KOSEN 한인과학기술자네트워크

    한양대학교 반도체 재료 연구실 (Semiconductor Materials Laboratory)은 1992년 전형탁 교수님께서 설립하신 연구실입니다. 저희 연구실은 3차원 구조 등의 복잡한 구조에서도 정확한 두께 조절로 불순물 및 결함 없는 균일한 막의 성장이 가능한 원자층 증착법(Atomic layer deposition)을 이용하여 메모리 소자, 디스플레이, 태양전지 등에 이용되는 반도체 재료의 물성 연구 및 증착 공정 그리고 각 소자에서 발생되는 계면 분석 등의 연구를 기반으로 미래 핵심 소자의 개발 및 성능 향상을 목표로 연구하고 있습니다. 전형탁 교수님께서는 초기 ALD 기술인 Thermal ALD 부터 이를 개량한 Plasma ALD, Remote plasma ALD, DC-bias remote plasma ALD등 다양한 ALD 기술에 대한 기술력과 노하우를 바탕으로 차세대 ALD 기술에 대한 새로운 아이디어를 끊임없이 모색하며 열정적으로 연구실을 이끌고 계십니다. 현재 반도체 재료 연구실에서는 박사과정 4명, 석박사 통합 과정 4명, 석사 6명 총 14명의 학생들이 국내외 다양한 분야의 연구실과의 협동 연구 및 정기적인 학회 참석을 통해 자신의 능력을 펼치고 있습니다.


    저희 연구실에서는 기본적으로 원자층 증착법 (Atomic layer deposition)을 이용하여 다양한 반도체 물질을 증착 하여 메모리, 디스플레이, 태양전지 등에 대한 적용 연구를 하고 있습니다.


I. Atomic layer deposition (ALD)
  ALD 기술은 CVD 기술과 달리 반응 원료를 각각 분리하여 공급하는 방식으로 한 cycle 증착 시 표면 반응에 의해 1ML(monolayer) 이하의 박막이 성장하게 된다. ALD 반응 단계는 이성분계 물질을 예로 들어 설명하면 다음과 같다. ALD 기술에서의 반응은 위에서 보는 바와 같이 먼저 A source가 공급된 뒤 A 원소가 기판 위에 흡착하게 된다. 이 때 A source 원료끼리의 흡착은 physisorption으로 이루어져 결합력이 약하기 때문에 쉽게 떨어질 수 있으며, 반면 기판과 흡착한 A 원소는 기판과 chemisorption으로 더 강한 결합을 하기 때문에 그 다음 단계인 purge 단계에서 physisorption한 반응 원료는 모두 떨어져 나가 제거 되고 chemisorption한 A 원소는 흡착된 채로 남아 있게 된다. 이 후 B source가 주입이 되어 A원소와 화학적 결합을 통해 화합물을 형성하고 반응하지 않고 남은 잉여 소스들은 purge 단계에서 모두 제거 되어 한 monolayer를 형성 한다. 이러한 chemisorption과 physisorption의 차이에 의해 ALD 기술에서 원자층 단위의 조절이 가능하게 된다. (Fig. 2)


II. High-k material ALD
  반도체 소자가 고집적화 및 고속화 되어감에 따라 나노 두께의 박막을 증착하는 공정과 새로운 재료의 적용에 대한 연구가 진행되고 있다. 나노 스케일로 소자가 작아짐에 따라 SiO2를 기반으로 하는 gate oxide는 두께가 매우 얇아지면서 누설전류 (leakage current) 및 boron penetration 등의 문제점이 야기되었다. 따라서 누설전류를 억제하고 유효산화막 두께 (effective oxide thickness)를 감소시키기 위해 유전율이 높으며 유전 손실이 적은 HfO2, Al2O3, La2O3 등과 같은 high-k 물질이 gate oxide에 적용되었다. 그리고 이와 같은 high-k 물질을 결함 없이 나노 스케일의 두께로 증착하기 위해서는 Atomic Layer Deposition (ALD: 원자층 증착법) 기술은 필수적이라 할 수 있다. 본 연구실은 기존의 ALD 증착법에 원거리 플라즈마 (remote plasma)를 적용하여 플라즈마에 의한 기판의 손상을 최소화하는 동시에 소스의 반응성을 증가시켜 보다 dense한 박막을 성장하도록 하여 누설전류 특성을 향상 시키는 연구를 진행하고 있다. 또한, 원거리 플라즈마 단원자층 증착법 (Remote plasma atomic layer deposition)으로 증착된 high-k 물질의 전기적 특성 평가뿐만 아니라, 박막성장 메커니즘 및 기판과 박막 사이의 계면에서의 반응 등의 박막의 물리적 특성 평가도 진행하고 있다.


II. Metal ALD 
  최근 반도체 소자의 capacitor는 고유전 물질, 높은 일함수를 갖는 금속의 조합으로 만들어진다. 일반적으로 높은 일함수를 갖는 물질들은 귀금속류여서 식각이 어렵고 따라서 공정이 복잡하고 어렵다는 단점이 있다. 하지만 Ru 의 경우 오존 및 산소 플라즈마에 의하여 쉽게 식각이 될 뿐아니라 RuO2 역시 우수한 전도성 및 높은 일함수의 특성을 갖기 때문에 그 활용이 기대되고 있다. 또한 Cu 배선에서도 Ru 은 확산방지막 및 direct platable seed layer로 활용이 기대되고 있다. 따라서 본 연구실에서는 향후 초고집적 반도체 소자에 적용 가능한 Ru metal 박막을 thermal ALD 및 plasma ALD 방식으로 증착 하고 있다.



III. Passivation layer 
  최근 반도체 성질을 띄는 유기 소재의 개발과 이를 이용한 전자파 차폐막, 캐패시터, 유기 EL 디스플레이, 유기 박막 트랜지스터, 태양 전지, 메모리 소자와 같은 다양한 응용 연구 또한 어느 때보다 활발히 진행되어 오고 있다. 이러한 유기 반도체는 제작 공정이 간단하고 비용이 저렴하며 잉크젯이나 프린팅 방법을 통해 대면적에 대량 생산이 가능한 큰 장점과 기존의 무기물 결정 반도체 물질로 구현 할 수 없었던 충격에 의해 깨지지 않고 구부리거나 접을 수 있는 flexible 특성을 갖고 있다. 이러한 장점으로 기존 반도체 재료로 구현할 수 없었던 미래 산업의 새로운 영역을 선점할 수 있는 중요한 연구 분야로 대두되고 있다. 그러나 유기 반도체 물질은 공기중의 산소(oxygen)와 수증기(H2O)와의 높은 반응성으로 인해 그 특성이 빠르게 저하된다. 이처럼 유기반도체 소자에서 oxygen과 H2O와의 반응 및 투습을 막는 보호막 기술(Passivation technique)은 유기 반도체 소자의 수명과 신뢰성에 직접적으로 연결되므로 매우 중요하다. 본 연구팀은 우수한 투습 저항성을 갖는 무기 박막 물질의 개발과 그 형성 기술을 통하여 긴 소자 수명을 갖는 Flexible OLED 를 실현하고자 한다. 또한 태양전지 분야에서 보호막 물질의 고정전하 특성의 극성 유무에 따라 carrier의 life time을 증가 시킬 수 있는 현상을 이용하여 태양전지의 효율을 향상 시킬 수 있는 기능화된 다양한 보호막 연구 개발 또한 진행 중이다.



IV. Display 
  산화물 반도체를 이용한 TFT는 기존의 Si 기반의 TFT에 비교해 대면적 공정에 적합한 아모포스구조 상태에서 우수한 이동도 특성과 더불어 간단한 구조와 공정으로 양산성 확보에 유리한 측면 때문에 많은 주목을 받고 있다. 또한 산화물 반도체 TFT는 가시광선 영역에서 투명한 특성이 있기 때문에 이를 이용하여 투명 디스플레이(투명 AMOLED)를 개발하는 경우 투과도를 크게 증가시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 본 연구실은 이러한 산화물 반도체의 기본 물질인 ZnO 를 바탕으로 InGaZnO에 이르기까지 다양한 물질의 증착과 공정기술을 연구하고 있으며 TFT 응용분야는 물론 터치패널, 태양전지등의 광학응용 소자에 이르러 널리 사용되는 투명 전극의 연구 또한 병행하고 있다.


V. Nanostructure
  최근 나노 기술의 발달로 현재 bulk 중심의 소자 구조에서 실현하지 못한 결과를 다양한 나노구조체를 이용하여 이룰 수 있게 되었다. 본 연구실에서도 다양한 물질과 형태의 나노구조를 합성하고 이를 센서, 태양전지등 다양한 응용분야에 접목을 연구하고 있다. 다양한 방법으로 성장시킨 3차원 구조의 나노 구조체에 원자층 증착법을 이용하여 각 응용분야의 목적에 맞게 반도체 물질을 모노레이어 단위로 코팅하여 표면 변화를 유도하여 그에 따른 특성 변화 연구를 하고 있다.


VI. Facility 
  본 연구실에서는 기본 ALD 장비인 Themral ALD, plasma ALD, remote plasma ALD, DC-bias remote plasma ALD 장비와 sputter, e-beam evaporator 등 다양한 증착 장비를 보유하고 있으며 이를 통해 증착한 박막을 Auger electron spectroscopy (AES), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction (XRD), Atomic force microscopy (AFM) 그리고 semiconductor analyzer등의 분석 장비로 물질의 물리/화학/전기적 특성 분석을 하고 있습니다.

    저희 연구실은 원자층 증착 기술이라는 공통된 테마를 가지고 있습니다. 이러한 공통된 방법으로 각 팀에서 연구하는 분야의 반도체 재료 물질은 그 연구팀만의 주제가 아닌 다른 연구 팀에서도 얼마든지 다른 목적으로 중요하게 사용될 수 있으므로 항상 열린 생각을 가지고 연구실 구성 팀들과 교수님과 매주 세미나를 통해 활발한 토론을 통해 새로운 아이디어를 모색하는 시간을 갖고 있습니다. 그러므로 연구실의 분위기가 기본적으로 서로 화합하고 적극적으로 토의하는 형태로 자연스럽게 만들어져 왔고 나아가 좋은 연구 성과를 낼 수 있는 원동력이 되고 있습니다. 또한 저희 연구실은 활발한 연구와 더불어 팀의 화합을 위해 매년 겨울 여행을 추진하여 연구원들과의 단합을 도모하고 신입생에게는 재학생들과 미리 친해지는 기회와 이제 졸업하는 사람에게 연구생활의 지침과 노하우를 전달 받을 수 있는 좋은 자리를 마련하고 있습니다. 이런 자리를 통해 연구실 선후배간의 정이 더 끈끈해지는 계기가 되고 있습니다.

  마지막으로, 저희 연구실은 다양한 공정 기술과 많은 분석장비를 보유하여 튼튼한 연구 기반을 다졌고, 좋은 연구 성과를 내고 있습니다. 이는 연구실 구성원간의 끈끈한 유대감과 열정이 만들어 낸 결과라 생각합니다. 앞으로도 저희 연구실은 활발한 국내외 연구기관과의 교류를 통하여 반도체 재료분야에 더 많은 공헌을 하고자 노력할 것입니다. 연구실 소개의 기회를 주신 KOSEN 관계자 분들께 감사드리며, 지금 이 글을 읽고 계신 모든 분들께도 감사드립니다.



    우리 연구실은 한양대학교, 신소재공학관 516호에 위치하고 있습니다.
연구에 관심과 열정이 있으신 분들에게 저희 연구실은 언제나 열려 있습니다.
전화: 82-02-2220-0387
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