[첨단 헬로티]

반도체 공정 중 박막 증착 공정은 실리콘 웨이퍼 위에 얇은 층 형태의 박막을 단계적으로 겹겹이 쌓아가는 핵심공정이다.

박막은 반도체 회로 간의 구분과 연결, 보호 역할을 담당하며, 박막을 최대한 얇고 균일하게 형성할수록 반도체 품질이 향상된다. 그런데 박막의 두께가 1㎛ 이하로 매우 얇아 이를 구현하는 것은 기술적 난이도가 높은 공정이며, 이 때문에 박막 형성 상태를 수시로 측정하고 확인하는 작업이 중요하다.

 

한국생산기술연구원(이하 생기원)이 화학기상증착(가스의 화학 반응을 이용해 수증기 형태로 박막을 쌓는 화학적 증착 방식) 장비 내부에서 웨이퍼 위에 박막이 형성되는 전 과정을 실시간으로 관찰하고 측정·분석할 수 있는 ‘화학증착소재 실시간 증착막 측정 시스템’을 세계 최초로 개발했다.

기존에는 박막이 제대로 증착됐는지 여부를 확인하기 위해 해당 장비에서 박막을 꺼낸 뒤 별도의 분석기기로 검사해야 했다.

하지만 그 과정에서 박막이 대기 중에 존재하는 산소나 수분과의 접촉으로 변질되어 분석 결과의 신뢰성이 훼손될 수 있고, 박막에 불량이 발생한 경우 원인 규명이 어렵다는 문제점이 있었다.

▲개발된 화학증착소재 실시간 증착막 측정 시스템. 가운데 큰 원통 모양의 화학기상증착 장비에 오른쪽에 위치한 라만 광원 기반의 실시간 측정·분석 장치가 결합되어 있다.

생기원 고온에너지시스템그룹 허훈 박사 연구팀은 화학기상증착 장비 내부에 박막 소재의 증착 과정을 측정·분석할 수 있는 In-situ(‘용기 내에서’ 라는 의미의 장비 관련 용어로, 반의어는 Ex-situ) 라만 분광(Raman spectroscopy) 장치를 설치해 이 같은 문제점을 해결해냈다.

설치된 In-situ 라만 분광 장치는 단색광을 기체 또는 투명한 액체·고체에 쬐면 산란광 속에 파장이 약간 다른 빛이 생기는 라만 효과를 기반으로 한다.

라만 효과에 의해 발생하는 특수한 빛의 배열인 ‘라만 스펙트럼’을 활용하면, 장비 내부에서 바로 박막 소재의 농도나 결정구조, 결정성 등 다양한 물성 정보를 실시간 파악할 수 있다. 또한 화학 증착에 필요한 화합물 및 반응가스, 박막 성장 온도나 시간 등 여러 변수를 측정·분석해 공정도 최적화할 수 있다.

▲박막 소재가 증착된 실리콘 웨이퍼

연구팀은 한걸음 더 나아가 박막 물성 분석결과를 기반으로 유전율(Permittivity)을 유추할 수 있는 분석기법도 개발했다. 유전율이란 전기장을 가했을 때 전기적 성질을 띤 분자들이 정렬해 물체가 전기를 띠는 현상이 발생하는 정도를 말한다.

유전율 분석결과는 고집적화와 고속화 구현에 유리한 저유전율 특성을 지닌 반도체 물질을 개발하는 데 활용된다.

연구팀은 구축한 시스템을 통해 저 유전율 반도체 물질을 증착시켜 그 과정과 처리조건에 따른 물성변화를 라만 스펙트럼으로 실시간 분석하는 데 성공, 신규 박막 소재의 개발 가능성을 높였다.