산화물 반도체 소재 및 소자 개발 동향

정우석_ ETRI 책임연구원

1. 서 론

21세기는 바야흐로 산화물 전자소재가 전자산업을 지배하는 투명전자시대(Transparent Electronics)라 해도 과언이 아닐 것이다. ITO(indium tin oxide)로 대표하는 산화물 투명전극 (TCO, transparent conductive oxide)은 디스플레이와 태양전지 분야에서 이미 큰 산업적인 기반을 차지하고 있다. 그리고, 최근에는 산화물 반도체를 기반으로 한 박막 트랜지스터(oxide thin-film transistor, oxide-TFT)가 우수한 특성을 보여주기 시작하면서, 기존에 실리콘 기반의 소자 (비정질-Si, 또는 다결정-Si(LTPS))의 대체 가능성이 대두되었고, 실제로 TFT-LCD, AMOLED, 및 응용 Display에서는 산업적으로 큰 관심을 받고 있으며, 일부에서는 양산 적용이 시작되고 있다. 그림 1은 산화물기반 전자소재의 산업적 응용에 따른 투명전자시대의 도래에 대해 설명하고 있다. 제1의 물결은 투명전극의 산업적 응용으로 주로, 터치패널, 디스플레이, 솔라셀 등에서 시작되었으며, 현재도 매년 크게 성장하고 있는 소재 분야이다. 제2의 물결은 이제 상승세를 타기 시작한 n-형 산화물 반도체 시대이다. 고속 TFT-LCD나 AMOLED 패널의 구동소자로 사용되거나, 차세대 e-paper, HD-imager, 고분해능 센서에 이르기까지 활용폭을 넓힐 수 있으며, 이를 활용한 각종 투명디스플레이나, 투명 전자소자 기기도 출현할 것이다. 향후에 p-형 산화물 반도체가 개발된다면 제3의 물결이 시작되어, 저렴한 고순도 백색 LED나 CMOS IC, 무선 smart card, 고성능 투명 저전력 IC, 및 다기능 Display 등의 출현이 기대된다.

산화물기반 전자소재에서 산화물 반도체와 투명전극은 매우 밀접한 관계가 있다. 밴드갭이 큰 산화물은 일반적으로 절연체(insulator)가 되지만, 특정 원소의 경우 캐리어 농도를 적당히 높이면, 반도체를 만들 수 있고, 1021/cm3까지 높이면 전도체에 가깝게 만들 수 있다. 예를 들어, ZnO는 제조과정에서 각종 불순물의 혼입으로 반도체가 되기 쉽지만, 인위적으로 Al, Ga을 도핑시킬 경우, Al-doped ZnO (AZO), Ga-doped ZnO (GZO) 같은 TCO를 만들 수 있으며, 그리고, In2O3는 SnO2을 첨가시켜 ITO를 제조할 수도 있고, Al2O3, Hf2O3 등과 같은 캐리어 억제제(carrier suppressor)를 첨가시키면 반도체를 만들 수 있다. 주기율표 상에서 독성이 없는 투명산화물이면서 많은 n-형 캐리어를 생산할 수 있는 원소는 Zn, Ga, In, Sn 등이 있다.
한편, 산업적으로 큰 관심의 대상인, In-Ga-Zn-O를 기반으로 한 산화물 반도체의 경우 비정질 구조이면서 높은 캐리어 이동도를 나타내고 있다. 호소노 등은 그림 2와 같이 직경이 큰 금속이온 (heavy metal cation)으로 그 이유를 설명하였다. 즉, 공유결합을 하는 Si이 결정질에서 비정질로 바뀔 경우 sp3-orbital 결합이 끊어져 이동도가 1% 수준으로 낮아지는 반면에, IGZO 산화물 반도체는 이온결합을 이루고 있고, 결정구조가 비정질로 바뀌더라도 캐리어 이동은 직경이 큰 s-orbital을 통해 주로 이동하므로 높은 이동도를 유지하게 된다는 것이다.
본 기고에서는 최근 산업적으로 매우 큰 관심을 끌고 있는 n-형 산화물반도체 신소재 및 소자 개발, 그리고 디바이스 응용 현황에 대해 고찰하고자 한다.

2. 산화물 반도체 소재 및 소자 개발 현황

2.1. 산화물 반도체 소재 개발 현황

산화물 반도체를 활용한 TFT 연구 개발은 전세계적으로 2003년도에 본격적으로 시작되었다. 그림 3에 나타낸 것처럼, 일본의 Hosono, 미국의 Wager, 포루투칼의 Fortunato 그룹에서 주도적으로 산화물 TFT와 이를 이용한 투명 TFT를 발표하였다 [3-5]. Hosono 그룹은 IGZO를, Fortunato 그룹은 IZO를, Wager 그룹은 ZTO 소재를 대표적으로 연구하였으며, 이들 그룹은 그 이후에도 산화물 TFT 연구 개발을 지속적으로 주도하고 있으며, 한국에서는 2006년부터 SMD, LGD, ETRI 등을 중심으로 연구 개발이 진행되오고 있고, 최근에는 후발주자로 대만 및 중국의 성장세가 두드러지고 있다.

본 기고에서는 산화물 반도체 소재 개발 동향을 파악하기 위해 수백 편의 SCI 논문을 분석하였다. 먼저, 어떤 소재를 기반으로 연구가 진행되고 있는 지는 그림 4에서 확인할 수 있다. IZO를 기반으로 하여, 제3원소를 첨가시키면서 연구한 논문이 전체의 48%를 차지하였다. 이것은 IZO가 높은 이동도와 완벽한 비정질 구조를 제공하는 것 등과 무관하지 않을 것이다. ZnO 기반이 33%로 뒤를 이었고, ZTO 기반이 10%, ITO 기반이 4% 정도 포함되어 있었다. 한편, 이러한 논문들을 논문 목적에 따라 분석한 결과, 크게 2가지로 드러났으며, 표 1에서처럼 고이동도 소재/소자 개발, 그리고, 저온 TFT 공정이 가능한 소재/소자 개발이 주류를 이루었다. 이것은 향후 차세대 디스플레이의 두 가지 축인 고성능 TFT를 기반으로한 고분해능/고속 디스플레이 개발과 저온/플렉시블 기판을 활용한 플렉시블 디스플레이 개발 분야와 밀접히 관련되어 있다.

산화물 반도체 제조 공법에 따라서는 그림 5에 나타낸 것처럼, 진공방식과 비진공방식으로 크게 구분되었으며, 진공방식 중에 Sputtering 방법이 대부분을 차지하고 있고, 고품질 및 저온화를 주도하고 있다. 비진공 방식은 저가 공정으로 Solution, Spray, Inkjet printing 등 방법이 있으나, solution processed oxide TFT 기술이 큰 비중을 차지하고 있었다. 그렇지만, 전기적인 신뢰성 측면 및 공정온도 등에서 아직은 진공방식에 의한 TFT 특성을 따라오지 못하고 있다.
위의 연구논문 동향 분석을 통해, 산화물 반도체 신소재 개발은 매우 다양한 소재 기반과 다양한 개발 목적 및 다양한 공법 등을 포함하고 있음을 알 수 있다. 그런데, 양산(대면적 공정)이 가능한 산화물 신소재 개발에서 중요하게 고려되어야 할 기본적인 측면은 SMU(Stability, Mobility, Uniformity)일 것이다. Stability와 Mobility와의 일반적인 관계를 그림 6에 나타내었다. Mobility 는 소재의 carrier enhancer로, Stability는 carrier suppressor로 강화되므로, 이 두가지는 서로 반비례하는 관계가 되는 것은 당연하다. 그렇지만, 이 두가지 특성을 모두 강화시키는 연구가 많이 이뤄지고 있다. 여기에는 온도를 올리는 방법이 일반적이나, 도핑방법을 적용하거나 (한국전자통신연구원), 공정 장비 및 열처리 방법의 개선을 통해 특성 향상을 하는 방법(호소노 그룹)도 있으며, 게이트 절연막 및 passivation layer의 개선을 통해서도 향상시킬 수 있다. 그러나, 아무리 전기적 특성이 우수하여도, 소자 균일성을 확보할 수 없다면 양산에 적용할 수는 없을 것이다. IZO를 기반으로 개발된, Zr-IZO, Hf-IZO 등은 신뢰성 및 이동도가 개선되어도 불균일한 소재 특성으로 인해 균일성이 확보되지 않은 예일 것이다.

2.2 산화물 TFT 개발의 주요 이슈

표 2는 디스플레이 구동소자로 투명산화물 TFT, 비정질 Si-TFT, 및 LTPS-TFT를 비교한 것이다. 이 표로부터, 비정질 실리콘 TFT는 낮은 이동도와 취약한 신뢰성이, LTPS는 TFT 불균일성, 높은 제조비용 및 낮은 수율 등의 단점을 나타내고 있으나, 투명산화물 TFT는 이런 특성을 잘 보완해주고 있다. 그러나, 산화물 TFT의 광학적 신뢰성 측면에서는 좀 더 개선이 필요하다.
산화물 반도체 소재를 기반으로 제작된 박막 트랜지스터 (TFT, thin film transistor)가 우수한 특성을 확보하여 차세대 디스플레이의 구종소자로 사용되기 위해서는 그림 7과 같은 주요 성능지표를 만족시킬 필요가 있다. 이동도와 신뢰성은 다로 높게 설정되어 있으나, 향후 고분해능/고속 동작 디스플레이 개발을 염두한다면, 과하지 않은 것이고, 향후, 플렉시블 디스플레이를 위한 저온 공정이 가능한 산화물 반도체 신소재 개발이 필요할 것이다.
높은 이동도, 비정질 구조로 인한 대면적 균일성 그리고 스퍼터링을 이용한 용이한 공정의 장점을 가진 산화물반도체 TFT를 양산에 적용하기 위해서는 소자 신뢰성이 확보되어야 한다.
그림 8에 나타낸 것처럼, 산화물 TFT 특성 개선 측면에서는 채널과 게이트절연막, 저온공정, 신뢰성 등 4가지 요소들을 모두 고려해야 한다. TFT 특성 개선은 우수한 채널층만 개발한다고 해서 해결될 문제가 아니고, 채널과 잘 조화를 이룰 수 있는 게이트 절연막 소재와 공정기술을 개발하는 것이 반드시 필요하다. 한편, 저비용, 저온공정을 진행해도 고신뢰성을 확보할 수 있는 방법을 개발하는 것이 필요이다. 높은 이동도 및 낮은 SS값은 게이트 절연막과의 계면특성에 크게 영향을 받으므로, 계면 최적화가 필요하고, 저온 공정과 높은 신뢰성은 서로 trade-off 관계에 있으므로 소자공정 및 재료 등을 최적화시켜 저온에서도 전기적, 광학적 신뢰성을 개선시킬 수 있어야 할 것이다. 특히, 디스플레이가 작동될 때, TFT가 빛에 노출되므로 광학적 안정성 확보가 매우 중요한데 이를 위한 신규 소재 및 소자 구조 연구가 필요하다.

2.3 국내외 산화물 소재 및 TFT 개발 현황

2.3.1 국내 산화물 소재 및 소자 개발 현황

한국전자통신연구원은 2010년 IGZO TFT의 광신뢰성을 개선하고, OLED의 투과도 향상 기술을 추가로 제안하여 개구율 67.7%, 백플레인 어레이 투과도 80% 이상의 3.2인치 QVGA 투명 AMOLED 패널을 개발하였다. 한편, 그림 9에 나타난 것처럼, 산화물 반도체 신소재인 ZITO:B를 사용한 TFT를 적용하고, 양면터치 기능을 장착한 3.5인치 투명 QVGA 패널을 2010년 MRS Fall meeting에서 발표하였다 [6]. ZITO:B 산화물 반도체는 2011년에 US patent를 확보하였으며, 저온(300도 이하)에서 IGZO를 능가하는 고신뢰성을 보여주고 있다. 현재, 세라믹 타겟 전문업체인 나노신소재(ANP)와 IGZO를 능가하는 산화물 반도체 신소재 개발을 목표로 국가 과제(지식경제부 부품소재 단독과제)를 수행하고 있다.

LG 디스플레이는 2010년 IGZO TFT를 이용한 2.8인치 WQVGA급 LCD 패널을 발표하였음. 광신뢰성과 바이어스 스트레스 신뢰성이 우수한 것으로 확인되었다. 현재 파주의 8세대 라인 (2200＊2500)에 파일럿 라인을 구축하고, 월 캐파 약 4~5K를 목표로 2012년 양산을 계획하고 있다. 2010년 SID에 TiOx passivation layer로 적용한 고신뢰성 oxide TFT 기술을 발표하였다. Mo/Ti/IGZO 구조에서 Ti는 ESL(etch stop layer) 역할과 S&D 전극과 IGZO와의 컨택 저항을 개선시키는 역할을 한다.
삼성전자는 2011년 70인치 24OHz UD급 LCD를 발표하였다. 현재 탕정의 8세대 라인에서 산화물반도체 TFT를 테스트 중에 있고, 2012년 양산 계획이다. 이동도는 10cm2/Vs로 충분하나, 30,000nit에 대응하기 위해 Gate shied 및 TFT 구조 개선을 통한 NBTIS 개선을 시도하고 있다. 삼성 모바일 디스플레이는 LTPS 기반으로 AMOLED 패널을 개발하는 것을 최우선으로 정하고 있고, Oxide TFT 기술은 후보기술로 병행 개발하고 있다. 2011년 14.1인치 크기의 Hf-IZO TFT를 적용한 AMOLED 패널을 발표하였다. 향후, AMOLED TV 시장을 놓고, 미국 증권가 에널리스트들도 LGD와 SMD 중 누가 먼저 대형 TV를 시생산하는 지 관심이 집중되어 있으며, SMD는 다양한 Backplane 및 SMS방식을 LGD는 oxide TFT 기반 WOLED 방식 TV를 개발하고 있다.

2.3.2 국외 산화물 소재 및 소자 개발 현황

미국의 경우, NSF, DARFA, 산업체(HP, 코닥, CBRITE)를 중심으로 산화물 TFT 원천기술 확보에 주력함. HP는 Wager 교수와 공동 연구를 통하여 선행 특허를 확보하였다. HP는 오레곤 대학과 함께 산화물 TFT에 사용되는 산화물 반도체 재료와 관련된 원천기술을 확보하고, SAIL (Self-Aligned Imprint Lithography) 기술을 이용하여 R2R(Roll-to-Roll) 방식으로 전자종이용 backplane 제조 기술을 개발 중이며, CBRITE는 IGZO가 아닌 Oxide 반도체를 이용하여 그림 11과 같이, 이동도 80cm2/Vs 이상의 특성을 보여주었고, 공정 온도는 300℃이하로 낮은 열처리 온도에서 높은 이동도를 가질 수 있다고 설명하고 있다.

일본의 경우, 초기 연구는 Hosono 그룹과 Canon이 공동 연구를 진행하였으며, 산화물 TFT 기술과 관련하여 NEDO project 및 정부지원 하에 산(Sony, Canon, 토판, 샤프, 히타치, DNP), 학, 연에서 활발한 연구개발을 진행 중임. 투명 산화물 TFT는 ’03년도 Nomura가 단결정 channel 물질을 이용하여 이동도 80cm2/V.s의 소자를 발표하여, 투명 전자소자의 구현에 대한 가능성을 보여주었으며, SEL은 그림 12와 같은 CAAC(C-Axis Aligned Crystal) IGZO기술을 최근 몇 년 동안 발표해오고 있다. 그런데, CAAS IGZO TFT는 NBTS, PBTS, NBTIS 등에서 높은 신뢰성을 보여주고 있다. 특히, 540Hz 구동에서도 고해상도의 LCD 패널 동작이 가능함을 보여주었고, 대량생산이 가능한 플렉시블 AMOLED 패널 기술에 대해서 제안하였다.
토판프린팅에서 IGZO TFT 어레이를 유연기판인 PEN 위에 제작하여 Oxide TFT 기반 플렉시블 전자종이 시제품을 처음으로 시연하였고, TOSHIBA는 2010년에 바이오스-온도-스트레스(BTS)에 대한 신뢰성이 세계 최고 레벨를 갖는 산화물 반도체 TFT 개발을 발표하였고, 경량화, 박형화 디스플레이를 위해 플라스틱 기판에 산화물 반도체를 이용한 Sheet Display를 개발 중이며, 소니는 2010년에 11.7인치 qHD급 AMOLED 발표하였는데, DC sputtered Al2O3 passivation layer 공정 방법과 채널층을 포함한 TFT 구조 설계 변화에 따른 고신뢰성 소자를 구현하였다. 2011년에는 Self-aligned coplanar 구조를 적용한 IGZO TFT와 WOLED 방식을 적용한 9.9인치 패널을 발표하였다. 그리고 OLED 구동을 목적으로 전기/광 신뢰성이 우수한 산화물 TFT를 개발하여 19인치 AMOLED를 시험 제작하였다.
대만의 경우, 산화물 TFT 관련하여 산(AUO), 학(타이완국립대학), 연(ITRI)을 중심으로 원천기술 확보 및 개발에 주력하고 있으며, AUO는 산화물 IGZO TFT를 이용하여 2010년에 32인치 HD급 LCD를 발표하였고, 2011년에는 37 인치 TFT-LCD를 개발함으로써 산화물 TFT의 대면적화 가능성을 입증하였다. 특히, Etch stopper가 없는 BCE(Back Channel Etch) 구조를 적용하였음. AUO는 TFT 기술 측면에서는 후발주자에 속하지만, 기술적 발전속도는 빠른 편이다.
중국의 경우, BOE는 중국 최초로 산화물 반도체 LCD패널(18.5인치 HD Oxide TFT-LCD)과 산화물 AMOLED 디스플레이(4인치 WQVGA Oxide AMOLED) 연구개발에 성공했으며, 또한 관련 공정기술과 설계개발을 완성했다고 최근 발표했다.
이는 중국 산화물 반도체 백플레인 기술이 이미 업계 선진 수준에 도달했으며, 중국이 AMOLED 등 차세대 디스플레이제품 연구 개발에 더욱 박차를 가하게 될 것을 의미한다. BOE는 중국의 최대 규모의 광전디스플레이기술, 제품과 솔루션을 공급하는 업체로, 산화물 반도체 백플레인 기술, AMOLED 차세대디스플레이 등 분야에서 다양하게 주요 특허를 획득했으며, 이런 기술 기반위에 BOE는 이미 고변화율, 고 안정의 새로운 반도체재료 개발에 착수했으며 고해상도 산화물 LCD디스플레이와 대형 AMOLED의 기술개발과 생산을 추진하고 있다.
유럽에서는 포루투칼의 Fortunato와 Martin이 주도하에 많은 연구성과를 발표하였고, 영국 캠브리지 대학은 투명디스플레이 구현에 필요한 TFT 제작용 산화물 반도체 증착을 위하여 high density low damage 장비를 개발 중에 있다.

2.4 산화물 반도체 응용 동향

21세기 유비쿼터스 사회를 실현시킬 반도체, 통신 및 디스플레이 분야의 새로운 원천기술로 산화물 반도체 소재 및 소자 기술이 부각될 수 있다. 산화물 반도체가 가장 많이 개발 되고 있는 응용될 수 있는 분야는 그림 13에 나타내었듯이, 디스플레이, IC (integrated circuit, Sensor 이다.

그 중에 디스플레이 분야는 가장 대표적으로 개발되고 있으며, AMOLED (active matrix-light emitting

...............이하 생략(자세한 내용은 세라믹코리아 2012년 8월호 참조요망)

참고문헌

[1] H.Hosono et al.. J. Non-Crystalline Solids 203, 334 (1006)
[2] 니케이보고서-아시아판, 2007
[3] K.Nomura et al., Science 300, 1269 (2003)
[4] J.Wager, Science 300 1245 (2003)
[5] E.Fortunato et al., Appl. Phys. Lett., 85, 2541 (2003)
[6] W.S.Cheong et al, MRS Fall Meeting, Boston, (2010)
[7] H.S.Seo et al., SID meeting, Proceeding 76.2 (2010)
[8] KEIT, IT 전략기술로드맵의 메가트랜드 수정, 2009
[9] 예비 타당성 보고서, “60인치 UD급 투명플렉시블 디스플레이 및 이를 활용한 IT 융합형 인포테인먼트 시스템, 2011

정우석(鄭又碩)
- 1992년 연세대학교 금속공학과 공학사
- 1994년 KAIST 재료공학과 공학석사
- 1998년 KAIST 재료공학과 공학박사
- 1998년~2011년 하이닉스반도체 메모리연구소 선임연구원
- 2011년~현재 과학기술연합대학원대학교 차세대소자공학전공 겸임교수
- 2002년~현재 한국전자통신연구원 융합부품소재연구부문 책임연구원

그림 1. 투명전자시대의 도래 [1]
그림 2. IGZO 및 Si 반도체의 미세구조 변환에 따른 전도 Mechanism [2]
그림 3. 산화물 반도체 개발 초기 주역들 [3-5]
그림 4. 산화물 반도체 개발을 위한 주요 기반소재
표 1. 산화물 반도체 소재/소자의 대표적인 연구 목적
그림 5. 산화물 반도체 제조 방법 분류
그림 6. 산화물 반도체 신소재 개발 이슈
표 2. 디스플레이 구동소자 비교
그림 7. 산화물 TFT 개발의 주요 성능지표와 개발 이슈
그림 8. 디스플레이용 산화물 TFT 공정최적화와 이슈
그림 9. ZITO:B TFT를 적용한 3.5”급 투명 QVGA 패널 [6]
그림 10. 다양한 Oxide TFT 구조(TiOx passivatied TFT, LGD 개발) [7]
그림 11. CBRITE 사의 이동도 80의 oxide TFT 및 이를 이용한 4.8” 패널 제작
그림 12. CAAC IGZO를 이용한 산화물 반도체 제작(SEL)
그림 13. 산화물 반도체 소자의 대표적인 응용분야
그림 14. 디스플레이 산업의 메가트랜드 [8]
그림 15. 다양한 투명디스플레이 제품들