사진설명: 응용소재공학과 하지훈 석사과정생과 신소재공학과 김정환 교수

국립한밭대학교(총장 오용준) 신소재공학과 김정환 교수 연구팀(제1저자 하지훈 석사과정생)이 급속열처리(Rapid Thermal Annealing, RTA) 공정에서 산소압력을 정밀하게 제어함으로써 차세대 디스플레이와 3차원 메모리 등에 활용되는 산화물 반도체의 결함을 효과적으로 감소시키고 소자 성능을 향상시킬 수 있음을 규명했다.

이번 연구는 대표적인 산화물 반도체인 산화아연(ZnO) 박막트랜지스터를 대상으로 수행됐으며, 새로운 소재를 도입하거나 복잡한 추가 공정을 적용하지 않고도 열처리 과정에서 산소압력만 제어해 소자 성능을 개선할 수 있는 실용적인 공정 최적화 방안을 제시했다는 점에서 의미가 크다.

산화물 반도체는 우수한 전기적 특성과 저온 공정 가능성을 바탕으로 차세대 디스플레이, 3차원 메모리, 뉴로모픽 소자 등 미래 반도체 기술의 핵심 소재로 주목받고 있다. 그러나 박막의 미세구조와 결함 상태에 따라 소자 성능이 크게 달라지기 때문에 정밀한 결함 제어가 필수적이다. 기존 연구는 주로 열처리 온도나 분위기 가스 조성 변화에 초점을 맞춰 진행돼 왔으며, 동일한 산소 분위기에서도 산소압력 변화에 따라 박막 품질과 소자 특성이 달라질 수 있다는 점은 충분히 규명되지 않았다.

이에 김정환 교수 연구팀은 원자층증착(ALD) 공정으로 제작한 산화아연 박막트랜지스터를 대상으로 급속열처리 공정에서 산소압력을 핵심 변수로 설정하고, 이에 따른 박막 특성과 소자 성능 변화를 체계적으로 분석했다.

연구 결과, 산소압력 제어만으로도 박막 내 결함을 효과적으로 감소시키고 전하 이동 특성을 향상시킬 수 있음을 확인했다. 또한 결함 저감과 소자 성능 향상을 동시에 달성하기 위해서는 산소압력 최적화가 중요한 공정 변수임을 규명했다.

김정환 교수는 “이번 연구는 열처리 온도나 분위기 가스 조성 변화를 중심으로 한 기존 접근에서 벗어나 산소압력 제어만으로도 반도체 특성과 소자 성능을 효과적으로 개선할 수 있음을 보여준 성과”라며 “향후 차세대 디스플레이와 3차원 메모리 등 다양한 산화물 반도체 기반 소자의 공정 최적화와 생산성 향상에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

한편 이번 연구 성과는 ‘Oxygen-Pressure-Controlled Rapid Thermal Annealing for Defect Modulation and Performance Optimization in ALD ZnO Thin-Film Transistors’라는 제목으로 재료과학 및 코팅·박막 분야의 국제 저명 학술지 Applied Surface Science(IF 6.9, JCI Percentile 97.9%)에 지난 9일 온라인 게재됐다.