나노미터 급 산화막의 절대두께 측정법으로 반도체 난제 해결
나노미터 급 산화막의 절대두께 측정법으로 반도체 난제 해결
  • 강지희
  • 승인 2019.12.23 16:05
  • 조회수 982
  • 댓글 0
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반도체와 디스플레이 자유곡면의 결함을 사진 한 장으로 찾아낼 수 있습니다. 출처: fotolia
반도체, 해결해야할 점이 많다. 출처: fotolia

한국표준과학연구원(KRISS)이 국내 중소기업 기술로 개발한 첨단 측정장비를 통해 반도체 측정 난제를 푸는 데 성공했습니다. KRISS 나노구조측정센터 김경중 책임연구원팀은 국산 장비인 중에너지이온산란분광기(MEIS)를 이용해 나노미터(nm)급 산화막의 절대 두께를 측정할 수 있는 '상호보정법'을 완성했습니다. 이번 연구성과로 수입 의존도가 높은 반도체 장비 시장에서 국산 장비의 우수성을 알리고 보급을 활성화할 수 있을것으로 기대됩니다. 해당 연구 논문은 <Metrologia>에 게재됐습니다.

  • 절대 두께(absolute thickness)? 

다른 요소에 영향을 받지 않는 실제 두께를 말합니다. 상대 두께와 대조됩니다.

산화막 두께 측정 제대로 못하면, 수천만 원대 피해 초래

 

웨이퍼는 반도체 공정에서 집적회로를 만드는 데 사용하는데요. 웨이퍼는 표면에 얇고 균일한 산화막을 형성하는 것이 매우 중요합니다. 산화막은 웨이퍼 표면을 보호함과 동시에 전류의 흐름을 제어하는 역할을 합니다. 산화막이 형성된 웨이퍼 위에 반도체 설계 회로가 그려지죠.

 

따라서 산화막의 두께를 유지하고 정확히 측정하는 것은 반도체의 수율을 결정짓는 핵심 요인으로 꼽힙니다. 실제로 산화막 문제로 12인치 웨이퍼 한 장만 결함이 발생해도 약 수천만 원대의 피해를 초래할 수 있습니다. 현재 현장에서는 1nm 내외의 산화막 두께를 4% 이하 불확도로 정확하게 측정해야만 반도체 품질 유지가 가능하다고 판단하고 있습니다.

MEIS K-120에 의해 측정된 6개 HfO2 박막의 MEIS 스펙트럼. 출처: KRISS
MEIS K-120에 의해 측정된 6개 HfO2 박막의 MEIS 스펙트럼. 출처: KRISS

지금까지 반도체 공정에서는 투과전자현미경(TEM), 분광타원계측기(SE), 엑스선반사측정기(XRR) 등으로 산화막 두께를 측정했는데요. 문제는 이렇게 측정한 산화막의 두께가 실제 두께와 큰 차이를 보였다는 겁니다. 이는 장비 사용이 어렵고 품질 확보에도 불확실성이 생기게 만들죠. 산화막 측정은 반도체 소자 제작에서 커다란 근심거리로 남아있었습니다.

 

10년 연구 끝에 오차 없는 '상호보정법' 개발

HfO2 박막의 기준 두께와 MEIS로 측정한 두께의 선형 피팅 결과. 출처: KRISS

KRISS 김경중 책임연구원팀은 측정기술인 상호보정법을 2008년 처음 제시했습니다. 그리고 10년 이상의 연구 끝에 연구팀은 완벽한 산화막 절대두께 측정기술을 완성했습니다. 참고로 상호보정법은 2가지 방법을 사용해 측정결과의 정확도를 높이는 기술을 말합니다. 연구팀은 이번 기술에 국내 중소기업 케이맥㈜의 MEIS 장비를 활용했습니다. 연구팀은 먼저 재현성이 좋은 MEIS로 산화막 두께를 측정했습니다. 그 다음 길이 단위의 소급성을 갖는 TEM의 측정 결과로 보정했죠.

국내 중소기업 케이맥(주)이 개발한 중에너지이온산란분광기 MEIS K-120. 출처: KRISS
국내 중소기업 케이맥(주)이 개발한 중에너지이온산란분광기 MEIS K-120. 출처: KRISS

이번 성과는 이미 검증된 측정 결과와의 비교를 통해 그 우수성이 입증됐습니다. 국제도량형위원회(CIPM) 물질량자문위원회(CCQM)가 주관하는 세계 측정표준기관들의 공동연구에서 결정된 하프늄산화막(HfO2)의 두께와 연구팀이 측정한 두께를 비교했는데요. 비교 결과 연구팀은 해당 기술이 1% 수준의 차이에서 정확하게 일치함을 확인했습니다.

nm 산화막 두께측정법인 상호보정법 개요. 출처: KRISS

 

어디에 활용할 수 있을까요

 

연구팀의 기술은 다음 세 가지로 활용이 가능합니다. 첫 번째는 '반도체 소자 제작공정의 측정기술로의 활용'입니다. MEIS 장비는 나노미터급 두께 박막의 조성, 분포도, 결정구조 및 두께에 관한 정보를 원자층의 깊이 분해능으로 분석할 수 있습니다. 덕분에 반도체를 포함한 첨단소자 제작 공정의 측정 장비로 활용될 수 있습니다.

 

두 번째는 '다양한 두께측정 장비의 두께-단위 보정'입니다. 상호보정법은 길이-단위 소급성을 갖는 두께측정법과 제로-오프셋 두께측정법의 장점을 이용해 서로 간의 단점을 보정해줍니다. 때문에 모든 두께측정 장비를 보정해 줄 수 있습니다. 예를 들어 TEM 및 XRR의 경우 오프셋 값을 보정하면 됩니다. XPS나 MEIS의 경우 두께단위를 보정해주면 되죠. 따라서 모든 두께측정 장비를 활용할 수가 있게 됩니다.

 

세 번째는 '초박막 두께 측정용 인증표준물질의 두께 인증'입니다. 첨단 소자를 제작할 시에는 초박막 두께 측정용 인증표준물질을 이용해 두께측정의 소급성을 확보해야 합니다. 때문에 반도체 및 디스플레이와 같은 첨단 소자 제작에 사용하는 두께측정 장비의 신뢰성을 높일 수 있습니다.

KRISS 나노구조측정센터 김경중 책임연구원(위쪽)이 케이맥(주) 연구팀과 초박막 두께측정결과를 살펴보고 있다
KRISS 나노구조측정센터 김경중 책임연구원(위쪽)이 케이맥(주) 연구팀과 초박막 두께측정결과를 살펴보고 있다. 출처: KRISS

KRISS 김경중 책임연구원은 "일본의 수출규제 등으로 인한 경제 위기 상황에서 반도체 소재 개발을 위해 국가측정표준기관이 나선 좋은 사례"라며 "중소기업과의 협력으로 탄생한 이번 기술은 반도체 산업 현장에 활용돼 차세대 반도체 소자의 생산 수율을 크게 향상시킬 것"이라고 강조했습니다.

 

##참고자료##

 


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