산화물 반도체 TFT의 신뢰성 연구 동향

황 치 선_ 한국전자통신연구원 책임연구원
박 상 희_ KAIST 신소재공학과 교수

I. 서론

금속 원소와 산소의 결합으로 이루어진 산화물 반도체는 전기적 특성을 이용하는 여러 응용 분야에 사용되어 왔다. 그 응용 분야에는 환경에 따른 전기적 특성의 변화를 이용한 가스 센서, 압전 특성을 이용한 압전 센서나 발전소자, 도핑을 이용한 투명 전도체, 서로 다른 타입으로 도핑을 한후 접합을 시켜서 제작한 다이오드 등이 대표적인 응용 분야이다.
이중에서도 가장 산업적으로 널리 쓰이는 것은 도핑 현상을 이용한 투명 전도체 분야이다. 빛과 전기의 상호작용을 이용한 모든 광전소자에는 투명 전도체가 필요하게 된다. 대표적인 것은 디스플레이 소자들과 LED이다. 이러한 소자에 가장 많이 사용되는 물질은 InSnO와 InZnO이다. 이들은 결함이 없는 상태에서는 넓은 밴드갭을 가지고 매우 적은 캐리어를 가지고 있는 반도체이지만, 결함을 만들어 주게 되면(주로 산소 결핍 결함), 많은 캐리어를 함유하게 되어 전도도가 크게 증가하여 전도체로 사용할 수 있게 된다.
2000년대 후반에 이러한 투명전극에 사용되는 물질의 결함양을 적절히 조절함으로써 TFT에 사용가능한 반도체를 형성할 수 있다는 것이 알려졌다. 주로 In과 Sn, Zn를 주종으로 하여 여기에 Ga, Al, Sb등 여러 가지 원소를 조합하여 다양한 형태의 산화물 반도체가 시도되었다.
이중에서 가장 성공적인 것은 일본의 동경공대 Hosono 그룹에서 제안한 InGaZnO였다. 이들은 2003년에 Science에 결정질 InGaZnO를 이용하여 TFT로 동작시킬 수 있음을 보였다.[1] 그 다음해인 2004년에는 Nature에 비정질 InGaZnO를 이용하여 이동도 8cm2/Vs의 TFT가 형성됨을 보였다.[2] 이때까지 상업적으로 성공적인 TFT는 Si 기반의 폴리 실리콘 TFT와 비정질 실리콘 TFT가 전부였다.
이 밖에 유기 반도체를 이용하거나 칼코게나이드를 이용한 TFT가 연구되었으나 널리 사용되지 못하였다. 주로 문제가 되었던 것은 Si 계열의 TFT에 비하여 성능이나 안정성이 저하되는 점이었다. 그런데 산화물 반도체의 경우에는 비정질 형태를 띠고 있음에도 불구하고 비정질 실리콘 TFT에 비하여 거의 10배에 달하는 이동도를 보여줌으로써 산업적인 성공 가능성을 높였으면 많은 주목을 받게 되었다.
TFT가 가장 많이 사용되는 분야인 평판디스플레이 산업분야에서는 대면적에서 고화질을 구현하기 위하여 대면적에 적용가능한 고성능의 TFT를 찾고 있었기 때문에, 평판디스플레이 산업이 발달되어 있는 일본, 한국, 중국을 중심으로 산화물 TFT의 산업화를 위한 많은 연구가 이루어졌다. 2006년 LG전자가 컬러 AMOLED를 산화물 TFT로 구현한 것을 시작으로 하여 삼성전자, 샤프, AUO등에서 많은 시제품을 개발하였다. 그리고 2012년 일본의 샤프사가 InGaZnO TFT를 이용한 디스플레이의 양산을 최초로 발표하였으며, 그 이듬해 우리나라의 LGD는 산화물 반도체 TFT를 이용한 OLED TV를 최초로 양산한다고 발표하여, 산화물 반도체 TFT는 본격적인 산업화의 길로 들어서게 되었다.
InGaZnO가 처음 논문으로 발표된 지 채 10년이 지나지 않아 산업화가 이루어진 것은 기존의 실리콘 계열의 TFT에 비하면 매우 이례적인 일이라 할 수 있을 것이다. 이렇게 산업화까지 이르는 기간이 단축된 것은 그동안 실리콘 계열의 TFT나 유기 반도체 계열의 TFT를 연구하면서 얻은 많은 기술적 방법들이 적용될 수 있었던 것이 하나의 이유일 것이라고 생각되는데, 특히 산화물 TFT의 신뢰성에 대한 평가 방법이나 개선 방법 등은 대부분 이러한 다른 TFT에서 얻었던 경험을 바탕으로 하는 것이라 할 수 있다. 그럼에도 불구하고 산화물 TFT는 다른 소재를 이용한 TFT와는 다른 독특한 신뢰성 이슈를 가지고 있고 이러한 문제를 해결하기 위하여 새로운 시도들 또한 많이 이루어져 왔다.
본 논문에서는 먼저 산화물 TFT의 구조와 기본적인 동작 특성에 대해 2장에서 살펴본 후에 산화물 TFT가 가지는 여러 가지 신뢰성 이슈들에 대해 3장에서 논의하고자 한다. 4장에서는 향후 신뢰성 연구가 지향해야 할 방향에 대해 논의한 후 끝을 맺고자 한다.

II. 산화물 TFT의 소자 구조 및 동작 특성

1. 산화물 TFT의 소자 구조
일반적으로 사용되는 대부분의 TFT는 그림 1에 나타난 구조 형태를 취하고 있다. 가장 널리 사용되고 있는 비정질 실리콘 TFT의 경우에는 BCE(Back-Channel-Etch)구조라고 하여 그림 2의 BCE와 같은 구조를 가지고 있는데 이것은 그림 1에서 역구조 스태거드 구조에 해당한다. 한편 폴리 실리콘 TFT의 경우에는 자기정렬(SA;Self-align) 방식 구조를 가지고 있는 이것은 그림 1에서 정상구조 플라나 구조에 해당한다.

이렇게 TFT마다 다른 소자 구조를 가지고 있는 것은 반도체막의 특성과 관련이 된다. 비정질 실리콘의 경우에는 증착을 통하여 반도체막의 특성이 결정되므로 연속공정으로 게이트 절연막 과의 계면 특성이 우수한 하부 게이트 전극 구조를 선호하게 되었고, 폴리실리콘의 경우에는 결정화 과정에서 영향이 적고 소자 특성이 우수한 상부 게이트 전극 구조를 취하게 되었다.
산화물 TFT의 경우에는 증착을 통하여 반도체막의 특성이 결정되고 상대적으로 계면 특성 확보가 상대적으로 용이하여 게이트 절연막과 연속 공정으로 증착하지 않아도 큰 문제가 되지 않아 BCE구조나 SA구조 모두 가능하게 된다. 다만 현재까지 일반적으로 BCE 구조에서 소자의 안정성을 확보하는 것이 용이하지 않아 ESL(Etch-stop Layer)구조를 택하고 있다. ESL 구조 또한 비정질 실리콘 TFT에서 BCE 구조가 일반화되기 전에 사용되었던 구조이다. 그림 2는 산화물 TFT에 사용된 여러 가지 구조(ESL, BCE, SA)에 대한 모식도이다.

그림 2에 나타난 바와 같이 산화물 TFT의 소자구조에 또 하나의 특징은 반도체막과 소스/드레인 금속 전극 사이에 접촉 저항을 줄이기 위한 도핑층이 없다는 점이다. 이는 산화물 반도체가 실리콘 반도체에 비하여 상대적으로 캐리어양이 많기 때문에 금속과의 Ohmic 접합을 잘 이루기도 하고, 금속과의 계면에서 산소의 섞임에 의하여 자연스럽게 도핑층이 형성되기 때문으로 생각된다. 다만, 일부 연구에서는 도핑층을 적용하여 소자 특성이 개선되는 점을 보고하기도 하였으나, 공정상의 단순화를 위하여 일반적으로는 도핑층의 삽입이 이루어지지 않고 있다. 다만, SA구조에서는 금속과의 접촉이 이루어지는 영역으로부터 채널 형성 영역사이에 옵셋 지역이 형성되는 것으로 방지하기 위하여 도핑영역을 형성하게 된다.
 
2. 산화물 TFT의 동작 특성
Si 단결정을 기반으로 하는 MOSFET의 동작특성은 거의 대부분 이해되고 있다. 이에 비하여 대부분의 TFT는 실험적인 모델링을 통하여 MOSFET의 동작특성의 변형된 형태로 이해되고 있으며, 공정에 따라 동작 특성의 변동이 심함으로 정확히 이해되지 못하는 부분도 많다. 그렇지만, 그동안의 비정질 실리콘 TFT나 폴리 실리콘 TFT의 동작 특성을 이해하면서 얻어진 지식들을 바탕으로 모든 TFT에 대한 기본적인 특성들은 해석되고 있다.
산화물 TFT의 경우에도 비정질 반도체이기 때문에 비정질 실리콘 TFT와 공유하는 특성이 많이 있지만, 비정질 실리콘과는 다른 비정질 산화물 반도체로서 가지는 특징 때문에 실제 소자의 특성은 비정질 실리콘 TFT와는 또 다른 특징을 보여주고 있다. 이러한 산화물 TFT의 동작 특성에 대하여 간단히 살펴보고자 한다.
우선 산화물 반도체가 실리콘 반도체에 비하여 밴드갭이 대단히 크기 때문에 한 종류만의 캐리어(대부분 n 타입이므로 전자이다)가 TFT의 동작 특성에 기여하게 된다. 그러므로 Off 영역인 공핍(depletion) 영역에서는 캐리어의 농도의 매우 낮게 할 수 있어 Off 전류가 매우 작게 된다. 대부분의 경우에 채널의 off 전류는 측정 한계 이하에 이르는 경우가 많다. 이러한 특성은 특히 디스플레이의 백플레인에 스위치 소자로 사용되는 경우에는 큰 장점이 된다. (그림 3)

그 다음으로 처음 InGaZnO를 도입한 Hosono 그룹의 주장처럼 비정질 반도체임에도 불구하고 높은 이동도를 보일 수 있는 것은 산화물 반도체를 이루고 있는 결합이 공유결합보다는 이온결합에 가깝기 때문에 비정질화 되더라도 이러한 구조적인 무질서가 전자의 이동을 심하게 저하시키지 않게 된다. 이는 컨덕션 밴드 끝부분에 존재하는 밴드테일의 양이 상대적으로 적음을 의미한다. 비정질 실리콘의 경우에는 이러한 밴드테일 상태가 많기 때문에 전자수송에 있어 밴드테일에의 잡힘과 복귀를 반복하게 되면서 전하의 이동도가 저하가 많음에 비하여 산화물 반도체의 경우에는 이동도 저하가 적다.
또한 TFT의 동작 특성에서 스위칭 특성을 나타내는 문턱전압이하 스윙(SS;Sub-threshold Swing)값이 작게 된다. SS값은 채널에 게이트 전압이 인가되어 채널에 전하가 유도되는 과정에서 필요한 전압의 값으로 표현되는데, 산화물 반도체의 경우에는 컨덕션 밴드 주변의 밴드 테일이 작기 때문에 작은 전압으로도 충분히 채널에 전하를 유도할 수 있게 된다. 따라서 산화물 TFT의 스위칭 특성은 매우 좋은 편이다. (그림 3)
앞서 설명한 바와 같이 산화물 반도체로 쓰이는 대부분의 물질들은 투명 전도체로 쓰일 수 있을 정도로 전도도가 높을 수 있으나 결함양의 정밀한 조절을 이용하여 반도체로 쓰이고 있다. 그러나 기본적으로 자체결함에 의한 캐리어의 양을 어느 이하로 줄이기 어렵기 때문에 기본 캐리어 양이 10-16~10-18개/cm3로 많은 편이다. 이에 따라 게이트 전압이 인가되지 않은 경우에도 기본 캐리어에 의한 전류가 어느 정도 존재하게 되어, 많은 경우 depletion 모드로 동작을 하게 된다. 즉, Von전압이 음의 값을 갖는 경우가 많다. (그림 3)
마지막으로 염두에 두어야 할 것은 산화물 TFT의 경우에 동작 특성이 매우 다양하다는 것이다. 실리콘 계열의 TFT에서는 단일한 물질로 생각하여도 무방할 정도로 거의 일정한 특성을 지니는 소자가 얻어짐에 비하여 산화물 TFT의 경우에는 산화물 반도체를 구성하고 있는 원소들도 다양한 조합이 가능할 뿐만 아니라, 같은 원소들의 조합인 경우에도 원소 사이의 구성비에 따라 특성이 달라지고, 같은 조성비를 가지는 경우에도 자체 결함(주로 산소 결핍으로 여겨짐)의 양에 따라서 산화물 반도체의 특성이 달라지므로 산화물 TFT의 특성을 이해할 때 이러한 소재의 변동에서 오는 특성의 변동을 분석하는 것이 필수적이다.