경우, 채널이 100 μm일 때는 5.07 V/dec로 다소 높았으며, 이는 채널 길이가 줄어듦에 따라 다소 변화한 채널의 특성이 영향을 준 것으로 보인다. 채널이 150 μm 이상인 경우는 1.6 V/dec 내외의 값을 안정적으로 보여주었으며, 이는 낮은 채널 축전 용량을 감안하면 타 연구와 비교해 보아도 상대적으로 우수한 특성을 나타낸 것으로 보인다.
문턱 전압 및 전계효과 전자이동도(field effect mobility, μ)를 구하기 위해, Fig. 3(a) 및 Fig. 3(b)와 같이 전달 곡선에 대한 추가 분석을 실시하였다. Fig. 3(a)는 채널 길이에 따른 전달곡선의 선형 플롯을 보여준다. 점선은 문턱전압(threshold voltage, Vth) 추출을 위한 0 V<Vg<100 V영역의 데이터를 이용한 선형 피팅을 보여준다. 높은 Vg(Vg> 0 V) 영역에서, 채널 길이에 관계없이 모든 소자는 선형적 전류 향상을 보여주었다. 낮은 드레인 전압에서 트랜지스터의 전류는 다음 식 (2)와 같이 근사될 수 있다.
따라서, 선형 피팅을 이용하여 선형 피팅이 Id=0(x축) 과 만나는 지점을 Vth로 계산하였다. 그 결과, Vth는 −28.9~−11.5 V 영역에 분포하였으며(Table 1), 채널길이가 길어짐에 따라 문턱전압이 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 전반적으로 Vth는 꽤 큰 음의 전압 영역에 형성되는데, 이는 In2O3의 높은 전자 농도에 비롯한다. 음의 Vth는 추가적인 UV/오존 처리, 새로운 채널 증착 기법, 도핑 등 다양한 방법으로 추후 개선될 수 있으리라 예상된다[13-15].
Please note that the field effect mobility values are calculated by utilizing effective channel length Leff in Eq. 2.
Fig. 3(b)는 게이트 전압에 따른 트랜스컨덕턴스 (transconductance, gm)의 변화를 채널 길이별로 플롯 한 것이다. gm은 Vg>0 V 구간에서 비교적 일정하게 유지되며, 앞서 계산한 문턱전압보다 약 50 V~60 V 높은 게이트전압에서 최대치를 나타내었다. 전반적으로 소자가 넓은 Vg 영역에서 선형적으로 동작함을 확인할 수 있다.
소자내 전자의 전계효과 전자이동도를 올바르게 계산하기 위해서는, 채널의 유효길이(Leff)가 물리적 길이 L과 어떻게 달라지는지 확인할 필요가 있다. 본 소자 제작 공정에서, 열처리 등에 따라 금속이 채널에 확산될 경우, 유효 채널 길이는 감소하게 된다. 이를 반영하지 않으면, 전계효과 전자이동도는 실제보다 과대평가될 여지가 있다. 이를 위해 transmission line method (TLM)를 문턱 전압 대비 게이트 전압(Vg−Vth)에 해당하는 과구동전압(overdrive voltage, Vov) 별로 적용하였다. 전극에서의 확산영역이 채널에서 차지하는 길이를 △L, 채널의 기생저항(접촉저항 등)을 R0, 소자의 전체 저항을 RT이라고 하면, RT는 다음 식 (3)과 같이 기술된다[16-18].
Fig. 4는 높은 Vov 영역(60 V<Vov<160 V)에서, Vov 별 채널 전체 저항 RT의 채널 길이에 따른 변화 및 이의 선형 피팅 결과를 보여준다. 여기에서 Vov 별 채널 저항은 1 V에서 측정된 전달 곡선의 0 V<Vg<100 V 의 선형 피팅에서 유추되었다. Vov와 관계없이, 2 △L= 34.3 μm과 R0~−10 Ω의 결과를 얻을 수 있었다. 이는 전극에서의 확산 영역이 채널에서 상당한 크기를 차지함을 나타낸다. R0는 음수일 수는 없으나, 전체 측정 범위 대비 아주 작은 값임을 볼 때 R0는 채널 저항 대비 매우 작으며, 소자 간 특성 차이에 따라 피팅 결과에 다소 오차가 있어서 음수의 값으로 계산된 것으로 추정된다.
전계효과 전자이동도는 유효채널 길이(Leff=L−2△L)를 반영하고, 선형 영역(Vd=1 V)에서 측정된 최대 gm을 포함, 식 (4)로 계산하였다.
Ci는 산화실리콘의 상대적 유전율 3.9, 산화실리콘 두께 300 nm를 반영하여 계산하였으며, gm은 Fig. 3(b)에 표시된 Transconductance의 최대값을 사용하였다. Table 1에서 보는 바와 같이, 채널길이에 따라 전계효과 전자이동도는 46.1~53.8 cm2/Vs에 걸쳐 분포되었다. 소자간 전자이동도의 편차는 추후 스퍼터링 공정, 열처리 공정 등 여러 공정의 기판 내 균일도를 향상시킴으로써 개선될 수 있으리라 예상된다.
4. 결론
본 연구는 In2O3 단일 채널층으로 박막 트랜지스터를 제작하고, 최대 53.8 cm2/Vs의 높은 전자이동도 등을 확인했다. 소자는 106 이상의 최대/최소 전류비, 1 nA 미만의 누설전류, 우수한 오믹 접합 및 넓은 게이트 전압 범위에서 균일한 선형적 동작 특성을 보였다. 문턱전압의 경우, 다소 낮은 전압(−28.9~−11.5 V)에서 형성되었으며, 채널의 길이에 따라 문턱 전압이 증가하는 특성을 관찰할 수 있었다. 소자의 채널에서 유효 채널의 길이를 확인하기 위해 TLM 방법을 과구동전압의 함수로 적용하였고, 전극에서 약 17 μm 정도 확산영역이 존재함을 확인할 수 있었다. 본 연구는 간단한 스퍼터링 방법으로 높은 전자이동도의 박막트랜지스터를 제조할 수 있음을 보였으며, 향후 고성능 디스플레이 제작 등에 활용될 수 있으리라 예상된다.
