반도체 미세공정 기술 혁신 이끌 분자 흡착 메커니즘 규명

아주대학교 오일권 교수가 반도체 미세 공정에 대한 화학적 이해를 넓혀 반도체 소자 및 공정 기술 혁신의 길을 열었다. 한계에 도달한 반도체 미세화 및 다층화 기술에 새로운 해결책이 될 수 있다는 점에서 앞으로 차세대 반도체 공정 기술의 원천 기술로 활용될 전망이다. 

오일권 교수(전자공학과)는 반도체 원자층 증착 공정에서 표면 분자 흡착의 메커니즘을 확인하고, 이를 통해 분자 흡착을 조절할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 관련 논문은 미국 화학 분야 최고 권위의 학술지인 <저널 오브 더 아메리칸 케미컬 소사이어티(Journal of the American Chemical Society)> 표지 논문으로 7월6일 출간됐다. 

오일권 아주대 교수가 제1저자로 참여했고, 미국 스탠포드대학(Stanford University)의 스테이시 벤트(Stacey F. Bent) 교수(화학공학과) 연구팀과 칠레 산타마리아 기술 대학(Universidad Técnica Federico Santa María)의 타니아 산도발 교수(화학·환경공학과)가 함께 참여했다. 

이번 연구는 현재 반도체 양산에 적용된 공정 기술 중 하나인 ‘원자층 증착법’의 세부 메커니즘에 대한 의문에서 시작됐다. ‘원자층 증착법’이란 분자들의 자기 제한 표면 반응(self-limiting)을 기반으로 하여, 박막을 원자 단위에서 균일한 고품질로 증착하는 방법이다. 원자층 증착법을 통해 매우 얇은 원자 단위 두께의 층을 실리콘 웨이퍼 같은 평평한 물질에 소자의 손상 없이 균일하게 증착할 수 있다. 

이에 표면 분자 흡착 반응의 메커니즘을 이해하고, 더 나아가 반응 자체를 적절하게 조절할 수 있다면 고품질의 박막을 얻을 수 있어 반도체나 디스플레이 분야뿐 아니라 나노 신소재, 바이오와 에너지 등의 분야에서도 높은 관심을 받고 있다. 

더욱이 반도체의 경우, 소자의 크기가 미세화됨에 따라 관련 공정에서 반도체 소자의 품질은 소자의 구조 및 물질, 더 나아가 관련 장비의 영향을 받고 있다. 현재 전 세계적으로 반도체 소자의 미세화와 다층화 기술이 한계에 도달하고 있어, 이제는 박막 제조 공정에서 사용하는 분자 및 표면 반응의 조절까지 필요해진 시점이다.

기존에는 원자층 증착 공정에 있어 원자층 표면의 화학 반응성이 높으면 반응이 잘 일어나 박막의 성장이 빠른 것으로, 분자의 사이즈가 크면 주변의 반응기 반응기를 가려 박막의 성장 속도를 낮춘다고 알려져 있었다. 이에 연구팀은 원자층과 관련한 반응과 세부 메커니즘을 파악할 수 있다면, 이를 응용하여 분자의 표면 흡착 반응을 조절할 수 있을 것으로 예상했다. 

이러한 메커니즘을 파악하기 위해서는 또한 시리즈 전구체에 대한 연구가 필수적이다. 전구체(Precursor)는 반도체 웨이퍼에 박막을 쌓아 올리는 증착 공정에 사용되는 원료로, 화학 반응에 참여하는 화합물을 말한다. 반도체가 미세화될수록 집적도는 향상되고, 박막의 두께는 줄어 들어야 하기 때문에 전구체의 중요도가 높아진다. ‘시리즈 전구체’란 같은 메탈 센터를 갖고 있는 전구체에, 주변을 감싸고 있는 리간드의 종류가 하나씩 순차적으로 바뀌는 전구체의 한 종류를 말한다.  

오일권 교수는 앞서 수년 동안 연구해온 시리즈 전구체의 두 군을 이용, 원자층 증착 공정에서의 표면 반응에 대해 규명해냈다.  연구팀은 원자층 증착 공정에 대한 실험적 접근과 함께 양자 화학 계산 연구를 병행, 분자 레벨에서 표면의 반응에 대해 연구했다. 이에 분자의 반응성이 큰 Al(CH3)3 분자의 경우. 여러 단계를 거쳐 표면과 반응한다는 점을 확인했다. 여러 단계를 거친 뒤에 남아있는 리간드의 수가 적으므로, 표면에 남는 분자의 크기 역시 작아지고, 결국 표면의 덮힘률(areal coverage)이 증가함으로써 최종적으로 성장률 증가로 이어짐을 밝혀낸 것.

반면 분자의 반응성이 낮은 AlCl3 분자의 경우 1종의 리간드만 표면과 반응하여 표면 덮힘률이 낮았으며, 박막의 성장률 또한 낮은 것을 확인했다. 또, 분자의 사이즈가 큰 Al(C2H5)3의 경우 반응성이 커서 2종의 리간드가 표면 반응에 참여하지만, 남아있는 리간드인 C2H5의 경우 크기가 커서 성장이 천천히 일어나는 것을 확인했다.

오일권 교수는 “원자층 증착법은 현재 반도체 양산에 활용되고 있는 공정 기술로, 그동안 많은 연구자들이 다양한 물질에 대해 연구해 왔다”며 “이번 연구는 표면 공학에 대해 여러 인자를 종합적으로 파악해 이론·실험을 병행했다는 점에서 그 의미가 있다”고 설명했다.

이어 “반도체 전자 소자가 미세화됨에 따라, 반도체 소자의 특성은 박막뿐만이 아니라 분자층 표면 반응과 반응 케미컬의 특성에 영향을 받는 상황이 됐다”며 “이번 연구를 통해 표면 분자 반응 조절의 메커니즘을 밝힘으로써, 앞으로 반도체 소자 제작에 있어 박막의 질 및 특성 디자인에 활용할 수 있을 것으로 전망한다”고 덧붙였다. 

이번 연구는 반도체 소재 및 재료, 화학적 특성에 대한 학제간 융합 연구로 한국연구재단이 지원하는 기초연구실 사업으로 수행됐다. 

오일권 교수는 3차원 반도체 소자와 반도체 공정, 원자층 증착법에 대한 연구를 진행하고 있다. 앞서 2021년에는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 ‘집단연구지원사업 기초연구실 신규 과제’에 아주대학교 전자공학과 김상인·이재진 교수와 함께 선정(셀프 믹싱 센서용 표면 방출 박막 레이저 연구실)되기도 했다.

오일권 교수의 연구성과가 표지 논문으로 선정된 <저널 오브 더 아메리칸 케미컬 소사이어티(Journal of the American Chemical Society)> 표지. 

논문의 제목은 ‘시리즈 전구체, Al(CH3)xCl3-x 와 Al(CyH2y+1)3 기반의 Al2O3 원자층 증착 공정의 반응 메커니즘 연구'다.