최근 인공지능, 사물인터넷, 스마트 자동차, 가상현실 등이 연구 개발됨에 따라 이러한 기기에 들어가는 주변 소자 중 하나인 메모리의 전력소모, 크기 등의 성능 향상에 대한 필요성이 대두되고 있다. 이 중에서도 phase change random access memory (PRAM) 은 차세대 반도체 메모리 중 하나로 많은 연구개발이 되고 있으며, 크로스바 어레이를 적용해 높은 소자 집적도를 가지는 장점을 가진다. 하지만, 어레이에 단독으로 메모리 소자를 적용시킬 경우 인접한 메모리 간 누설 전류가 발생하기 때문에 이를 방지하기 위한 선택소자에 대한 관심 또한 증가하고 있다.

한편, 산화물 반도체를 적용함으로써 낮은 off-current 를 가지며, 높은 selectivity 특성을 가져 누설 전류를 방지하는데 효과적인 신개념 산화물 반도체 기반 다이오드가 개발된 바 있다. 하지만, 낮은 off-current 를 가져 누설 전류를 방지하는 것뿐만 아니라, 전력 소모 감소를 위해 낮은 SS 와 Von 의 조정 가능성을 확보해 낮은 전압에서도 소자가 동작할 수 있어야 하며, 메모리 소자에 맞는 Von 를 확보하는 것 또한 중요하다. 일반적으로 산화물 반도체는 산소 공공에 대한 영향이 크기 때문에 산화물 반도체 증착 시 산소 분압과 증착 파워 조절을 통한 선택소자의 전기적 특성의 변화를 확인해 볼 필요성이 있다.

본 연구에서는 a-IGZO 증착 시 산소 분압과 증착 파워 조절을 통해 제작된 a-IGZO/SiO₂ 선택소자의 전기적 특성을 평가하였으며, 전기적 특성 중 최근 이슈가 집중되고 있는 전력 소모에 영향을 많이 미치는 switching slope (SS) 와 on-voltage (Von) 에 대해 중점적으로 평가하였다. 산소 분압에 따른 전기적 특성에서 산소의 분압비가 아르곤의 분압비보다 높아지면 Von 가 증가하는 경향을 보였으며, SS 는 산소 분압이 증가함에 따라 감소한다. 그리고 증착파워에 따른 전기적 특성은 증착 파워가 높아질수록 Von 가 감소하며, SS 는 증가하는 경향을 보인다. 산소의 분압비가 아르곤의 분압비보다 높을 때, Von 가 증가 하는 경향은 일반적인 산화물 반도체 소자에서 산소 분압이 증가함에 따라 캐리어의 농도가 감소하여 Von 가 감소하는 경향과는 반대의 경향을 나타낸다. 이에 대한 원인과 앞서 언급한 전기적 특성의 변화에 대해 이해 위해 a-IGZO 증착 시 산소 분압과 증착 파워를 조절하여 제작한 후 atomic force microscopy (AFM), photoluminescence (PL), 그리고 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) 분석을 진행하였다. 이를 바탕으로 산소 분압 증가로 인한 SS 의 증가는 산소 원자와 증착 물질 간 산란, 산소 플라즈마 내 minority O2+ 로 인해 전자가 trap 될 수 있으며, Ar:O₂ 분압비가 9:1 에서 5:5 까지 Von 의 감소는 증착 시 산소가 많아 산소 공공의 형성이 감소하고 캐리어 농도의 감소로 인한 것으로 사료된다. Ar:O2 분압비가 5:5 에서 1:9 까지 산소 분압이 높을 때, Von 의 증가는 두 물질을 접합 시 물질 내에 존재 하는 산소 원자 밀도 차에 의한 interface dipole 로 a-IGZO 박막 쪽으로 O- 원자가 이동하여 페르미 준위 상승으로 사료된다. 또한, 증착 파워가 높아짐으로 인한 SS 증가는 증착되는 원자 유동의 과포화로 인해 trap 의 영향인 것으로, Von 의 증가는 증착되는 입자들의 높은 운동에너지로 인한 산소 이탈에 의한 것으로 사료된다.