X-ray 조사 시 bottom gate a-IGZO TFT의 전기적 열화 특성 개선

Abstract

인구 고령화와 웰니스(Wellness : Well-being + Fitness)라는 세계적인 메가트렌드 속에서 보건의료의 패러다임이 치료에서 예방중심으로 변화하고 있다. 그만큼 현 시대는 경제와 삶의 질이 향상되면서 건강의 중요성이 증대되고 있으며, 그 중 X-ray 영상 진단기기는 의학 및 산업 분야의 대표적인 첨단고부가가치 산업이다. 현재 상용화되어 있는 디지털 X-ray 영상 진단기기는 a-Si:H 기반 TFT와 포토다이오드로 구성되어 있으며 이는 높은 누설전류, 낮은 이동도 등의 문제점을 가지고 있다 [1-2]. 이와 같은 문제점은 의학 분약에서 환자들의 방사선 피폭선량을 높이는 큰 문제점을 야기할 수 있으므로, 좀 더 낮은 X-ray 선량으로도 효과적으로 검출할 수 있는 X-ray 영상 진단기기를 추구하고 있다. 최근 산화물 반도체 기반 TFT를 이용한 디지털 X-ray 영상 진단기기에 대한 많은 연구·개발이 진행되어 왔다 [3-4]. 기존 a-Si:H TFT 기반 디지털 X-ray 영상 진단기기와 비교하였을 때, 산화물 반도체 기반 TFT는 상온에서 증착함에도 불구하고 높은 전자이동도(> 10 cm2/ V·s)와 낮은 누설전류로 인해 데이터 신호의 노이즈를 감소시키며, 빠른 반응속도로 인해 고해상도를 선명하게 구현할 수 있는 장점이 있다 [5-6]. 하지만 산화물 반도체 기반 TFT의 경우 앞서 말한 것과 같이 많은 장점을 가지고 있지만, X-ray 조사 환경에서 섬광층이 존재하더라도 X-ray가 투과되어 전기적 특성이 변화되는 열화 특성을 가지고 있으며, 이와 같은 열화 특성은 해상도 및 정보전달에 영향을 미칠 수 있어 반드시 해결해야할 과제이다. 앞서 언급한 문제들을 해결하기 위해서는 디지털 X-ray 영상 진단기기의 스위칭 역할인 TFT 성능을 향상시킬 필요가 있으며 TFT에 대한 이해가 필요하다. TFT의 기본구조로 top gate 구조와 bottom gate 구조가 있다. Top gate 구조는 channel layer가 외부로 드러나지 않기 때문에, 소자가 만들어진 후에는 외부 환경에 의해 damage를 입을 확률이 적다는 것이고, active layer가 substrate 바로 위에 올라가는 구조이기 때문에 가장 안정적인 구조로 성장해 mobility가 높다는 장점이 있다. 반면에 bottom gate 구조는 active layer가 gate insulator 위에 올라가는 구조이기 때문에, source-drain 및 passivation layer 증착 시 공정 과정 중에 많은 damage를 받게 된다. 하지만 bottom gate TFT 낮은 전자이동도를 개선하기 위한 많은 연구가 진행되어 왔으며, 현재는 top gate TFT와 대등할 정도의 전자이동도를 가지는 TFT가 여럿 보고된 바 있다. Bottom gate TFT의 가장 큰 장점으로는 기존 Si 기반 공정 라인을 그대로 이용할 수 있어 공정비용 및 설계 측면에서 경제적인 이윤을 확보할 수 있는 것이다. 본 연구에서는 앞서 말한 내용을 바탕으로 X-ray 조사 환경에서 bottom gate a-IGZO TFT의 전기적 열화 특성을 평가하고, 열화 특성에 대한 원인을 규명 및 개선하였다. 산화물 반도체에서 전도도 변화에 대한 주된 인자인 oxygen vacancy와 수소의 거동에 초점을 맞추었으며, 최종적으로 active layer 증착 시 산소 분압비 조절 및 buffer layer, passivation layer의 물질 군 선택 등의 방법으로 X-ray 조사 환경에서 bottom gate a-IGZO TFT의 전기적 열화 특성 개선 방향에 대해 고찰하였다.