Special 디지털 뉴딜과 광전자 세라믹 소재(1)

디스플레이 및 반도체 응용 가능한 원자층 증착법 산화물 반도체 연구 동향

정현준_한양대학교 신소재공학부 박사후연구원
박진성_한양대학교 신소재공학부 교수

1. 서론

현재 디스플레이 시장은 프리미엄 디스플레이로써 organic light emitting diode(OLED) 디스플레이를 넘어 사용자에게 다양한 경험을 제공해 줄 수 있는 증강현실(augmented reality, AR), 가상현실(virtual reality, VR) 디스플레이 및 플렉서블/스트레쳐블 디스플레이 개발에 집중하고 있다. 이를 위해서는 고주사율(> 120 Hz) 및 고이동도의(≥ 50 cm2/Vs) back-plane이 필요한 상황이다.
  또한, 메모리 반도체 시장은 저장 용량의 극대화를 위하여 기존 소자의 크기를 줄이는 (scaling down) 공정을 진행하고 있다. 여기에 기존의 2-D 구조를 벗어나 128단1), 176단2) 등 3-D 적층 구조(vertical NAND flash memory, 3-D NAND)의 메모리 반도체 소자 개발이 진행되고 있다(그림 1 (a) 및 (b)). 하지만, scaling down 및 3-D 적층 수 증가로 인하여 늘어나는 트랜지스터 개수로 인한 소비 전력 증가, 전류 감소 및 동작 속도 감소는 해결해야 할 이슈로 남아있다. 또한, 적층 수가 증가할수록 층간 비틀림 및 그로 인한 불량 셀 분포 열화 역시 문제로 남아있다2).

그림 . (a) 128단, (b) 176단 NAND 플래시 메모리 소자 (출처: SK Hynix). (c) 산화물 반도체가 적용된 55inch OLED TV (출처 : LG디스플레이)

   
  산화물 반도체는 2004년 Hosono group에서 비정질 Indium-Gallium-Zinc oxide(InGaZnO) 산화물 반도체 박막 트랜지스터(thin film transistor, TFT)를 발표하여 산화물 반도체 TFT의 가능성을 언급한 이후3) 불과 10년 만에 LG 디스플레이에서 2013년에 양산형 55인치 OLED TV 백플레인 TFT에 산화물 반도체가 적용될 만큼(그림 1 (c))4) 다양한 연구 그룹에서 연구 개발을 진행하였다. 또한, 메모리 반도체에 적용하기 위한 scaling down이 진행된 산화물 반도체에 대한 연구 역시 활발히 진행되고 있다5-7).
  산화물 반도체는 minority carrier가 거의 없어서 TFT off current가 타 반도체 TFT 대비 현저히 낮다는 장점이 있고 이에 따라 소비 전력을 감소시킬 수 있다. 또한, 결정질 실리콘(polycrystalline silicon, LTPS)의 경우 국소적인 결정화로 인한 대면적 균일도 감소 및 높은 공정온도(≥ 600℃)의 이슈가 있으나, 산화물 반도체는 금속의 ns orbital이 구형이기 때문에 비정질 상태에서도 전기적 특성을 거의 잃지 않아1) 대면적 균일도가 확보되며, 공정온도 역시

그림 . 디스플레이 백플레인에 사용중인 반도체 특징 및 산화물 반도체 장점

 상대적으로 낮아(≤ 350℃) 유연 기판의 자유도가 증가하게 된다(그림 2).
  기존 양산에 적용 중인 산화물 반도체 박막은 주로 물리 기상 증착법(physical vapor deposition, PVD) 방식으로 증착된다. Sputter 방식으로 제작한 InGaZnO TFT의 전계 이동도는 target 조성을 제어함에 따라 30 cm2/Vs까지 향상이 가능하다. 하지만, 이동도/문턱전압(threshold voltage, Vth) 및 신뢰성 간의 trade-off 경향이 발생하기 때문에 target 조성 제어를 통한 이동도 특성의 극적인 개선은 불가하다는 단점이 보고되었다8-10). 또한, 갈수록 TFT의 dimension이 줄어듦에 따라 3차원의 복잡한 구조(trench 구조 등) 위에 균일한 증착이 어렵다는 (step-coverage 특성 저하) 단점 역시 존재한다.
  원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD)은 표면 화학반응을 이용하여 박막을 증착함. 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD)과는 달리 열분해를 이용하지 않고, 두 가지 이상의 전구체를 시/공간 분할로 주입하여 산화물 박막을 원자층 단위로 증착할 수 있다. 특히, 전구체가 일정량 이상 dose 되더라도 증착 표면에 흡착이 일정 수준 이상 일어나지 않아 증착 속도를 제한할 수 있는 특징이 있다(자기제어반응, self-limited reaction). 따라서 ALD는 전구체 주입 시간 및 횟수에 따라 원자 수준의 두께를 정확히 조절이 가능하며, 기판 표면 및 전구체 간의 화학 흡착으로 박막 성장이 진행되므로 3차원 구조 및 대면적에서의 균일한 성막 및 재현이 가능하다는 장점이 있다. 또한, ALD supercycle을 조절함에 따라 산화물 박막의 조성을 제어할 수 있다는 장점도 있다(그림 3).
  본 특집에서는 ALD로 증착한 다성분계 산화물 반도체의 연구 동향, 타 증착공정 대비 ALD만이 할 수 있는 다양한 공정(nanolaminate thin film, composition gradient 등)을 이용한 산화물 반도체/TFT 특성 보고 및 ALD 산화물 반도체 이슈 등에 대해 다뤄보도록 하겠다.

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2021년 1월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>