'임계 거칠기'로 반도체 공정관리의 새로운 기준 제시

[아이뉴스24 최상국 기자] 반도체 제조공정에서의 대표적 품질문제인 누설전류를 사전에 파악할 수 있는 새로운 개념이 제시됐다.

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박상열) 나노구조측정센터 신채호 책임연구원팀은 박막층이 겹겹이 쌓인 다층 반도체에서 하부층 박막 표면의 거칠기가 특정 수치에 도달할 경우 상부층에 영향을 미쳐 누설전류가 발생한다는 사실을 밝혀냈다.

연구팀은 이를 '임계 거칠기(Critical roughness, CR)로 명명하고 반도체 공정관리의 새로운 표준으로 제시했다.

지금까지 다층 반도체 공정에서는 두께 측정만 관리돼 왔다. 누설전류와 같이 박막층 사이 표면의 문제로 발생하는 품질문제는 제작 단계에서 파악할 수 없었다.

제작 단계에서부터 반도체 층의 표면 문제를 파악하기 위해서는 문제점을 정확히 규정할 수 있는 관리기준은 물론, 나노미터 수준의 초박막층을 측정할 수 있는 고도화된 기술이 필요하다.

연구팀은 층과 층 사이에서 발생하는 문제를 잡기 위해 두께가 아닌 표면의 거칠기에 초점을 맞추고 인위적으로 표면 거칠기를 통제해 하부층 거칠기와 상부층 사이의 상관관계를 파악했다. 측정에는 표준과학연구원이 개발한 원자힘현미경을 사용했다.

원자힘현미경(Atomic Force Microscope, AFM)은 대표적인 나노미터 수준 관찰장비다. 시각장애인이 대상을 손으로 더듬으며 정보를 파악하듯, 원자힘 현미경은 탐침이 물질을 눌러 훑으면서 원자의 힘을 이용하여 3차원 영상을 얻을 수 있다.

임계 거칠기의 정의에는 실리콘(하부층)과 하프늄(상부층)을 사용했다. 실리콘 표면의 거친 정도가 특정 임계점을 넘으면 상부에 위치한 하프늄에 영향을 미치기 시작하는데, 연구팀은 이 지점에서 누설전류가 발생한다는 사실을 밝혀냈다.

연구팀은 임계 거칠기 개념의 검증을 위해 한국기초과학지원연구원 김정환 박사팀, 미국 브루커(BRUKER)社 반도체 팀과 협력해 실제 반도체 양산 측정 장비를 통해 검증을 진행했다.

신채호 책임연구원은 “글로벌 반도체 업체의 생산 라인에서 사용하는 원자힘현미경에 연구결과를 적용한 결과, 임계 거칠기를 업체의 새로운 관리기준으로 사용할 수 있다는 사실을 확인했다. 국제 표준 용어로도 등록이 기대돼 임계 거칠기는 새로운 공정 기준으로서 차세대 반도체의 생산성을 크게 올릴 것”이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 국제학술지 사이언티픽 리포트 (Scientific Reports)와 울트라마이크로스코피 (Ultramicroscopy)에 게재됐다.

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