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표준硏, 중소기업 장비로 반도체 난제 해결

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표준硏, 중소기업 장비로 반도체 난제 해결

2019.12.23 14:15
김경중 표준연 나노구조측정센터 책임연구원(가운데)이 케이맥 연구팀과 초박막 두께측정결과를 살펴보고 있다. 표준연 제공.
김경중 표준연 나노구조측정센터 책임연구원(가운데)이 케이맥 연구팀과 초박막 두께측정결과를 살펴보고 있다. 표준연 제공.

국내 연구진이 중소기업이 개발한 측정장비로 반도체 제조과정에서 정확히 가늠하기 어려웠던 난제를 해결하는데 성공했다. 

 

김경중 한국표준과학연구원 나노구조측정센터 책임연구원 연구팀이 국내 중소기업이 개발한 첨단 측정장비로 반도체 측정 난제를 푸는 데 성공했다고 23일 밝혔다. 

 

연구팀이 활용한 장비는 ‘중에너지이온산란분광기(MEIS)’라는 국산 장비다. 중소기업 케이맥이 개발한 측정 장비를 활용해 나노미터(nm·10억분의 1미터)급 산화막의 ‘절대 두께’를 측정할 수 있는 상호보정법을 완성했다. 절대 두께는 다른 요소에 영향을 받지 않는 실제 두께를 말한다. 

 

반도체 공정에서 집적 회로를 만들 때 사용하는 웨이퍼는 표면에 얇고 균일한 산화막을 형성하는 게 중요하다. 산화막은 웨이퍼 표면을 보호하고 전류의 흐름을 제어하는 역할을 한다. 산화막이 형성된 웨이퍼 위에 반도체 설계 회로를 그린다. 

 

웨이퍼 산화막의 두께를 유지하고 정확히 측정하는 것은 반도체 수율을 결정짓는 핵심 요인이다. 산화막 문제로 12인치 웨이퍼 한 장에 결함이 발생하면 약 수천만원대 피해가 발생한다. 

 

지금까지 산화막 두께를 측정하는 데는 투과전자현미경(TEM)이나 분광타원계측기(SE), 엑스선반사측정기(XRR) 등이 활용됐다. 문제는 이들 장비로 측정한 산화막의 두께가 실제 두께와 차이를 보였다는 점이다. 산화막 측정은 반도체 제조 공정에서 난제로 남아있다. 

 

연구팀은 2008년 측정기술인 상호보정법을 처음으로 제시한 뒤 10여년의 연구 끝에 산화막 절대 두께 측정기술을 완성했다. 상호보정법은 2가지 방법을 사용해 측정결과의 정확도를 높이는 기술이다. 재현성이 좋은 MEIS로 산화막 두께를 측정한 뒤 길이 단위의 소급성을 갖는 TEM의 측정 결과로 보정했다. 

 

연구팀은 상호보정법의 정확도도 입증했다. 국제도량형위원회(CIPM) 물질량자문위원회(CCQM)가 주관하는 세계 측정표준기관들의 공동연구에서 결정된 ‘하프늄산화막’의 두께와 연구팀이 측정한 두께를 비교한 결과 1% 수준 차이에서 정확하게 일치했다. 

 

김경중 책임연구원은 “중소기업과의 협력으로 탄생한 이번 기술은 반도체 산업 현장에 활용돼 차세대 반도체 소자의 생산 수율을 크게 향상시킬 것”이라고 말했다. 이번 연구결과는 측정과학 분야 학술지 ‘메트롤로지아’ 온라인판에 게재됐다. 

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