산화물 반도체 기술의 발전 과정에서 IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide)는 중요한 역할을 했습니다. 이 기술의 발전은 특히 디스플레이 산업과 밀접한 관련이 있으며, 고해상도, 저전력 소비, 그리고 유연한 전자 기기의 필수 요소입니다. 이 글에서 IGZO에 대해서 알아 보도록 하겠습니다.
IGZO란 무엇인가?
우선 이 소재의 발전 과정을 이해하기 위해서는, 먼저 2000년대 초반, 전통적인 아모퍼스 실리콘(a-Si) 기반의 반도체가 가진 한계를 극복하고자 하는 연구자들의 노력을 이해해야 합니다. a-Si는 낮은 전하 이동도 때문에 고해상도, 고속 디스플레이 구현에 한계가 있었습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구자들은 높은 전하 이동도를 가지면서도 투명한 산화물 반도체를 찾고 있었고, 그 과정에서 2004년 말 Hosono 그룹에 의해서 해당 소재가 소개되면서 주목받기 시작했습니다.
인듐(Indium), 갈륨(Gallium), 아연(Zinc), 그리고 산소(Oxygen)로 구성되어 있으며, 이는 고전하 이동도와 높은 투명도를 제공합니다. 특히 a-Si에 비해 약 10배 이상의 전하 이동도를 제공하며, 이는 고화질 디스플레이 구현에 필수적인 요소입니다. 이 소재의 기술 발전은 Sharp, LG, Samsung 등 여러 대기업의 연구 개발 노력과 투자로 가속화되었습니다. Sharp는 2010년대 초반, 이미 IGZO기반 디스플레이를 상업화한 최초의 기업 중 하나였으며, 이후 LG와 Samsung도 해당 기술을 적용한 제품을 시장에 출시했습니다.
특유의 유연셩 덕분에 유연성이 뛰어난 전자 기기 개발에도 많이 포함되어 있습니다. 유연한 디스플레이, 웨어러블 기기, 심지어 투명 전자 기기의 개발에 필요한 특성을 제공하기 때문입니다. 이러한 기술적 진보덕분에 IGZO가 산화물 반도체 중에서도 독특한 위치를 차지하게 만들었습니다.
IGZO소재의 구성
IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide)는 인듐(Indium, In), 갈륨(Gallium, Ga), 아연(Zinc, Zn), 그리고 산소(Oxygen, O)로 구성된 반도체 재료입니다. 이 구성 성분들이 합쳐져 복합 산화물 반도체를 형성하며, 각각의 역할과 특징을 하나씩 설명하도록 하겠습니다. 인듐은 중요한 역할을 합니다. 전기 전도성이 매우 뛰어난 금속 이며, 물질 내에서 인듐은 전하 운반자로서의 역할을 하여 전기 신호를 효과적으로 전달합니다. 이는 디스플레이의 반응 속도를 향상시키고, 더 빠르고 정확한 이미지 처리를 가능하게 합니다. 또한 높은 투명성을 가지고 있어서 가시광선 영역에서 높은 투명성을 유지하면서 좋은 전기 전도성을 제공합니다. 이러한 특성은 특히 터치스크린, 고해상도 디스플레이, 투명 전자기기 등에서 활용 됩니다.
인듐은 산화물의 결정 구조에 안정성을 높이는데 도와줍니다. 특히, 온도 변화나 외부 환경 변화에 대한 반도체의 안정성을 높여서 디스플레이의 수명과 다양한 환경에서도 일관된 성능을 유지할 수 있는 능력을 높여줍니다. 또한 높은 전하 이동도를 제공하는데, 이는 전자가 물질 내에서 더 빠르게 이동할 수 있음을 의미하며, 결과적으로 디스플레이의 전기적 성능을 향상시킵니다. 높은 전하 이동도는 저전력으로도 효율적인 디스플레이 작동을 가능하게 하며, 이는 특히 휴대용 전자 기기에서 배터리 수명을 연장하는 데 중요한 역할을 합니다.
갈륨은 온도 변화에 따른 전기 저항의 변화가 적은 특성을 가지고 있습니다. 이러한 특성은 반도체의 전기적 특성을 온도 변화로부터 보호하고, 따라서 디스플레이의 성능이 외부 온도에 의한 영향을 적게 받도록 합니다. 갈륨은 인듐과 마찬가지로 결정 구조에 영향을 미쳐 구조적 안정성을 강화합니다. 마찬가지로 전하 이동성을 향상시키는 데 기여합니다. 전하 이동성이 높아지게 되어 전자가 소재 내에서 더 빠르게 움직일 수 있게 되어, 전체적인 전기적 성능이 향상됩니다. 특히 저전력 고효율의 디스플레이 작동을 가능하게 합니다. 갈륨은 인듐과 마찬가지로 소재의 화학적 안정성을 향상 시킵니다.
아연(Zn)은 화학적 안정성을 강화하고, 전기적 특성을 조정하며, 광학적 특성을 개선하고, 결정 구조를 안정화시키는 여러 기능을 포함합니다. 아연을 포함한 소재는 환경적 요인이나 장기간 사용으로부터 발생할 수 있는 손상에 대한 저항성을 증가시키는 더 높은 화학적 안정성을 보유하게 되어, 디스플레이와 전자 장치의 수명을 연장시키는 데 기여합니다. 또한, 아연의 함량을 조절함으로써, IGZO의 전하 이동성과 전기 전도성을 최적화할 수 있으며, 이는 낮은 전력 소비로 고성능 디스플레이의 구현을 가능하게 하고, 효율적인 전자 장치 개발에 기여합니다.
아연은 광학적 특성에 큰 영향을 미치며, 뛰어난 전기적 성능을 유지하면서 높은 투명성을 유지하는 것이 중요한 요소이며, 이는 투명 디스플레이와 투명 전자 장치 개발에 중요합니다. 결정 구조에 대한 아연의 영향은 전체적인 구조적 안정성을 개선하며, 이는 장치의 신뢰성과 일관된 성능을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. 아연의 다양한 기능은 반도체의 성능과 안정성을 크게 향상시키며, 아연의 적절한 사용은 고효율, 저전력 소비, 고성능을 달성하기 위해 전자 장치에 필수적입니다.
산소는 IGZO에서 마찬가지로 전자 소자의 전기적 성질을 조절하는 핵심 역할을 담당하며, 이는 IGZO를 이용한 디스플레이와 전자 장치의 효율과 성능을 높이는데 도와줍니다. 산소의 배치와 농도는 IGZO 내에서 캐리어(전하를 운반하는 입자)의 밀도와 이동성을 결정짓는 중요한 요소로 작용하며, 이는 전자 장치의 응답 속도 및 전력 소비에 직접적인 영향을 미칩니다.
특히, 산소 결핍은 전도성을 증가시키는 반면, 산소가 과하게 포함되어 있을 때는 절연 특성이 강조되어, 산소의 농도를 조절함으로써 전기적 특성을 세밀하게 조절할 수 있습니다. 또한, 산소는 IGZO의 화학적 특성과 안정성에도 영향을 미치며, 적절한 산소 농도는 재료의 화학적 안정성을 향상시켜 장기간 사용에 따른 성능 저하를 방지합니다.
10nm 반도체 채널소재로 IGZO소재
IGZO (인듐 갈륨 아연 산화물)는 TFT(박막 트랜지스터)의 활성층(active layer)에 사용됩니다. TFT 기술은 디스플레이 패널에서 매우 중요한 역할을 하는데, 각 픽셀의 색상과 밝기를 제어하는 데 사용되는 전자 소자입니다. TFT는 전기 신호를 받아서 이를 각 픽셀에 전달하는 역할을 합니다.
전통적으로 TFT의 활성층은 비정질 실리콘(a-Si)으로 만들어졌습니다. 그러나 a-Si의 낮은 전하 이동도와 고해상도, 고속 디스플레이 구현의 한계 때문에, 2000년 이후 IGZO 같은 산화물 반도체가 도입되면서, TFT 기술은 크게 발전하게 되었습니다. IGZO의 경우, 인듐, 갈륨, 아연, 산소로 구성되어 있으며, 이러한 산화물 반도체는 높은 전하 이동도와 투명성을 제공합니다.
이 높은 전하 이동도 덕분에, IGZO 기반의 TFT는 기존의 비정질 실리콘 기반 TFT보다 훨씬 더 빠른 속도로 전자를 이동시킬 수 있습니다. 이는 디스플레이의 반응 속도를 향상시키고, 더 높은 해상도를 가능하게 합니다. 또한, IGZO는 낮은 전력 소비로도 동작이 가능하여 배터리 수명을 연장하는 데에도 기여합니다.
이러한 특징이 최근 반도체에서 각광받고 있습니다. 2024년 5월 13일부터 16일까지 한국에서 열린2024 IMW(International Memory Workshp)에서 삼성은 차세대 반도체 채널 소재로서 IGZO를 소개하며, 반도체 선폭 10나노미터 이하에서 메모리 용량과 대역 폭을 잘 구현하기 위해서 이 소재가 필요하다고 발표했습니다.
삼성은 이번 2024년 IMW에서 IGZO을 기반으로 하는 수직 채널 트랜지스터(VCT)를 활용하여 D램을 생산할 것을 염두에 두고 있다고 했습니다. IGZO 기반의 VCT 기술은 웨이퍼 본딩 과정 없이도 코어와 주변 부분의 트랜지스터에 직접 적층될 수 있다고 알려져 있으며 특히 10나노미터 이하의 D램에 적합하다고 알려져 있으며 이는 IGZO 소재가 낮은 누설 전류를 가지고 있기 때문입니다. 향후 Samsung의 행보가 기대되는 대목입니다.
IGZO 소재의 증착 방법으로는 PVD와 ALD가 사용될 수 있으나, ALD 방식이 두께와 질의 정밀한 조절이 가능하여 더욱 우선시될 것으로 예상 됩니다. 특히, ALD 기법은 박막을 균일하게 코팅할 수 있는 우수한 능력 때문에 10나노미터 이하의 D램 제조에 있어 선호되는 기술로 기대를 모으고 있습니다. 현재 전문가들은 향후 5년이내에 적용이 될 것이라고 추측하고 있습니다.