산화물 반도체 전자 소재 현황

김 성 근_ 한국과학기술연구원 선임연구원
백 승 협_한국과학기술연구원 선임연구원
김 진 상_한국과학기술연구원 전자재료연구센터 센터장

1. 서 론

현대에는 무수히 많은 정보들의 폭발적인 증가에 의해, 정보의 처리, 가공, 유통이 사회 및 경제의 중심이 되는 정보화 시대에 접어들었다. 정보화 사회 안에서 우리는 온라인 또는 이동 중에도 우리가 원하는 정보들에 쉽게 접근할 수 있다. 이러한 정보화 사회로의 진입은 정보의 저장 및 처리를 가능하게 하는 반도체를 중심으로 한 다양한 전자 소자의 발전에 기반을 두고 있으며, 최근 들어 더욱 가속화되고 있는 첨단정보화의 물결은 고용량, 초고속, 다기능 등 기존 전자 소자의 기능을 뛰어넘는 새로운 소자의 출현을 요구하고 있다. 특히 최근의 친환경, 녹색 에너지에 대한 시대적 요구는 저전력의 전자 소자 개발을 필요로 한다.
그러나 기존의 실리콘 기반의 전자 소자는 향후 물리적, 기술적 장벽에 부딪혀 이러한 새로운 요구에 부응하기 어려울 것으로 예상된다. 이에 기존의 실리콘 기반의 전자 소자의 한계를 극복하고자 새로운 재료의 개발을 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 탄소 기반 소재와 함께 차세대 전자소재로 각광받고 있는 것이 산화물 전자소재이다.
금속 산화물들은 유사한 결정 구조를 갖는 경우에도 도체, 반도체, 부도체, 초전도체, 압전체, (강)유전체, (강)자성체, 자기저항성, 비선형 광학성질 등 매우 다양한 특성을 가지고 있다. 이러한 다양한 특성은 여러 매개변수 (격자, 전하, 스핀, 오비탈)와 전자상 (고체, 액체 기체, 초유체 (그림 1))에 의해 구현되며, 소재 내 매개 변수들의 제어, 혼합 및 화합 공정 혹은 이종 물질 간의 접합에서의 계면 제어 등을 통해 원하는 특성을 갖는 새로운 재료의 설계가 용이하다. 뿐만 아니라 금속 산화물은 고온 및 대기 중에서 외부 환경에 의한 변화에 저항이 높아 환경의 제약 없이 다양한 환경에서 활용이 가능해 많은 관심을 끌고 있다.
금속 산화물 전자재료는 반도체 전자 소자의 기능을 보완한다는 측면에서, 박막형 소재에 대한 연구 및 응용에 주로 초점이 맞추어져 있다. 산화물 박막 전자재료는 다양한 분야에서 연구되고 있으며, 특히 메모리 소자 및 로직 소자, 디스플레이 소자 등에서 활발한 연구가 진행되고 있으며 괄목할 만한 성과를 거두고 있다. 본고에서는 산화물 박막 전자재료의 다양한 활용 분야에서 메모리 및 로직 소자 등 반도체 소자와 디스플레이 소자에 초점을 맞추어 개발 현황 및 시장 동향 등에 대해 살펴보기로 한다.

2. 본론

2.1. 반도체 소자 및 디스플레이 소자에서의 산화물 박막 전자 소재 활용

반도체 분야에서 가장 중요한 전자 요소 소자를 꼽는다면 바로 트랜지스터일 것이다. 트랜지스터는 전류의 흐름을 제어하는 스위치 역할을 하는 요소 소자로, 바이폴라 트랜지스터 등등 다양한 트랜지스터가 있으나, 반도체 소자 내에서는 전계 효과 트랜지스터 (field effect transistor: FET)가 가장 많이 활용되고 있다. 특히 컴퓨터의 중앙처리장치 (central processing unit, CPU) 및 DRAM 및 플래쉬 메모리 등등 다양한 메모리 소자의 주요 성분으로 이용되고 있다. 그림 2는 전계 효과 트랜지스터 (field effect transistor: FET)의 단면을 보여준다. 전계 효과 트랜지스터는 실리콘 등 반도체 기판과 전극 사이에 절연체가 삽입된 구조로 전압이 가해지지 않는 상태에서는 소스와 드레인 사이에 전류가 흐르지 않으나, 전극에 전압이 가해지면 절연층에 의해 절연체와 실리콘 계면에 반전층 (inversion layer)이 형성되어 소스와 드레인 사이에 전류가 잘 흐르게 되어 게이트에 걸리는 전압에 의해 소스와 드레인 사이의 전류를 제어할 수 있다.
반도체 소자 집적도의 가속화에 따라 트랜지스터의 크기는 지속적으로 감소하고 있으며, 충분한 전류의 확보를 위해서는 절연체 박막의 두께도 얇아져야만 한다. 게이트 전극을 절연시키는 부도체로서 실리카 (silica, SiO2) 및 SiOxNy가 널리 사용되어 왔으며, 현재의 트랜지스터에서 요구되는 실리카 박막의 두께는 약 1 nm 정도로 매우 얇다. 그러나 이와 같이 몇 개의 원자층으로 이루어진 박막에서는 터널링 현상 등에 의한 높은 누설전류로 더 이상 절연체로서의 역할을 하지 못하게 되어 신뢰성 있는 전계효과 트랜지스터의 특성을 확보하는 것은 거의 불가능하다.
만약 실리카보다 높은 유전율을 가진 절연체 박막을 활용할 수 있다면, 박막의 물리적 두께를 증가시킴으로써 등가산화막두께를 낮춤과 동시에 누설전류를 억제할 수 있어 전계 효과 트랜지스터의 집적화를 증가시킬 수 있다. 이에 따라 고유전율을 가지는 Hf, Zr, Ti, Al 등등 여러 금속 산화막에 대한 연구가 활발히 진행되었으며, 특히 PC의 중앙처리장치에 하프늄계 금속 산화물이 현재 절연체로서 사용되고 있다.
메모리 소자 중 플래쉬와 함께 가장 많이 이용되고 있는 DRAM의 경우, 그림 4에서 볼 수 있는 바와 같이 셀 하나가 하나의 트랜지스터와 하나의 커패시터로 구성된다. DRAM 셀 내의 트랜지스터는 DRAM 셀 어레이에서 특정 셀을 읽거나 쓸 수 있도록 선택하는 역할을 하며 커패시터는 전하를 저장하여 ‘0’과 ‘1’의 데이터를 기록하는 역할을 한다. DRAM 소자의 고집적화, 고성능화를 위해서는 트랜지스터 및 커패시터 요소 기술 모두 중요하나, 속도 보다는 고용량이 더욱 중요한 DRAM 소자에서는 데이터를 저장하는 커패시터 요소 기술 개발이 특히 중요하다. DRAM 소자의 고집적화가 가속화될수록 셀 하나에 할당되는 면적은 감소하는데 반해, DRAM 셀 동작을 위해서는 셀의 크기 및 집적도에 관계없이 25fF/cell 이상의 정전용량이 요구된다. 정전용량은 커패시터 전극의 유효표면적에 비례하지만, 소자의 집적화에 따라 커패시터가 차지하는 단면적은 급속히 감소하므로 필요한 정전용량의 확보가 매우 어려워진다. 절연체 박막의 두께 감소는 정전용량의 증가를 꾀할 수 있으나, 현재의 DRAM 셀에서 요구되는 실리카의 두께는 0.5 nm 이하로 트랜지스터의 그것보다 더욱 얇으며 누설전류 또한 동작전압에서 10-7A/cm2 이하의 매우 낮은 수준을 유지해야 하기 때문에 높은 유전율의 절연체의 사용이 필수적이다.
100 nm 급 이상의 소자에서는 절연체로서 실리카 및 SiOx Ny가 이용되어 왔으나, 100 nm 급 이하의 소자를 위해서는 누설전류 및 정전용량 확보 문제로 높은 유전율을 갖는 금속 산화물에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그림 5는 DRAM 소자의 집적화에 따라 요구되는 등가산화막두께 및 금속 산화물 유전체의 변화 추세를 보여준다. 소자의 크기가 50 nm 급 이상으로 비교적 큰 경우에는 상대적으로 낮은 유전율을 갖는 HfO2와 Al2O3의 복합막이 주로 이용되었으며, 현재는 ZrO2/Al2O3/ZrO2 복합막 구조의 유전체가 절연막으로 사용되고 있다. 향후 20 nm 급 이하의 소자에서는 더욱 높은 유전율을 갖는 TiO2 계열의 산화막 또는 100 이상의 유전율을 갖는 perovskite 계열의 SrTiO3 등이 사용될 것으로 예상된다.
메모리 등 반도체 소자 이외에도 산화물을 실제 소자에 적용하려는 시도가 활발한 분야가 바로 디스플레이 소자이다. 디스플레이 소자에서는 전기적 특성 이외에도 광학적 특성이 중요하며, 빛을 쉽게 투과하는 금속 산화물이 주목받고 있다. 특히 차세대 전자 디바이스인 태양전지, 3D 디스플레이 및 UD(Ultra Definition) 급의 디스플레이가 각광 받으면서, 높은 이동도 가지면서 공정 온도가 낮은 새로운 산화물 전자소재의 개발과 유연 기판을 이용한 flexible display 개발이 큰 관심을 받고 있다. 이를 위해 전극 역할을 하는 전도성 투명 산화물 및 트랜지스터의 채널 역할을 하는 투명 산화물 반도체 등이 특히 활발히 연구되고 있다.
투명 전도성 산화물은 가시광 영역 (400 nm ~ 700 nm)의 빛을 80 % 이상 투과하면서 동시에 ~10-4Ωcm의 높은 전기전도성을 가지는 물질로 주로 LCD, PDP, OLED 등등의 평판디스플레이 이외에도 투명 전자파차폐막, 투명 정전기 방지막, 투명발열체, 도전성 유리, 가스센서, 통신기기용 평면안테나, 열반사코팅막, 태양전지 등의 전극 물질로 널리 이용되고 있다. 투명전극 물질로는 ZnO 및 In2O3 등 약 3 eV 정도의 밴드갭을 갖는 물질에 전도성을 증가시키기 위해 다른 물질을 도핑한 물질들이 주로 연구되고 있으며, 이중 ITO (Indium-Tin Oxide)가 전도성이 우수하면서도 광학성 특성 또한 우수하여 가장 많이 활용되고 있다. 그러나, 인듐 자원의 고갈과 이로 인한 원자재 가격 상승으로 ITO의 대체 투명 전도 물질 개발이 요구되고 있다.
flexible display의 구현을 위해서는 전기적 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라 100도 이상의 저온 공정이 가능한 backplane 기술이 필수적이다. backplane 물질로는 비정질 실리콘 및 유기물 반도체 재료 등이 연구되고 있으나, 낮은 이동도 및 동작의 불안정성 등 재료가 가지는 근본적인 한계 때문에 아직 적용이 어려운 실정이다. 최근 이러한 문제를 극복하고자 산화물 반도체에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 산화물 반도체로 주로 연구되는 물질은 ZnO, InO, GaO, SnO 등이며, 이들의 화합물도 많이 연구되고 있다. 이러한 산화물 반도체는 비정질 실리콘이나 유기물 반도체에 비해 전자 이동도가 높을 뿐만 아니라 동작 신뢰성 또한 매우 우수하다. 상온에서 스퍼터링 방법으로 제작한 산화물 반도체 박막 트랜지스터도 추가의 열처리 없이 만족할 만한 높은 전자 이동도 (~10 cm2/Vs)를 확보할 수 있다. 특히, In-Ga-Zn-O 산화물은 비정질 상태에서도 50 이상의 높은 전자 이동도를 보이며, 비정질 특성 덕분에 다결정 Si에서 관찰되는 문턱전압의 불균일성 문제를 근본적으로 배제할 수 있어 대면적 균일성을 확보가 가능해 주목받고 있다. 그러나, 여전히 전기적, 광학적, 기계적 환경에 영향에 의한 동작 신뢰성을 확보해야 한다는 측면 및 가격 경쟁력 측면에서 산화물 반도체에 대한 연구가 계속 진행되고 있다.

2.2. 시장 현황 및 전망
중앙처리장치 등 로직 소자 및 메모리 소자를 포괄하는 반도체 시장은 향후 꾸준히 증가할 것으로 예측된다. 특히 스마트폰 및 태블릿 PC 등의 급속한 시장 확대는 PC 시장에 국한되어 있던 반도체 시장을 더욱 확대시키고 있다. 그림 7의 연도별 메모리 시장 규모 추이를 보게 되면 2012년 이후 DRAM 시장이 400억 달러 이상으로 성장할 것으로 예상된다.
산화물 반도체 트랜지스터 및 투명 산화물 전극 소자를 이용한 디스플레이 시장은 모바일 기기의 발달 및 3DTV의 발전 등으로 인해 향후 10-20 년간 크게 확대될 것으로 예측된다. 그림 8의 유비리서치에 따르면 자동차나 스마트폰 등에 사용되는 소형 투명 디스플레이의 경우 2013년부터 크게 상승하여 2015년에 18억 달러, 2020년에 90억 달러 정도로 시장이 성장할 것으로 예상되고 있다. 또한 대형 텔레비전, 전광판 등에 사용될 대면적 투명 디스플레이 시장도 2015년에 약 10억 달러, 2020년에 약 220억 달러로 급격히 성장할 것으로 예상된다.

2.3. 국내외 기술개발 현황

-------------이하생략(자세한 내용은 세라믹코리아 2013년 1월호를 참조바랍니다.)

4. 참고문헌

[1] H. Takagi and H. Y. Hwang, Science, 327, 1601 (2010)
[2] International Technology Roadmap for Semicon-ductors 2009, www.itrs.net
[3] J. A. Mandelman et al., IBM J. Res. Dev., 46, 187 (2002)
[4] World Semiconductor Trade Statistics, www.wsts.org
[5] 유비산업리서치 2010년

김 성 근
- 2001년 서울대학교 재료공학 학사
- 2007년 서울대학교 재료공학 박사
- 2007년~2009년 독일 Juelich Research Center, Postdoctoral
   Fellow
- 2010년~2012년 Argonne National Laboratory, Postdoctoral
   Fellow
- 2012년~현재 한국과학기술연구원 선임연구원

백 승 협
- 2004년 서울대학교, 재료공학부 학사
- 2007년 University of Wisconsin-Madison, 재료공학부 석사
- 2010년 University of Wisconsin-Madison, 재료공학부 박사
- 2010년~2011년 University of Wisconsin-Madison, Post-doc.
- 2011년~현재 한국과학기술연구원 선임연구원

김 진 상
- 1986년 서울대학교 재료공학 학사
- 1997년 서울대학교 재료공학 박사
- 1998년~999년 일본 이화학연구소 객원연구원
- 1992년~현재 한국과학기술연구원 전자재료연구센터 센터장

그림 1. 산화물 내 전자의 다양한 상(phase) [1]
그림 2. 전계 효과 트랜지스터 (Field effect transistor)의 단면
그림 3. 전계 효과 트랜지스터에서의 실리카 박막 두께의 연도별 변화 추세 [2]
그림 4 DRAM cell의 구성도 [3]
그림 5 DRAM 소자의 집적화에 따른 등가산화막두께 및 유전체 물질 변화
그림 6. Flexible display
그림 7. 연도별 DRAM/낸드플래시 시장 규모 추이 [4]
그림 8. 투명디스플레이 시장 조사 [5]