[연구자명]

윤주영, 박혁, 김승모, 강대환, 이병훈, 정윤영

[연구제목]

Enhanced Contact Property and Thermal Stability by Suppressing Oxygen Diffusion through Sub-nm Ultrathin Barrier for IGZO Devices Beyond Scaling Limits

[연구내용 요약]

본 연구는 산화물 반도체(IGZO) 채널과 금속 전극이 만나는 경계면에서 형성되는 얇은 산화층이 전류 흐름을 방해하고, 소자의 수명과 안정성을 떨어뜨리는 문제에 주목하였다. 기존에는 두 물질이 반응하면서 전류 특성이 좋아지는 효과가 생긴다고 알려졌지만, 동시에 전기가 잘 통하지 않는 산화층과 결함이 함께 만들어져 성능 저하가 불가피한 한계가 있었다.

이를 해결하기 위해 연구진은 IGZO와 금속 사이에 나노미터 두께의 특수 분자층(Self Assembled Monolayer, SAM)을 삽입하는 새로운 계면 제어 기술을 도입하였다. 이 분자층은 산소 이동과 불필요한 반응을 차단해 산화층 생성을 억제하고, 반도체 표면의 결함을 줄여 전류 흐름을 더욱 안정적으로 만들어준다.

그 결과 계면 산화층 두께를 약 11 nm에서 4.1 nm로 크게 줄였으며, 절연 성질을 가진 분자층을 넣었음에도 불구하고 전기 저항은 오히려 약 77% 감소하는 성과를 달성하였다. 또한 고온 환경에서도 소자 성능 저하가 크게 완화되어, 접촉 안정성과 신뢰성이 획기적으로 향상됨을 입증하였다.

[성과와 관련된 이미지 및 설명]

본 그림은 IGZO 반도체와 금속 전극 사이에 특수 분자층(SAM)을 삽입했을 때 계면 구조와 전류 흐름이 어떻게 달라지는지를 직관적으로 보여준다.

• - SAM이 없는 경우: 금속과 IGZO 사이에서 산소와 금속이 서로 섞이고 반응하면서 불필요한 산화층과 결함이 많이 생긴다. 이로 인해 전류가 흐르는 경로가 불안정해지고, 전기가 잘 통하지 않아 접촉저항이 크게 증가한다.
• - SAM을 삽입한 경우: SAM 층이 두 물질 사이의 반응을 차단하는 보호막 역할을 하여 산화층과 결함 생성을 효과적으로 막아준다. 동시에 반도체 표면을 안정화시켜 전류가 더욱 안정적으로 흐르게 되며, 그 결과 접촉저항이 크게 감소한다.