산화물은 반도체 소자에 다양한 용도로 사용됩니다. 절연막, 투명 전도막, 트랜지스터, 센서, 메모리 등에 적용되고, 표면을 보호하고, 절연막이나 식각 방지 막으로 사용되며, 전도성이나 광학적 특성을 조절하는 데도 활용됩니다. 산화물은 구성하는 종류에 따라 다양한 성질을 가지며, 그 중 일부는 투명하고 전도성이 높은 특징을 갖습니다. 이러한 산화물은 투명 전도성 산화물 (TCO)이라고 불리며, 디스플레이나 태양전지 등에서 사용됩니다. 이번 포스팅에서는 반도체의 산화물에 대해 알아보겠습니다.
역사
산화물은 반도체 산업의 초기부터 사용되어 왔으며 초기 반도체 재료로는 주로 Ge(게르마늄)와 Si(실리콘)이 사용되었습니다. 게르마늄은 1947년에 최초의 트랜지스터가 만들어진 소재로 Cu2O, V2O5 등의 산화물과 결합하여 트랜지스터를 형성하였습니다. 게르마늄은 온도에 민감하고 불순물에 의해 특성이 변화하기 쉬운 단점이 있었습니다. 그래서 실리콘이 반도체 주요 소재로 선택되었으며 실리콘은 전기적 절연성이 뛰어나고 안정된 구조의 산화물 SiO2을 트랜지스터 소재로 사용하여 게르마늄보다 더 적합하였습니다. 실리콘 산화물은 MOSFET의 핵심 구성 요소로 개발되었으며, 이후로 반도체 산업의 발전에 크게 기여하였습니다. 1960년대부터 1970년대에는 CVD 공정과 리소그래피 공정이 개발되어 더 작은 반도체 소자를 생산하는 데 중요한 역할을 하였습니다. 이 과정에서 산화물은 절연막이나 투명 전도 막으로 사용되었습니다. 투명 전도막은 SnO2, ZnO, In2O3 등의 산화물로 구성되었으며, 태양전지나 디스플레이 등에 활용되었습니다. 1980년대는 마이크로프로세서의 개발로 컴퓨터 산업이 급속하게 성장하며, 반도체 산업은 혁명적인 발전을 이루었습니다. 이때 산화물은 CMOS 기술의 핵심 요소로 게이트 절연 막으로 사용되었으며, 산화물의 두께와 품질이 반도체 성능에 큰 영향을 미쳤습니다 . 1990년대부터 2000년대에는 산화물 반도체의 다양성과 새로운 기능이 발견되었습니다. 투명 p형 산화물 반도체가 개발되었으며, CuAlO2, SrCu2O2 등의 산화물이 투명 p형 전도성을 보였습니다. 이러한 산화물은 투명 전도막이나 태양전지에 적용되었습니다. 이외에도 산화물은 자성, 발광, 압전, 메모리 등의 특성을 나타내는 경우도 있었습니다. 이러한 산화물은 센서, LED, 페로브스카이트 태양전지, ReRAM 등에 활용되었습니다 .
종류
이산화규소(SiO2)는 가장 흔하게 사용되는 산화물 중 하나로, 실리콘 웨이퍼의 표면에 산소를 공급하며 진공 산화, 열 산화 등의 방법으로 형성됩니다. 이산화규소는 화학적 안정성이 뛰어나고, 전기 절연체로서의 절연성이 뛰어나고, 식각이 용이합니다. 게이트 절연막이나 pn 접합의 표면을 보호하는 역할을 하여 대부분의 반도체 공정에서 사용되어집니다. 질화규소 (Si₃N₄)는 이산화규소(SiO2)막보다 절연성이 더 높고, 습기에 강한 막입니다. 실리콘 웨이퍼에 SiH4 혹은 질소와 NH₃를 노출시켜 만듭니다. 질화규소 막은 산화막과 함께 사용하여 산화막의 두께를 조절하거나, 산화막의 누설전류를 줄이는 역할을 합니다. 고순도 산화물는 최근의 반도체 기술 발전에 따라 더 높은 전기적 특성이 필요한 경우, 고순도 산화물이 사용됩니다. 이는 주로 희토류 금속과 같은 특수한 재료를 사용하여 더 높은 전기 절연성을 제공합니다.
역할
게이트 절연체 역활은 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) 구조에서 게이트 절연체로 사용됩니다. 게이트 절연체의 역할은 전류의 흐름을 제어하여 트랜지스터의 작동을 조절하는 것입니다. 특정 속성 조절 역활은 고순도 산화물은 반도체 소자의 특정 속성을 조절하기 위해 사용됩니다. 이는 반도체의 전기적 특성을 미세하게 조절하여 성능을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 표면 보호 역활은 실리콘 웨이퍼의 표면을 보호하는 역할도 합니다. 이는 불순물의 침투를 방지하고, 미세한 구조를 안정화시켜 제조 프로세스의 안정성을 유지하는 데 기여합니다.
산화물은 반도체 제조에서 핵심적인 부분으로 사용되며, 지속적인 연구와 혁신을 통해 더 나은 소자 및 성능을 발휘하기 위한 개발이 계속되고 있습니다.