▲ ▲승화법(左)과 HHTCVD법에 의한 SiC 단결정 성장 모식도. ▲승화법(左)과 HHTCVD법에 의한 SiC 단결정 성장 모식도

■차세대 반도체 소재분야별 기술개발동향
◇GaN 에피택시(EPitaxy) 분야
GaN(질화갈륨) 소재는 실리콘이나 GaAs(갈륨비소)등의 반도체와 달리 대구경 기판을 형성하는 것이 매우 어려워서 주로 이종 기판 위에 애피택시(어떤 결정의 표면에서 다른 물질의 결정이 특정한 방위를 갖고 성장하는 현상) 방법으로 수㎛정도의 박막 형태로 응용된다. GaN 에피택시는 유기금속화학증착법(MOVPE) 혹은 분자선에피택시(MBE), HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 방법이 있으며, 사용되는 이종기판으로는 SiC(탄화규소), 사파이어, 실리콘, 게르마늄, AlN(질화알루미늄) 등이 이용되고 있다.
LED용으로는 대부분 사파이어 기판이 사용되고 있으나 전자소자 분야에서는 기판의 낮은 열전도도로 인해 GaN 소자의 특성열화 문제점을 가지고 있다. 대안으로 열전도도가 우수한 SiC 기판이 연구됐으나 가격경쟁력과 대구경화 측면에서 한계를 갖고 있어 최근에는 실리콘을 이용하는 연구가 가장 활발히 진행되고 있다. 현재 실리콘 기판을 이용한 GaN 에피택시 웨이퍼 기술은 12인치까지 도달한 상태이다. 다만, 실리콘과 GaN의 격자상수(똑같은 형태와 구조의 분자가 모여 있는 결정안의 원자 간의 가로, 세로, 높이와 같은 간격) 차이가 약 17%에 달해 에피택시 층의 결함밀도가 약 1010/㎠ 수준으로 매우 높은 편이다. 현재 이를 극복하기 위한 다양한 방법이 시도되고 있다.

◇GaN 단결정 웨이퍼 분야
GaN 단결정 기판을 제조하는 방법으로는 HVPE법과 아모노서멀(Ammono-thermal)법이 있다. HVPE법은 사파이어 기판위에서 성장된 GaN 종자정에 기상 에피택시 방법으로 GaN을 두껍게 재성장하고 이를 레이저리프트-오프 방법으로 사파이어 기판에서 분리하는 방법이며, 현재 상용 GaN 기판제조 방법으로는 유일한 방법이다. Ammono-thermal법은 100~150 MPa의 고업상태에서 단결정을 성장하는 방법이나 매우 낮은 성장속도와 고압을 필요로 하는 단점이 있다.

◇ZnO 에피택시 분야
ZnO(산화아연) 에피택시는 주로 PLD(펄스레이저증착), MBE(분자선 에피택시), MOCVD(금속-유기 화학적 기상 증착), 스퍼터 방법으로 사파이어 기판위에 제작이 가능하다. GaN의 경우, HVPE 또는 MOCVD와 같은 CVD 방법을 이용하는 것이 고품질의 GaN 에피택시 막 형성에 유리하나 ZnO는 PVD 방법에 속하는 MBE와 PLD(Pulsed Laser Deposition System)를 이용한 증착법이 더욱 적합하다고 알려져 있다.

◇ZnO 단결정 웨이퍼 분야
ZnO 단결정 기판을 제조하기 위한 기술로 수열법(Hydrothermal Method)·융제법(Skull Melting)·기상법(Physical Vapor Transport) 등의 방법이 있으며 그 중 수열법이 품질이나 생산성에서 가장 우수한 방법으로 알려져 있다.
수열합성법은 오토클레이브(Autoclave) 내에 LiOH(수산화리튬) 용액과 KOH(수산화칼륨) 용액을 혼합해 용매로 사용, 내부온도를 300~400℃, 압력을 80~100㎫로 유지해 상부와 하부의 온도구배로 인해 ZnO 단결정을 합성하는 방법이다.

◇SiC 에피택시 분야
SiC(탄화규소) 에피택시 박막성장 기술은 초기 고온 성장의 어려움과 여러 가지 결정다형의 제어가 어려워 실제 소자에 적용할 수 있기까지는 상당한 시간이 소요됐다. 1994년 교토대학의 마츠나미(Matsunami) 그룹에서 스텝콘트롤(Step-controlled) 에피택시 기법을 개발함으로써 1990년대 후반 및 2000년대 초반에 걸쳐 SiC 반도체 소재를 이용한 소자화 연구가 활성화 됐으며 SiC 반도체의 산업화에 이르게 됐다.
이후 2000년대 후반기에는 에피택시 박막 표면에 존재하는 Step들 및 결함들에 의해 소자의 신뢰성이 확보되지 않는 문제점들이 발견돼 On-axis 기판을 이용한 에피택시 및 기판표면 미세 패터닝을 이용한 결함제어기술 개발이 최근 연구의 중심이 되고 있다.
SiC 에피택시의 경우에는 단결정 웨이퍼와 마찬가지로 고온의 공정이 필요해 수율향상에도 걸림돌이 되며 에피택시 박막성장에 드는 비용이 단결정 웨이퍼 제조비용보다 비싸서 SiC 에피웨이퍼가 고가화 되고 결과적으로 산업적으로 적용되는 데 큰 걸림돌이 돼 왔다.
최근 독일의 엑시트론(Aixtron)사를 선두로 4인치 급 웨이퍼를 다수 장착해 에피택시 박막성장이 가능한 장치들이 개발됐다. 이에 SiC 반도체 소재의 가장 큰 문제점이었던 제조상의고비용 문제가 해결됐고 실리콘을 대체할 차세대 반도체로서의 가능성이 증대되고 있다.

◇SiC 단결정 웨이퍼 분야
1977년 러시아의 타이로프(Tairov) 박사팀에서 승화법(Seeded Sublimation Method)을 이용한 단결정 성장에 성공한 이래 1990년대 초 미국의 크리(Cree)사가 1인치 웨이퍼의 생산 및 판매를 시작함으로써 상용화됐다. 이후 많은 진전을 이뤄 현재 Cree 외에도 미국에서는 다우코닝(Dow Corning)·세미사우스(Semisouth), 일본에서는 신일본제철·브릿지스톤(Bridgestone), 독일의 사이크리스털(SiCrystal), 스웨덴의 노스텔(Norstel) 등의 기업에서 3인치 및 4인치 단결정 웨이퍼를 생산·판매하고 있다. 현재까지는 대부분의 생산이 승화법을 기반으로 해 대량생산에는 다소 애로를 겪고 있다.
최근에는 스웨덴의 Norstel이 고온 CVC(HTCVD)법으로 성장시킨 단결정 웨이퍼를 생산·판매하기 시작해 성장방법에 대한 변화 및 고순도화·고품질화의 가능성이 열리고 있다. 반면 기술적인 성취도에서는 단결정 웨이퍼의 생산·판매를 목적으로 하고 있지 않은 도요타자동차의 결과가 상당한 수준에 이르러 관심을 끌고 있다. 도요타자동차는 상용웨이퍼의 경우 아직 104/㎠에 머무르고 있는 결함밀도를 102/㎠ 수준으로 향상시킨 결과를 보고하고 있어 향후 저결함 SiC 웨이퍼의 개발이 가시적인 수준에 도달한 것으로 여겨진다.
대부분의 화합물 반도체 소재의 웨이퍼 크기가 기존 실리콘 반도체 공정에 적용될 만큼 대면적화 되지 못해 소자화 및 산업 적용에 상당한 어려움을 겪고 있어 기판 대면적화 연구가 많이 추진되고 있다. SiC 웨이퍼의 경우 올해에는 6인치 웨이퍼가 상용화될 전망이며 전기자동차 등에 적용이 예상되는 2020년 이전에 8인치 웨이퍼까지 상용화돼 기존 실리콘 반도체 공정에 적용하는데 무리가 없을 것으로 예상된다.

▲ ▲삼성전자 종합기술원이 지난해 10월 세계 최초로 비정질 유리기판 위에 단결정 수준의 GaN을 성장시키고 이를 이용해 유리기판 상에 구현한 GaN LED. ▲삼성전자 종합기술원이 지난해 10월 세계 최초로 비정질 유리기판 위에 단결정 수준의 GaN을 성장시키고 이를 이용해 유리기판 상에 구현한 GaN LED

■차세대 반도체 소재기술 개발의 핵심
◇GaN 소재 핵심이슈
GaN 반도체 소재의 경우 고품질(저결함)화·대구경화·고출력 전력소자를 위한 후막화 등이 요구되고 있다. 이를 위한 접근법으로는 HVPE, Ammkono-Thermal법 등의 Free-Standing 기판을 통한 방법과 이종기판을 이용한 에피택시법이 있다. Free-Standing 기판은 에피택시법에 비해 낮은 결함밀도(≒105/㎠)의 기판구현이 가능하지만 고가(2인치에 6,000달러 이상)이면서 대구경화가 어렵다는 문제점을 극복해야만 한다.
에피택시 기판은 실리콘에 비해 격자불일치가 낮은(~3%) SiC 기판의 활용, 대구경화가 용이한 실리콘 기판의 활용에 대한 연구가 진행되고 있다. 전자의 경우 4인치 이상 대국경화의 한계, 후자의 경우 높은 결함밀도 및 웨이퍼가 휘어진 상태(Wafer Bowing) 문제가 해결돼야 할 과제다. GaN 에피택시 웨이퍼에 결함이 많으면 반도체 소자의 주설전류가 좁아지고 신뢰성 및 수율이 떨어진다. 이 결함은 실리콘 기판과 GaN 에피층의 약 17%에 달하는 격자 불일치가 주요 요인으로 이를 억제하기 위해서 특수한 에피층(버퍼, 혹은 전이층(Transition Layer)) 설계가 필요하다.

◇ZnO 소재 핵심이슈
ZnO 소재의 핵심이슈로는 ZnO LED 분야의 ‘p-형 ZnO 에피박막의 구현’과 ‘무극성 ZnO 제작’ 그리고 ZnO 투명박막 트랜지스터 분야가 있다.

1)‘P-형 ZnO 에피박막 구현
광전소자에서는 n-형과 p-형 에피박막의 구현이 반드시 실현돼야 한다. ZnO 에피박막의 경우 n-형 ZnO 박막의 성장은 Ga(갈륨)·Al(알루미늄)·In(인듐) 등의 도핑으로 쉽게 이뤄지나 p-형 ZnO 박막의 성장은 산소(O)의 깊은 에너지 준위 때문에 도핑을 해도 깊은 억셉터 준위를 형성함으로 구현이 어려운 문제점이 있다.
1990년 후반부터 꾸준히 p-형 ZnO 박막 제조 성공에 대한 연구가 발표됐으나 p-형 ZnO 제조에 대해서는 신빙성과 재현성에 있어 꾸준히 문제가 제기돼 왔다. 그러나 최근 들어 N(질소)·As(비소)·P(인)·Sb(안티몬) 등을 도핑물질로 사용한 신뢰할만한 수준의 p-형 ZnO 박막 제작에 대한 연구결과가 국내·외에서 보고되고 있으며 LED 소사 제작도 보고되고 있다.

2)무극성 ZnO 제작
우르자이트(Wurtzite) 구조를 갖는 ZnO는 SiC·GaN과 마찬가지로 <0001>방향을 기준으로 비대칭구조를 가지고 있으며 강한 이온결합성을 가지고 있기 때문에 Zn-polar 또는 O-polar가 존재해 극성(polarity)이 나타나게 된다. 이로 인해 막 내에는 압전분극(Piezoelectric Polanrization)과 자발분극(Spontaneo us Porization)이 존재하게 된다. 이러한 극성은 박막의 물성과 소자 특성에 매우 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 따라서 성장하는 박막의 극성에 대한 평가와 조절은 Wurtzite계 소재의 연구와 소자 응용에 있어서 매우 중요한 이슈다.
이와 같은 압전분극 전계의 부정적인 영향을 제거하기 위해 성장방향으로 극성이 없는 비극성(Nonpolar) ZnO 에피박막 성장과 특성에 관한 연구가 최근 들어 증가하는 추세다. 그러나 아직 연구 초기단계로 많은 연구가 요구되는 상황이다.

3)ZnO 투명박막 트랜지스터
투명박막 트랜지스터(Transparent Thin Film Transistor)는 트랜지스터의 구동부를 구성하는 물질이 모두 투명한 경우이며, 특히 채널(Chnaael)을 구성하는 물질이 ZnO와 같은 투명한 물질인 경우 가능한 응용분야다. 투명박막 트랜지스터가 실현되면 발광소자·스마트 창(Smart Window)·태양전지·안보 및 군사시스템 등 다양하게 응용될 수 있을 것으로 예상된다.

◇SiC 소재 핵심이슈
다른 화합물 반도체 소재와 마찬가지로 대면적 웨이퍼의 대량생산을 통한 저가화·고품질화가 당면한 문제다. 현재 4인치 웨이퍼가 생산·판매되고 있어 화합물 반도체 중 기판 소재로서의 기술개발이 가장 빠른 편이나 높은 가격 및 소자신뢰성에 영향을 미치는 결함의 존재는 아직 완전히 해결되지 못하고 있다.
따라서 단결정 웨이퍼의 대량생산이 가능한 돌파(Breakthrough) 기술의 개발과 고비용 구조의 한 원인이 되고 있는 에피택시 분야에서의 다량의 웨이퍼 적용이 가능한 장치의 개발이 시급히 해결해야할 과제다.
뿐만 아니라 반도체 소재의 특성상 소자화의 진행정도에 따라 시장 규모가 결정됨으로 소자의 신뢰성에 영향을 미치는 결함들에 대한 분석 및 제어기술의 개발이 반드시 필요하다.
                                                                                    <다음호에 계속>