아주대 오일권 교수, 반도체 미세공정 기술혁신 분자흡착 메커니즘 규명

'저널 오브 더 아메리칸 케미컬 소사이어티' 7월 표지논문 선정

반도체 미세화 기술의 한계 극복 위한 공정·소재 설계에 활용 기대

[수원=뉴시스] 오일권 아주대학교 전자공학과 교수. (사진=아주대 제공) 2022.08.17. [email protected] *재판매 및 DB 금지

[수원=뉴시스] 박종대 기자 = 국내 연구진이 반도체 미세 공정에 대한 화학적 이해를 넓혀 반도체 소자 및 공정 기술혁신의 길을 열었다.

17일 아주대학교 오일권 전자공학과 교수에 따르면 반도체 원자층 증착 공정에서 표면 분자 흡착의 메커니즘을 확인하고, 이를 통해 분자 흡착을 조절할 수 있는 기술을 개발했다.
 
이번 연구는 현재 반도체 양산에 적용된 공정 기술 중 하나인 ‘원자층 증착법’의 세부 메커니즘에 대한 의문에서 시작됐다.

‘원자층 증착법’은 분자들의 자기 제한 표면 반응(self-limiting)을 기반으로 해 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.

특히 표면 분자 흡착 반응의 메커니즘을 이해하고, 더 나아가 반응 자체를 적절하게 조절할 수 있다면 고품질의 박막을 얻을 수 있다.

이 때문에 반도체나 디스플레이 분야를 비롯해 나노 신소재, 바이오와 에너지 등의 분야에서도 높은 관심을 받고 있다.

연구팀은 원자층과 관련한 반응과 세부 메커니즘을 파악할 수 있다면, 이를 응용해 분자의 표면 흡착 반응을 조절할 수 있을 것으로 예상했다.

오 교수는 앞서 수년 동안 연구해온 시리즈 전구체의 두 군을 이용해 원자층 증착 공정에서의 표면 반응에 대해 규명해냈다.

예를 들어 Al(CH3)xCl3-x시리즈의 군은 분자 사이즈는 비슷하나 반응성이 다르다.

또 Al(CyH2y+1)3 시리즈의 군은 반응성이 비슷하지만 사이즈가 다르다.

이에 어떠한 인자가 원자층 공정에서의 표면 흡착 반응에 영향을 미치는지 설명할 수 있다.

연구팀은 원자층 증착 공정에 대한 실험적 접근과 함께 양자 화학 계산 연구를 병행해 분자 레벨에서 표면의 반응을 연구했다.

[수원=뉴시스] 오일권 아주대학교 교수 연구논문 게재된 저널 표지. (사진=아주대 제공) 2022.08.17. [email protected] *재판매 및 DB 금지

이에 분자의 반응성이 큰 Al(CH3)3 분자의 경우 여러 단계를 거쳐 표면과 반응한다는 점을 확인했다.

여러 단계를 거친 뒤에 남아있는 리간드의 수가 적기 때문에 표면에 남는 분자의 크기도 작아지고, 결국 표면의 덮힘률이 증가함으로써 최종적으로 성장률 증가로 이어짐을 밝혀낸 것이다.

반면 분자의 반응성이 낮은 AlCl3 분자의 경우 1종의 리간드만 표면과 반응해 표면 덮힘률이 낮았으며, 박막의 성장률도 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.

관련 내용은 ‘시리즈 전구체, Al(CH3)xCl3-x and Al(CyH2y+1)3 기반의 Al2O3 원자층 증착 공정의 반응 메커니즘 연구’라는 제목의 논문으로 미국 화학 분야 최고 권위의 학술지인 ‘저널 오브 더 아메리칸 케미컬 소사이어티’ 표지 논문으로 지난 달 6일 출간됐다.

오 교수가 제1저자로 참여했고, 미국 스탠포드대학의 스테이시 벤트 화학공학과 교수 연구팀과 칠레 산타마리아 기술 대학의 타니아 산도발 화학·환경공학과 교수가 함께 참여했다.

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

오 교수는 “이번 연구는 표면 공학에 대해 여러 인자를 종합적으로 파악해 이론·실험을 병행했다는 점에서 그 의미가 있다”며 “이번 연구를 통해 반도체 소자 제작에 있어 박막의 질 및 특성 디자인에 활용할 수 있을 것으로 보인다”고 말했다.

현재 오 교수는 3차원 반도체 소자와 반도체 공정, 원자층 증착법에 대한 연구도 진행하고 있다.

그는 2021년 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 ‘집단연구지원사업 기초연구실 신규 과제’에 아주대 전자공학과 김상인·이재진 교수와 함께 선정되기도 했다.


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