Special 핵심전략소재 자립을 위한 소재산업 생태계 조성 및 기술 개발 동향(2)

반도체 공정용 기능성 세라믹 소재

황치선_한국전자통신연구원 실감디스플레이연구실 책임연구원

1. 반도체 공정용 기능성 세라믹 소재 개요

세라믹은 금속, 고분자 재료와 함께 3대 재료를 구성하고 있으며, 일반적인 의미에서는 “높은 온도에서 처리된 무기질의 비금속 재료"로 정의된다. 이러한 세라믹 재료는 금속에 비하면 가볍고 단단한 특성이 있으며, 일반적으로 산에 대한 내식성 또한 높은 편이다. 그리고 고온에서도 우수한 특성을 유지한다. 이러한 여러가지 특성때문에 전자, 정보통신, 자동차, 우주항공, 원자력등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 특히, 반도체 분야에서도 이러한 세라믹 재료들이 많이 사용되고 있는데, 특히 높은 수준의 기능성을 보유한 세라믹 소재들을 사용하고 있다.
  이중에서도 파인 세라믹은 전통적인 요업 재료와 구분되어 정제된 원료를 목적에 맞도록 제어, 합성하여 성형, 가공한 무기질 재료이다. 여러가지 신소재중 파인 세라믹는 IT 산업의 급격한 발전에 따라 높은 수요 증가를 보이고 있다. 파인세라믹는 전기 자기 광학적 특성을 이용하는 전자 세라믹, 기계, 구조적 특성을 이용하는 구조 세라믹, 생체기능을 이용하는 바이오 세라믹로 구분이 된다.
  여기에서 살펴보고자 하는 반도체 공정용 기능성 세라믹 소재의 경우 반도체 소자로 사용되는 세라믹들은 전자세라믹에 포함되고, 반도체 공정용 부품으로 사용되는 세라믹들은 구조 세라믹에 포함된다.

2. 반도체 소자용 세라믹 박막

일반적인 세라믹 제품은 매우 작은 입자로 만들어 성형한 후 고온에서 소성하고 이후 가공하는 과정을 통하여 만들어지지만, 반도체 소자내에 사용되는 세라믹 박막의 경우에는 매우 얇은 박막 형태로 사용되기 때문에 이러한 과정을 거칠 수 없고, 대부분은 진공 장비내에서 PVD 혹은 CVD와 같은 기상 증착 공정을 사용하여 제조된다.
  반도체에 사용되는 세라믹 박막은 전기적 특성에 의하여 분류할 수 있는데, 전도 특성이 매우 낮은 유전 세라믹부터 반도체 정도의 전도 특성을 보이는 반도성 세라믹, 금속보다는 전도도가 낮지만 높은 전도도를 보이는 전도성 세라믹, 그리고 자성 특성을 주로 이용하는 자성 세라믹으로 분류할 수 있다.

2.1 강유전 세라믹 박막

강유전체 물질은 RF 디바이스와 비휘발성 메모리에 사용되고 있다. 이외에도 여러 센서와 액츄에이어터, 마이크로파 회로에도 사용되고 있다.
  비휘발성 메모리로 초기부터 많은 연구가 진행된 것은 강유전체 소재였다. FRAM(Ferroelectric Random Access Memory)라는 이름으로 많은 연구가 진행되었고, 주로 PZT 소재가 사용되었다. 그러나 반복 특성에서 PZT 소재가 보이는 피로 특성으로 기인한 안정성 문제를 해결하지 못하고 상용화에 이르지 못하고 터널링 현상을 이용하여 전하를 저장하고 소거하는 플래시 메모리가 비 휘발성 메모리에서 주를 이루고 있다. 그러나 플래시 메모리는 메모리에 저장하고 읽는 속도가 느리고 집적도를 높이기에 복잡한 구조를 가지고 있어 다른 대안을 찾는 연구가 계속되고 있다. 플래시 메모리쪽에서는 V-NAND(Vertical NAND)와 같은 혁신적인 구조를 도입하고 다치 레벨을 도입하는 등 빠른 개선이 이루어지고 있다.
  최근 산화하프늄 계열의 강유전체 절연막이 메모리 소자에 유리한 특성을 보인다는 점이 알려지면서 많은 연구가 집중되고 있다. 적절한 상하부 메탈 전극과 열처리, 그리고 도핑을 통한 성능 개선등에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2020년 6월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>