반도체 MOS 트랜지스터의 게이트 산화물 전자소재

김 성 근_ 한국과학기술연구원 전자재료연구센터 선임연구원
김 진 상_ 한국과학기술연구원 전자재료연구센터 센터장

1. 서 론

20세기 인류의 삶을 혁명적으로 변화시킨 발명으로는 항공기, 원자력, 인공위성, 인터넷 등을 들 수 있다. 이 위대한 발명들은 전자를 흐르게 하거나 차단 또는 저장하는 기본적인 논리소자로 구현되는 컴퓨팅기술이 없으면 불가능하다. 지난 수십 년 간의 현대 컴퓨팅 기술의 급속한 발전은 현대 사회의 많은 부분에 큰 영향을 끼치며 정보화, 통신화를 가속하고 있다. 특히 많은 양의 정보를 저장할 수 있는 메모리 기술 및 정보를 처리할 수 있는 로직 소자의 발전은 과거에는 상상조차 하기 어려운 다양한 문자, 음성 및 영상 등의 정보를 복합적/일체적으로 처리가 가능하게 하고 있으며, 나아가 이를 양방향에서 대화형으로 교환이 가능한 시스템을 구축하기에 이르렀다. 이러한 급격한 현대 사회의 정보통신화는 더욱 더 많은 정보를 더욱 빠르게 처리할 수 있는 반도체 소자의 개발을 요구하고 있다. 이러한 요구에 부응하는 고성능 메모리 및 로직 반도체 소자의 발전은 소자의 집적화를 중심으로 추진되어왔다.
반도체 소자의 집적화는 잘 알려진 무어의 법칙(moore’s law)1)에 따라 지난 수십 년 동안 획기적으로 진행되어 왔다. 현재 반도체 소자의 디자인룰은 약 20nm에 이르러 추가적인 미세화는 소재 및 공정 상에 새로운 문제점을 야기하고 있다. 즉, 소자의 크기를 단순히 감소시키는 것이 아니라 새로운 소재 및 공정 개발이 필수적으로 요구되고 있는 상황에 이르렀다.

그림 1. 산화물 전자소재의 응용분야

20세기 후반부터 21세기에 들어 세라믹 전자소재가 전자산업에 미치는 영향은 지대하다고 할 수 있다. 산화물 세라믹소재는 그림 1에서 보는 바와 같이 전자산업에서 그 응용 가능성이 매우 다양하다고 할 수 있다. 압전효과를 보이는 세라믹을 사용한 초음파모터, 의료용 이미징 시스템, 자기메모리(Magnetoresistive random-access memory), 강유전체 메모리(Ferroelectric random-access memory), 초고감도 자기센서(SQUID: supercon-ducting quantum interference device), 광도파로, 반도체적 성질을 이용한 발광소자에 이르기까지 세라믹에 대한 광범위한 연구가 활발히 이루어지고 있다. ITO(indium tin oxide)로 대표되는 산화물 투명전극(TCO, transparent conductive oxide)은 태양전지, 휴대기기, 디스플레이 분야에서 이미 큰 산업적인 기반을 차지하고 있다. 또한 산화물 반도체를 기반으로 한 박막 트랜지스터(oxide thin-film transistor, oxide-TFT)가 우수한 특성을 보여주기 시작하면서, 기존에 실리콘 기반의 소자의 대체 가능성이 대두되었고, 실제로 TFT-LCD, AMOLED, 및 응용 Display에서는 산업적으로 큰 관심을 받고 있으며, 일부에서는 양산 적용이 시작되고 있다. 공유결합을 하는 실리콘과는 달리 이온결합을 하는 금속산화물의 경우 비정질 상태에서도 전자의 이동도가 크게 감소하지 않는다는 특성을 가짐을 일본의 과학자 호소노 등이 제시한 바 있다. 이러한 특성은 산화물의 반도체로서의 응용 분야를 획기적으로 확장하는 역할을 하고 있다.

그림 2. nmOS 트랜지스터 구조 및 동작원리

세라믹 소재가 실리콘 반도체 소자에 응용되는 또 다른 분야는 게이트 산화물 분야이다. 메모리 및 로직 소자에서 가장 기본이 되는 요소는 전계 효과를 이용하는 MOS 트랜지스터(metal-oxide-semiconductor transistor)이다. 이는 게이트와 반도체 사이의 전압을 조절하여 산화물로 분리된 반도체 내 소스와 드레인 사이의 전류 흐름을 통과시키거나 차단한다. 이러한 MOS 트랜지스터 또한 미세화가 진행됨에 따라 공정 상의 많은 문제에 부딪히고 있으며, 이를 해결하기 위한 방법으로 고유전 게이트 절연막 연구가 주목 받고 있다. 본고에서는 MOS 트랜지스터의 원리에 대해 살펴보고, 게이트 절연막으로 기존의 SiO2 절연막이 아닌 세라믹 고유전 물질이 필요한 이유 및 고유전 물질을 사용함으로써 야기되는 여러 가지 문제, 연구되고 있는 세라믹 고유전 물질 등에 대해 살펴보기로 한다.

2. MOS 트랜지스터 원리

그림 2는 nmOS(n-type MOS) 트랜지스터의 기본 구조 및 동작원리를 보여준다. 반도체인 실리콘과 전극인 게이트 사이에 게이트 절연막이 위치하며 반도체와 게이트를 분리시키는 역할을 한다. 또한 p-형 기판과는 반대로 높게 도핑된 n+형의 영역을 게이트 양 옆에 두고 이를 소스와 드레인으로 이용한다. 이 때 n+ 영역인 소스와 드레인은 p-로 분리되어 있어 그림 2의 왼쪽 아래 그림처럼 보통은 ‘off’ 상태로 전류가 흐르지 않으나, 게이트에 전압을 가함에 따라 그림 2의 오른쪽 아래 그림처럼 가운데의 p- 영역에 전자의 연결 통로를 형성하여 전류의 흐름이 가능해진다. 즉, MOS 트랜지스터는 게이트에 전압을 가해 전류의 흐름을 조절하는 ‘스위치’의 역할을 한다. PMOS(p-type MOS) 의 경우는 n-형 실리콘 기판에 소스 및 드레인은 p+인 구조로 nmOS와 동일한 원리로 동작하며 로직 소자 등에서 nmOS와 함께 CMOS(Complementary metal–oxide–semiconductor)를 구성한다.
이러한 전하의 이동을 제어하는 트랜지스터의 개념은 1928년 Julius Edgar Lilienfeld에 의해 처음 도입되었다. 이 개념으로 최초의 MOS 트랜지스터를 실제 제작하기까지는 30년 이상이 흘렀으며, 1960년 미국 벨연구소에서 이루어졌다.
최초 MOS 개발자는 자랑스럽게도 대한민국 출생의 고 강대원 박사와 Atalla 이다. 고 강 박사가 최초로 개발에 성공한 MOSFET 반도체는 1947년 Shockley 등이 개발한 세계 최초의 반도체 트랜지스터인 BJT(Bipolar Junction Transistor)를 고집적화하고, 대량 양산할 수 있도록 새로운 방법으로 제조한 것으로 오늘날 인텔의 CPU나 삼성전자나 하이닉스가 생산하는 D램과 낸드플래시 칩의 기초가 되는 것이다.

그림 3. 고 강대원 박사 및 최초 개발한 MOSFET(Field Effect Transistor) 모습

이 발명은 현재 반도체 산업이 연 2000~3000억달러(220조~330조원) 규모의 시장으로 성장하는데 토대가 되었으며, 이러한 공로로 고 강 박사는 2012년 미국 상무부 산하 특허청의 발명가 명예의 전당(http://www.invent.org/)에 헌액되어 에디슨 등과 함께 어깨를 나란히 하고 있다. 이 발명의 근간은 실리콘 위에 형성된 절연 산화막 SiO2이 매우 치밀하며 실리콘과 SiO2의 계면이 전기적으로 매우 안정적이어서, 게이트 전압에 의해 다른 어느 물질보다도 스위칭이 용이하다는 것이다.
MOS 트랜지스터 구조에서는 게이트 절연막의 역할이 매우 중요하다. 트랜지스터 동작을 위해 게이트에 전압을 가하게 되면 반도체 표면에 그 전압의 일부가 걸리게 되나, 게이트 절연막에서도 전압 강하라는 손실 성분이 발생하게 되어 비효율적으로 보일 수 있다. 그러나 이 게이트 절연막 역할의 핵심은 ‘게이트 전극과 반도체 사이의 전류의 흐름을 차단’하면서 동시에 ‘스위치’ 역할을 수행할 수 있게 한다는 점이다.
금속과 반도체를 직접 접합하는 Schottky contact을 이용한 MESFET(metal-semiconductor field effect transistor) 경우도 스위치의 역할이 가능하나, MESFET에서는 역방향 전압 하에서도 무시할 수 없는 크기의 전류가 흐르기 때문에 전류의 손실이 발생한다. 이러한 누설전류는 집적화에는 치명적 결점이라 할 수 있다.
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더 자세한 내용은 세라믹 코리아 12월호 참조