국내 연구진이 반도체 미세 공정에 대한 화학적 이해를 넓혀 반도체 소자 및 공정 기술 혁신의 길을 열었다.
오일권 아주대 전자공학과 교수는 17일 반도체 원자층 증착 공정에서 표면 분자 흡착 메커니즘을 확인하고, 이를 통해 분자 흡착을 조절할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.
이번 연구는 현재 반도체 양산에 적용된 공정 기술 중 하나인 '원자층 증착법' 세부 메커니즘에 대한 의문에서 시작됐다. '원자층 증착법'이란 분자들의 자기 제한 표면 반응(self-limiting)을 기반으로, 박막을 원자 단위에서 균일한 고품질로 증착하는 방법이다. 원자층 증착법을 통해 매우 얇은 원자 단위 두께 층을 실리콘 웨이퍼 같은 평평한 물질에 소자 손상 없이 균일하게 증착할 수 있다.
특히 표면 분자 흡착 반응 메커니즘을 이해하고, 반응 자체를 적절하게 조절할 수 있는 고품질 박막을 얻을 수 있다. 이에 반도체, 디스플레이 분야뿐만 아니라 나노 신소재, 바이오와 에너지 등 분야에서도 높은 관심을 받고 있다.
오 교수는 앞서 수년 동안 연구해온 시리즈 전구체 두 군을 이용해 원자층 증착 공정에서 표면 반응에 대해 규명했다. 예를 들어 Al(CH3)xCl3-x시리즈 군은 분자 사이즈는 비슷하나 반응성이 다르다. Al(CyH2y+1)3 시리즈 군은 반응성이 비슷하지만 사이즈가 다르다. 이에 어떤 인자가 원자층 공정에서 표면 흡착 반응에 영향을 미치는지 설명할 수 있다.
연구팀은 원자층 증착 공정에 대한 실험적 접근과 함께 양자 화학 계산 연구를 병행, 분자 레벨에서 표면 반응에 대해 연구했다. 이에 분자 반응성이 큰 Al(CH3)3 분자의 경우 여러 단계를 거쳐 표면과 반응한다는 점을 확인했다.
반면 분자 반응성이 낮은 AlCl3 분자의 경우 1종 리간드만 표면과 반응해 표면 덮힘률이 낮았으며, 박막 성장률 또한 낮은 것을 확인했다. 또 분자 사이즈가 큰 Al(C2H5)3의 경우 반응성이 커 2종 리간드가 표면반응에 참여하지만, 남아있는 리간드인 C2H5의 경우 크기가 커 성장이 천천히 일어나는 것을 확인했다.
이번 연구는 '시리즈 전구체, Al(CH3)xCl3-x and Al(CyH2y+1)3 기반 Al2O3 원자층 증착 공정 반응 메커니즘 연구'라는 논문으로 미국 화학 분야 학술지 '저널 오브 더 아메리칸 케미컬 소사이어티(Journal of the American Chemical Society)' 표지 논문으로 지난달 출간했다.
오일권 교수가 제1저자로 참여했고, 스테이시 벤트 미국 스탠포드대학 화학공학과 교수 연구팀과 타니아 산도발 칠레 산타마리아 기술 대학 화학·환경공학과 교수가 함께 참여했다.
오 교수는 “원자층 증착법은 현재 반도체 양산에 활용되고 있는 공정기술로, 그동안 많은 연구자들이 다양한 물질에 대해 연구해 왔다”며 “이번 연구를 통해 표면 분자 반응 조절 메커니즘을 밝힘으로써 반도체 소자 제작에 있어 박막의 질과 특성 디자인에 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.
수원=김동성기자 estar@etnews.com
