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On-going research projects


 

차세대 반도체 메모리소자, 나노소자, MEMS 및 박막센서들에 적용을 위한 박막 및 적층구조의 나노식각공정에 의한 극미세 나노미터 패턴의 형성

        개인연구사업(이공학개인기초연구: 2017.06~2020.05.30)

본 연구는 현존하는 메모리소자를 포함하여 차세대 반도체 메모리소자, MEMs(NEMs) 소자 및 각종 센박막센서들의 개발에 필요한 나노미터스케일의 극미세패턴의 형성을 위하여 새로운 나노식각공정을 개발하여 극미세패턴들을 형성하고자 하는 연구이며, 메모리소자들의 중요한 두 구성요소인 metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET)capacitor의 극미세 나노미터패턴의 형성을 위한 식각공정을 개발하는 것이 그 중요한 예이다. 그 외에 본 연구의 핵심기술은 단위박막 및 적층구조의 미세 나노미터 패턴 형성을 위하여 나노식각기술이 필요로 하는 나노소자, MEMS, NEMS 및 박막센서소자의 제조에도 적용될 수 있다.

일반적으로 반도체 메모리소자는 메모리소자와 비메모리소자로 구분되고 메모리소자는 휘발성메모리소자와 비휘발성메모리소자로 구분된다. 비메모리소자는 시스템반도체, 개별소자 및 기타반도체소자로 구분된다. 이러한 MOSFET 디바이스의 구조에서 gate length (L)가 반도체소자의 전체 크기를 좌우하기 때문에 가장 중요한 dimension이다. 또한 유전체와 두 개의 전극으로 구성된 capacitorcapacitor의 용량을 증가시켜서 메모리 용량을 크게 하기 때문에 작은 dimension에 작은 크기의 패턴 (L)으로 만들어져야 한다. 이러한 MOSFET 디바이스와 capacitor의 구조는 그림 12에 각각 보여진다. 각 그림에서 MOSFET devicegate lengthcapacitortrench lengthL로 표현되었으며 바로 이 부분이 극미세 나노미터스케일로 식각되어져서 극미세 나노미터패턴이 형성되어져야하는 부분이다.

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ITRS technology trend targets에 의하면 2017년에는 DRAM, Flash memory 소자들의 Half pitch32~45 nm로 예상되고 2020년에는 20~30 nm로 축소될 예정이다. 따라서 현재 반도체소자 제조공정에 있어서 breakthrough가 이루어져야 하는 부분은 (1) lithography 공정과 (2) etching 공정이다. 최근에는 lithography 공정보다 극미세 나노미터 패턴의 식각이 더욱 더 중요해지고 있다. 부연 설명하면 50 nm이하의 극미세패턴의 형성과 이에 대한 극미세패턴의 식각공정의 개발이 필수적이다. 향 후 2020년도에는 20~30 nm 이하의 극미세패턴의 형성을 위하여 나노식각공정이 필요로 할 것이다.

 



자성물질의 박막 식각공정 및 차세대 자성메모리 소자 (MRAM) 개발

(산업통상자원부 산업융합원천기술개발사업; 2013.06~2018.05; 대학원생/연구원 모집중)

 

  현재 전세계적으로 반도체 회사들의 합병 및 소멸 등의 구조변화가 시작되어 궁극적으로 세계 1, 2위의 메모리 반도체회사인 삼성전자와 하이닉스가 생존할 것으로 예상되고 있다. 각 회사들은 차세대 반도체 메모리소자의 개발을 위하여 경쟁적이고 집중적으로 국가의 지원을 받으며 연구하고 있다. 현재 연구 개발되고 있는 모든 차세대 반도체소자들은 소위 information technology(IT)와 nano technology(NT)를 이용하여 개발되고 있으며 그 가운데서 자성물질을 이용하는 자성 메모리 소자 (MRAM: Magnetoresistive Random Access Memory)는 기존의 비휘발성 메모리소자나 DRAM을 능가하는 고집적 초고속 차세대 메모리소자로서 현재 연구가 매우 활발히 진행되고 있다.

  본 연구의 목표는 자성 반도체 메모리소자의 핵심 물질인 자성박막들의 패터닝 및 효율적인 식각을 위한 건식식각 (dry etching) 공정의 개발에 있다. 특히 식각가스의 개발 및 선택을 통해 보다 효율적인 표면화학반응을 유도하여 우수한 식각특성을 갖는 식각공정을 개발하고, 궁극적으로는 나노미터급 초미세패턴의 구현에 연구목표를 두고 있다. 현재 본 연구실에서는 산업통상자원부의 지식경제 기술혁신사업(산업융합원천기술개발사업)의 일환으로 진행되는 5년 간의 연구프로젝트에 참여하고 있다. 구체적으로 본 연구프로젝트에서는, 연세대, 포항공대 및 한국기초과학지원연구원과 함께 팀을 이루어, 반금속 물질을 이용한 고성능 MRAM 의 단위 소자인 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) stack 의 소재 기술, 스위칭 기술, 식각 기술, 및 특성 평가 기술 등을 협력적으로 연구하고 있다. 특히 본 연구실에서는 식각 공정 연구에 대한 다년간의 경험과 노하우를 토대로, 반금속 물질 및 MTJ stack 의 효과적인 식각 기술 개발에 초점을 맞추어 집중적으로 연구를 진행하고 있다.

 

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※ 에어로졸 젯 증착법을 이용한 Cu(In,Ga)(Se,S)2 박막증착 공정개발을 통한 저비용 고효율 차세대 박막 태양전지 개발

(한국학술재단 지역대학우수과학자지원; 2009.05~2012.04) 

 

  현재까지 연구된 태양전지의 종류로는 실리콘 태양전지, 화합물 태양전지 그리고 유기 태양전지가 있는 데, 그 가운데서 실리콘 태양전지는 가장 먼저 개발되어 실용화 되었으며 전기에너지로의 에너지 전환효율은 약 15~24%를 보이나 고가인 문제가 있으며 박막 실리콘 태양전지는 실리콘 태양전지에 비하여 저가이나 10~17%의 다소 낮은 효율을 보이고 있다. 유기분자 태양전지(Organic D-A solar cell)와 염료감응 태양전지(Dye-sensitized solar cell) 등을 포함하는 유기 태양전지(organic solar cell)는 저비용의 장점은 있으나 3~10%의 낮은 효율로 아직 상용화와는 거리가 있다. 반면에 현재 화합물 태양전지는 약 10~19%의 다소 높은 전환효율을 보이고 있으나 제조 단가가 고비용이며 복잡한 제조 공정이 필요하다는 단점이 있다. 이 가운데서 실리콘 및 실리콘 박막 태양전지가 가장 높은 에너지변환효율을 보이고 있으나 가장 고가이며 비용의 절감이 현재 한계에 다다른 상황이다. 반면에 화합물 박막태양전지는 비교적 높은 효율을 보이고 있으며 저비용의 가능성이 있기 때문에 현재 많은 주목을 받고 있으며 활발한 연구가 국내외적으로 시작되고 있는 상황이다. 특히 I-III-VI Cu(In,Ga)(Se,S)2 박막 태양전지는 현재 10~19%의 에너지 전환효율을 보이고 있으나 공정이 다소 복잡하며 고비용인 단점이 있으나 박막의 증착공정을 단순화하여 저비용화가 가능하다면 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 박막태양전지로 크게 각광을 받을 수 있다.

 

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태양전지용 투명전극 물질개발 및 박막증착 공정연구

(연구년기업애로기술지원 과제)

 

 태양전지는 미래의 에너지원으로서 가장 주목받고 있는 신재생에너지의 한 종류이다. 태양전지는 크게 실리콘 태양전지, 화합물 반도체 태양전지, 그리고 유기 태양전지 등의 3종류로 구분할 수 있으며 현재 실리콘 태양전지 및 GaAs (III-VI), Cu(In,Ga)(Se,S)2 (I-III-VI)의 화합물 반도체 태양전지등이 연구가 진전되어 상용화되고 있다. 최근에는 차세대 태양전지의 후보로서 염료감응형 및 유기고분자를 이용하는 유기 태양전지등이 연구되고 있다. 이러한 모든 태양전지들은 반드시 투명 전도성 산화물 (transparent conducting oxide: TCO) 전극을 필요로 한다. 현재에는 ITO (Indium-doped Tin Oxide), ZnO 및 FTO (Fluorine-doped Tin Oxide) 등이 주로 사용되고 있으나 높은 투과도, 낮은 저항도 및 저온공정 가능성을 가진 새로운 투명전극 물질의 개발이 요구되고 있으며 이들 물질의 박막증착 공정개발이 필요하다. 본 연구에서는 새로운 투명전극 물질로서 IZO (Indium-doped Zinc Oxide) 및 AZO (Aluminum-doped Zinc Oxide) 가 선택되어 수행되었고 지속적으로 새로운 투명전극 물질의 개발 및 특성 개선을 목표로 연구가 진행되고 있다. 특히 유연한 기판을 이용하는 태양전지에는 저온공정이 가장 중요한 인자로서 새로운 우수한 특성의 투명전극이 필요로 하게 된다. 이러한 투명전극은 태양전지 뿐만 아니라 디스플레이소자의 투명전극으로 응용이 가능하다.

 

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