표준연, 실리콘 웨이퍼 위의 마지막 원자결함 규명
이번 결과는 물리학 분야 세계 최고 권위 논문지인 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 게재됐다.
최근 반도체 공정은 눈부신 기술발달을 이루어 현재는 원자층 단위에서 공정이 이루어진다. 하지만 엄격한 품질제어가 이루어지지 않을 경우 원재료인 실리콘 웨이퍼 표면에 많은 결함이 발생하고 이로 인해 약간만 수율이 떨어져도 반도체 관련 산업체에 수 백 억 원 이상의 경제적 손실이 발생할 수 있다.
초정밀 측정기술을 바탕으로 이러한 문제들을 해결하기 위해 구자용 박사팀이 나섰다. 구 박사팀은 자체 기술로 개발한 주사관통 현미경(STM, Scanning Tunneling Microscope)을 이용해 1백조 분의 1기압의 초고진공 환경에서 실리콘 웨이퍼 위에 결합된 물분자 하나씩을 관찰하고 실리콘 원자의 개수와 비교하는 초정밀 측정을 통해 물분자가 실리콘 웨이퍼 위에서 자발적으로 분해되어 실리콘 원자들과 결합하는 과정과 결합 후의 원자구조를 밝혀냈다.
또한 슈퍼컴퓨터를 이용한 대규모의 정밀한 이론계산을 통해 이러한 생성과정을 입증했다.
구박사는 “반도체의 원재료인 순수한 실리콘 웨이퍼 표면에서 발생할 수 있는 몇 가지 다른 결함들은 기존 연구들을 통해 규명된 바 있다. 하지만 이번 연구결과는 수 십 년 동안 논란이 되었던 초고진공환경의 잔류수분에 의해 생성되는 원자의 마지막 점결함 문제를 밝혀냈다는 점에서 그 의미가 크다”고 설명했다.
이번 연구결과를 통해 그동안 원인을 알지 못해 발생했던 반도체 소자의 수율저하문제를 해결함으로써 고성능 소자를 개발·생산하는 관련 반도체 업체의 산업경쟁력 강화에 크게 기여할 것으로 전망된다.
앞으로 구박사팀은 단원자층 산화막의 생성과정을 밝혀내 더욱 양질의 초박막 산화막 형성이 가능하도록 한다는 계획이다.
실리콘 반도체를 생산하기 위해서는 고품질의 산화막이 필수적이며, 이 물질을 얼마나 얇게 제조하느냐가 고성능의 반도체 품질을 결정한다.
이를 위해 최근에는 고온에서 실리콘 웨이퍼와 수증기를 반응시켜 산화막을 만든다. 그러나 원자 수준에서의 산화막 형성 과정은 아직 명쾌하게 규명되어 있지 않아 반도체 공정 시 고성능의 제품을 만드는데 장애요인으로 작용하고 있다.
앞으로 구박사팀은 실리콘 웨이퍼 내부에 주입하는 필수 불순물들의 개별 원자거동을 규명해 나노미터 수준의 크기를 가지는 고성능/고품질 반도체 소자의 공정개선을 위해 지속적인 연구를 수행할 계획이다.
현재 반도체 소자를 만들기 위해서는 실리콘 내부에 필수 불순물들을 주입해야 한다. 그러나 주입된 각 불순물 원자들의 거동이 실리콘 원자들 사이에서 어떻게 변화하는가를 밝히는 것이 기존의 기술로는 불가능했다.
또한 미래에는 유기물 분자를 이용한 전자소자가 이용될 것으로 예측됨에 따라 유기물과 반도체 사이의 이상적인 무결함 접합을 위해서도 연구를 진행하고 있다.
한국표준과학연구원 개요
국가측정표준 정점이며 가장 앞서가는 측정을 연구하는 대덕연구단지내의 출연연구기관입니다.
웹사이트: http://www.kriss.re.kr
연락처
한국표준과학연구원 홍보팀 강수정 042-868-5592 016-301-5959 이메일 보내기 Fax: 042-868-5595
