김현재 연세대 교수 연구팀이 산화물 반도체 트랜지스터 채널 영역에 이온을 직접 주입해 채널 특성을 정밀하게 제어하는 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.
이온 주입은 반도체 내부에 불순물 이온을 주입해 전기적 특성을 조절하는 대표적인 공정이다. 반도체와 디스플레이의 트랜지스터 소스와 드레인 영역을 형성하거나 특성을 제어하는 데 활용되고 있다.
연구팀은 그동안 산화물 반도체 트랜지스터의 채널 영역에 거의 적용되지 않던 이온 주입 공정을 활용해 전기적 성능과 신뢰성을 동시에 향상시켰다.
기존에는 전기적 성능을 향상시키면 장기 신뢰성이 저하되고 신뢰성을 개선하면 성능이 떨어지는 '상충 관계'가 채널 영역에 이온 주입 기술 적용을 막는 병목으로 작용해왔다.
연구팀은 인듐·갈륨·아연·옥사이드(IGZO) 박막 트랜지스터 채널에 보론(B)과 플루오린(F)으로 구성된 BF₂ 이온을 직접 주입하는 새로운 방식을 제안해 이를 극복했다. B와 F를 활용해 채널 상부와 하부 산소 공공을 서로 다르게 제어했다. 이를 통해 한 번 공정만으로 채널 결함 분포를 정밀하게 조절할 수 있도록 설계했다.
그 결과 기존 소자보다 전계효과 이동도(μFE), on·off 전류 비율, 문턱전압 특성 등 전기적 성능이 향상됐다. 또한 양(+) 바이어스 온도 스트레스(PBTS) 및 음(-) 바이어스 조명 스트레스(NBIS) 등 다양한 신뢰성 평가에서도 문턱전압 변화가 감소해 장기 구동 안정성이 개선됐다.
연구팀은 이 결과가 기존 반도체 공정에 별도의 복잡한 공정을 추가하지 않고도 고성능·고신뢰성 산화물 반도체 구현이 가능하다는 점에서 의미를 찾았다.
김 교수는 “향후 고성능·고신뢰성 산화물 반도체 소자와 차세대 전(全) 산화물(all-oxide) 반도체 백플레인 구현을 위한 핵심 기술로 발전시켜 나가겠다”고 말했다.
연구는 재료과학 분야 세계적 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈'에 게재됐다.
김영호 기자 lloydmind@etnews.com
