반도성 세라믹 박막 트랜지스터 공정 기술

박 진 성_ 한양대학교 신소재공학부 부교수
전 혜 지, 이 광 호, 배 재 윤_ 한양대학교 신소재공학부 석사과정

반도성 세라믹을 활용한 응용기술은 해를 거듭할수록 눈부시게 진화하고 있다. 특히 2013년에는 반도성 세라믹이 디스플레이 시장에서 처음으로 선을 보인 한 해 였다. LG전자는 올 1월에 55인치 AMOLED (유기발광다이오드, Active Matrix Organic Light Emitting Diode) TV를 시장에 출시하였고, 6월에 휘어진 AMOLED TV를 반도성 세라믹인 InGaZnO를 이용한 박막 트랜지스터 기반으로 패널을 제작하였다. 금번 양산에 적용된 비정질 InGaZnO 반도체는 2004년 일본의 호소노 그룹이 nature 논문에 보고한 이후로, 10년동안의 연구기간을 지나 디스플레이 시장에 모습을 드러낸 역동적인 세라믹 소재로 판단된다. 그림1은 비정질 산화물 반도체 재료를 활용한 디스플레이 연구 및 개발 현황에 대하여 정리한 것이다 [1].

그림 1. 지난 10년간의 산화물 반도체 (InGaZnO등)를 활용한 박막 트랜지스터 및 디스플레이 패널 기술의 연구 흐름도

그림 2. (a) 2012년 CES에서 발표된 55인치 LG 디스플레이의 AMOLED TV 패널 (b) 2013년 IFA에서 발표된 77인치 LG 디스플레이의 AMOLED TV 패널

그림2와 같이 LG 디스플레이의 AMOLED TV 양산은 과거에 삼성 디스플레이, 대만의 AUO, 일본의 Sharp와 Sony등에서 산화물 반도체 기반의 박막 트랜지스터 연구 개발을 집중적으로 진행해왔었으며, 그 기간 동안 박막 트랜지스터로 적용하기 위하여 많은 시행착오를 겪어오면서, 마침내 그 결과의 첫발을 양산 TV로 내 딛을 수 있었던 것은 큰 의미가 있다고 할 수 있다. 과거에 Sharp가 비정질 InGaZnO를 기반으로 한 박막트랜지스터를 활용하여 Apple사의 i-pad2에 적용한 LCD 패널이 세계 최초 양산에 기여한 기술이였다. 이후 양산 패널 공급이 중단되고 산화물 반도체 기반의 양산 방향과 가능성에 대하여 회의적이였지만, LG 디스플레이의 OLED TV 양산은 짧은 역사를 가진 산화물 반도체에서는 획기적인 전환점으로 판단될 수 있다.

현재 디스플레이 분야에 널리 사용되고 있는 비정질 실리콘 (amorphous silicon, a-Si)은 우수한 균일성과 낮은 제조 비용으로 인하여 산업의 전반을 이끌어 나가고 있다. 하지만, 낮은 이동도와 전기광학 스트레스에 대한 소자의 신뢰성이 낮은 단점으로 인하여 OLED적용에는 매우 회의적이였다. 그 이후 우수한 이동도와 신뢰성을 갖는 저온 다결정 실리콘 (low temperature poly-silicon, LTPS)은 OLED 패널 및 고품위 LCD 적용에 높은 가치를 부여 받았다. 다만, 레이저를 이용한 결정화 기술과 이온도핑 및 열처리 공정 그리고 대면적 장비 개발 및 투자비등은 양산에 어려운 요소였다. 이에 산화물 반도체는 두 반도체간의 장점을 취하고 단점을 버릴 수 있는 반도체 재료로 부상하였고, 연구를 진행하면서 기술적 이슈와 해결 방법들에 대하여 논의되고 있다. 표 1은 세 반도체 재료를 기반으로 하는 TFT 소자의 특성을 비교하였다.

표1. 박막 트랜지스터들의 반도체별 특성 비교

먼저, TFT 공정 기술을 이해하기 위해서는 소자의 구성에 대하여 이해해야 한다. TFT는 게이트 (gate) 전극, 절연막 (insulator), 반도체, 소스(source)/드레인(drain) 전극, 그리고 보호막 (passivation)등으로 구성되어 있으며, 이 중에서 특히 반도체를 형성하는 물질의 종류에 따라 a-Si TFT, LTPS TFT, Organic TFT, Oxide TFT 등으로 구분된다. 이 중, Oxide TFT 소자 구조의 경우, 게이트, 드레인 및 소스 3개의 전극을 갖는데 3개의 전극들의 위치하는 형태에 따라서 크게 스태거드(Staggered) 구조와 코플라나(Coplanar) 구조로 분류되는데, a-Si TFT에서는 역 staggered형이 주로 사용된다. 역 staggered 형에는 BCE (Back Channel Etched) 구조와 ES (Etch Stopper) 구조가 있다. (그림3)

그림 3. TFT 의 구조 (좌) 역 staggered 형 BCE 구조 (우) 역 staggered 형 ES 구조

표2. Oxide TFT 구조에 따른 특징들

표2는 각 구조의 특징에 대하여 정리하였다. Oxide TFT도 a-Si TFT와 동일한 구조를 이용하여 공정이 진행되고 있으며, a-Si 반도체를 산화물 반도체로 대체하는 구조를 갖고 있다. 특히, a-Si TFT와 달리 oxide TFT에서는, 구조에 따라 특성 변화가 나타나는 특징이 존재한다. 먼저, BCE 구조의 경우에는 Source/Drain 전극 패턴시 산화물 반도체와 에칭 용액간의 상호작용 또는 잔류물에 의하여 반도체 특성의 변화가 발생할 수 있다. ES구조의 경우에는 상기의 반도체 특성 변화를 억제할 수 있지만, mask 수가 하나 늘어나서 공정이 복잡해지는 단점을 가지고 있다. 현재, BCE 구조에 대한 연구를 가장 많이 진행하는 곳은 삼성전자가 있다. 이를 위하여 새로운 source/drain 에칭 용액과 반도체 재료 개발 등을 진행하고 있다. 한편, OLED를 구동하기 위해 Oxide TFT를 개발하고자 하는 LG 디스플레이, Sharp, AUO, BOE등 에서는 소자의 신뢰성과 균일도를 확보하기 위해서 ESL을 도입한 구조로 개발을 하고 있다.

○ Oxide TFT의 채널층 (반도체층)
2003년 산화물 반도체 기반의 TFT 응용 가능성을 소개한 이후로, 산화물 TFT의 연구개발은 산화물 반도체 신규 조성의 탐색, TFT 신규 구조 개발, Oxide 반도체 성막법, TFT의 소스/드레인 물질, 소자의 안정성과 관련된 메카니즘 연구, 회로 설계 및 그 외 Oxide TFT의 신규 응용분야에 관한 방향으로 진행되고 있다. 대표적인 이원계 산화물로는 ZnO, SnO2, In2O3, TiOx 등이 있고, 다원계 비정질 산화물로는 InZnO (IZO), IGO, IGZO, ZTO 물질 등이 주로 연구되고 있다. 많은 연구 그룹에서는 최초로 박막 트랜지스터의 반도체로 적용된 이원계 구조인 ZnO 기반의 산화물 TFT에 대한 연구가 진행되었다. 많은 연구 그룹들이 rf sputtering, ion beam sputtering, pulsed latser deposition (PLD) 등을 이용하여 ZnO TFT를 제작하였다. Masuda et al. 은 물리적 증기 증착법을 이용하여 Si기반의 기판에 Bottom-gate 구조의 ZnO 채널 레이어를 보고하였고, 이 결과는 낮은 캐리어농도 (<5×1016 cm−3) 및 1cm2/Vs의 이동도를 가진다.[2] Hoffman 연구 그룹은 이온 빔 스퍼터 방법을 이용하여 2.5cm2/Vs의 소자 특성을 지니고 있다. 이러한 전기적 특성 향상은 ZnO의 결정화 향상으로 증명되어지고 있지만 다른 application에 적용하기에는

 높은 온도에서 열처리 공정이 진행되므로 문제가 되어지고 있다. [3] 또한 Carcia 그룹에서는 고주파 마그네트론 스퍼터링 방법을 이용하여 상온에서 ZnO 박막을 성장시켰고, 이는 2cm2/Vs이상의 높은 이동도를 가지는 결과를 보고한 바가 있다.[4] 하지만 ZnO 박막은 증착과정에서 결정화가 쉽게 발생하여 대면적에 적합한 비정질 상을 얻기가 쉽지않고, 결정입계의 존재로 소자의 이동도 등의 균일도가 일정하지 않은 문제가 발생할 수 있는 단점이 있다. 또한 SnO2, In2O3, TiOx와 같은 이원계 구조도 많은 연구가 진행되었지만, 이 또한 여러가지 문제로 상용화하기에는 어려움을 가지고 있다.

비정질 산화물 반도체의 가장 대표적 조성은 IGZO이며 이는 In, Ga, Zn 의 조성의 변화에 따라서 특성도 모두 다르게 나타나므로 다양한 조성의 IGZO TFT가 보고되고 있다. Nomura et al. 은 2003년 80cm2/Vs의 높은 이동도를 가지는 단결정 InGaO3(ZnO)5 TFT를 제작하였다.[5] 기존에 보고되었던 ZnO TFT와는 달리 소자의 구조는 coplanar-top gate로 구성되었다. 120nm 두께의 InGaO3(ZnO)5 를 epitaxial 성장을 시키기 위해서 yttria-stabilized zirconia 기판을 사용하였고, 700OC 에서 PLD를 이용하여 성장시키고 1400OC의 높은 온도에서 열처리를 하여 형성 시켰다.

또한, Nomura et al.은 2004년 flexible 기판에 상온 공정을 이용하여 IGZO TFT를 제작하였는데, 이는 비정질의 다성분계 금속 산화물 물질을 이용한 최초의 연구 결과이다. 채널층 30nm두께를 갖는 비정질 IGZO를 상온에서 PLD를 이용하여 200㎛ 두께의 PET 기판위에 형성하였다. 이는, 6-9cm2/Vs의 이동도를 가지고, 굽힘 테스트에서도 안정적인 모습을 보여주었다. 비정질 물질은 낮은 온도에서 형성이 가능하고 매우 균일한 표면을 가지고, grain boundary가 없기 때문에 실제 생산에 있어서 큰 장점을 갖지만, 일반적인 전기적 특성이 결정질 물질에 비해서 떨어진다는 단점을 갖는다. Hosono 교수 그룹은 a-IGZO 와 같은 비정질 산화물 반도체는 공유결합으로 이루어진 실리콘과 같은 일반적인 반도체 물질과는 달리 sp3 결합이 아닌 post-transition metal cation의 큰 ns 오비탈 끼리의 중첩에 의해 전도가 일어나 비정질 박막임에도 불구하고 10cm2/Vs 이상의 높은 이동도를 가질수 있다고 제안하였다.

따라서 이러한 결합 방식의 차이가 비정질 산화물 반도체가 비정질 실리콘의 이동도에 비해 상당히 높은 이동도를 갖게 한다고 설명하였다. InGaZnO 반도체 재료는 In2O3는 이동도 향상, ZnO는 네트워크 형성제, Ga2O3는 전하억제 및 안정제로 역할을 하기 때문에 가장 우수한 신뢰성을 갖는 산화물 반도체 재료중에 하나이고, 우수한 이동도의 특성을 가지고 TFT 특성 최적화도 비교적 용이하여 삼성전자와 LG디스플레이 등 대기업에서 연구 및 개발이 진행되어 왔다. 하지만 이러한 장점에도 불구하고 In 과 Ga 원자들은 가격이 높기 때문에 최근에는 In, Ga을 포함하지 않은 새로운 채널 재료 탐색에 관심이 쏠리고 있다.

더 자세한 내용은 세라믹코리아 2013.11월호 참조

박 진 성
1997년
KAIST 재료공학과 공학사
1999년
KAIST 재료공학과 공학석사
2002년
KAIST 재료공학과 공학박사
2003년~2005년
Harvard 대학, Post Doctor
2005년~2008년
삼성 SDI, 중앙연구소, 책임연구원
2008년~2009년
삼성 모바일디스플레이, 기술센터, 책임연구원
2009년~2013년
단국대학교 신소재공학과 조교수
2013년~현재
한양대학교 신소재공학부 부교수
2010년~현재
한국정보디스플레이 학회 기획이사

전 혜 지
2013년
단국대학교 신소재공학과 공학사
2013년~현재
한양대학교 신소재공학부 석사과정

이 광 호
2013년
단국대학교 신소재공학과 공학사
2013년~현재
한양대학교 신소재공학부 석사과정

배 재 윤
2013년
단국대학교 응용물리학과 공학사
2013년~현재
한양대학교 신소재공학부 석사과정