표준연, 반도체 산화막 두께측정 국제기준 수립 성공-국내 중소기업 장비 이용, 1 나노미터 이하 정밀 측정 기준 마련

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2021. 5. 6.

표준연, 반도체 산화막 두께측정 국제기준 수립 성공-국내 중소기업 장비 이용, 1 나노미터 이하 정밀 측정 기준 마련

2021-05-03관리자

 

 

 

표준연, 반도체 산화막 두께측정 국제기준 수립 성공

- 국내 중소기업 장비 이용, 1 나노미터 이하 정밀 측정 기준 마련 -

 

 

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)이 국내 중소기업 기술로 개발한 첨단 측정 장비를 통해 1 나노미터(nm, 10억 분의 1 m) 이하 반도체 산화막 두께측정의 국제기준을 마련하는 데 성공했다.

 

KRISS 소재융합측정연구소 표면분석팀은 국산 장비인 중에너지이온산란분광기(MEIS)를 이용, 1 nm 이하 반도체 산화막의 절대 두께*를 정밀하게 측정할 수 있음을 세계 최초로 확인했다.

 

 ◦ 이 기술은 국제회의에서 하프늄산화막의 기준 두께를 결정하는 방법으로 채택되는 등 국제기준으로 활용되기 시작했다.

 

  * 절대 두께(absolute thickness): 다른 요소에 영향을 받지 않는 실제 두께로, 상대 두께와 대조된다.

 

이번 성과의 핵심은 국산 첨단 측정 장비를 이용해 반도체 소자 제작 공정의 핵심 측정기술을 확보한 것이다. 국내 반도체 소자업체에 최고 수준의 측정 신뢰성을 부여함으로써 외국 기업이 따라올 수 없는 초격차 기술을 더욱 확대할 것으로 기대된다.

 

반도체 집적회로 제조 공정에서는 기판 산화막을 얇고 균일한 두께로 제어하는 것이 매우 중요하다. 산화막은 표면을 보호함과 동시에 전자의 이동을 조절하는 등 반도체의 전자특성 및 회로설계의 핵심적인 기능이다.

 

지금까지 반도체 공정에서는 투과전자현미경(TEM), 분광타원계측기(SE), 엑스선반사측정기(XRR) 등으로 산화막 두께를 측정했다. 문제는 이렇게 측정한 산화막의 두께가 실제 두께와 큰 차이를 보였다는 것이다.

 

KRISS 표면분석팀은 그동안 반도체 산화막 두께측정의 기준으로 활용되던 엑스선광전자분광기(XPS)의 경우 측정 기준으로 활용되기 어렵다는 것을 밝혀내고, MEIS를 그 대안으로 제시했다.

 

 ◦ 연구팀은 두께측정에 대한 체계적인 비교 연구를 통해 MEIS의 경우 XPS와 다르게 두께 결정 기준이 변화되지 않는다는 사실을 실험을 통해 증명했다.

 

국내 중소기업에서 개발한 MEIS 장비는 나노미터급 두께 박막의 조성, 분포도, 결정구조 및 두께에 관한 정보를 원자층의 깊이 분해능으로 분석할 수 있기에 반도체를 비롯한 첨단소자 제작 공정의 측정 장비로 활용될 수 있다.

 

MEIS는 국제도량형위원회(CIPM) 산하 물질량자문위원회(CCQM) 공동연구인 파일럿 연구에서 나노박막 두께측정의 새로운 기준으로 인정받았다. XPS에 의한 기준 두께 결정에 문제가 발생해, 세계 국가측정표준기관 전문가들의 협의를 통해 MEIS를 활용해 기준 두께를 결정한 것이다.

 

KRISS 김경중 책임연구원은 “이번 성과의 핵심은 반도체 산화막의 초정밀 절대 두께를 측정할 수 있는 국산 첨단 측정 장비의 가능성을 확인한 것”이라며, “차세대 반도체 소자의 수율을 높여 국내 기업의 생산성 향상에도 도움이 되도록 최선을 다하겠다”라고 강조했다.

 

국가과학기술연구회 창의형융합연구사업의 지원을 받은 이번 연구결과는 측정과학 분야의 세계적 학술지인 어플라이드 서페이스 사이언스(Applied Surface Science, IF: 6.182)에 게재됐다.

 

붙임1

연구성과 추가 설명

 

 

□ 용어 설명

 

○ 중에너지이온산란분광기(MEIS, Medium Emergy Ion Scattering Spectroscopy)

100 keV 정도의 헬륨 이온이 고체 표면에서 산란되는 과정의 에너지 손실을 정밀하게 측정, 원자층 분해능으로 박막의 원소 조성 깊이 분포와 표면 및 계면 구조를 파악할 수 있는 분석 기술

 

○ 국제도량형위원회(CIPM, The International Committee for Weights and Measures)

- 국제도량형국(BIPM)의 미터협약(1875년)을 근거로 설립된 국제표준연구실 겸 사무국으로 활동을 조정하고 감독함

- 국제도량형총회(CGPM, 글로벌 측정표준의 주요사안에 대한 유일한 국제의결기구)의 최고 자문위원회로서 실질적인 운영을 담당

- 국제단위계의 제·개정 및 국제적 측정표준 이슈 발굴

 ※ CIPM은 각기 국적이 다른 18명의 글로벌 측정표준 전문가로 구성

 

○ 물질량자문위원회(CCQM, Consultative Committee for Amount of Substance: Metrology in Chemistry and Biology)

- 국제도량형위원회(CIPM) 산하 10개 자문위원회 중 하나로, 화학 및 생물학 분야의 측정표준 주요 현안에 대해 논의

- 표면분석분과(SAWG)를 포함하여 12개의 분과(working group)로 구성

 

○ 연구성과 이미지 및 상세 설명

 

 

▲ 국내 중소기업 케이맥(주)이 개발한 중에너지이온산란분광기(MEIS K-120)

 

㈜케이맥이 약 10여 년의 연구개발을 통해 상용화한 MEIS(Medium Energy Ion Scattering Spectroscopy) 장비로, 수 nm에서 수십 nm의 얇은 박막의 절대 조성과 두께를 측정하는 장비이다. 2019년 KRISS가 창의형융합연구 사업을 통해 처음 도입했다.

 

 

 

▲ 표면오염층의 증가에 따른 두께측정 오프셋 변화

 

하프늄산화막(HfO2)의 두께 측정 시 산화막 표면의 오염층 두께가 약 0.9 nm까지 증가할 경우, 두께측정 오프셋이 MEIS의 경우 0.01 nm로 무시할 수 있는 정도이지만 XPS의 경우 0.07 nm로 무시할 수 없을 정도로 크다는 점이 확인되었다. 

 

○ 어디에 쓸 수 있나?

 

1. 소급성 있는 반도체 공정 측정기술로 측정 신뢰성 부여

MEIS는 나노미터급 두께 박막의 절대 조성 및 절대 두께에 대해 원자층의 깊이 분해능으로 분석할 수 있는 비파괴적인 측정 장비이므로 소급성 있는 조성 및 두께측정이 요구되는 반도체 소자 제작 공정에 유용하게 활용될 수 있다.

 

2. 다양한 두께측정 장비의 오프셋 보정

현재 반도체 공정에 활용되는 두께측정 장비인 투과전자현미경(TEM), 분광타원계측기(SE), 엑스선반사측정기(XRR) 등의 경우 측정된 두께가 실제 두께와 상당한 차이가 있다. 이를 보정해야 정확한 두께측정이 가능한데 MEIS를 이용한 상호보정법으로 이 문제를 해결할 수 있다. 

 

3. 두께측정 장비 교정을 위한 박막인증표준물질의 두께 인증

초박막 두께측정용 인증표준물질을 개발하면 그 인증 두께를 활용하여 엑스선광전자분광법 (XPS), 투과전자현미경(TEM), 분광타원계측기(SE) 및 엑스선반사측정기(XRR) 등 모든 두께측정 장비를 정확하게 교정할 수 있다.

 

○ 논문 및 지원사업 관련 정보

 

1. 논문명 및 주소: 

논문명: “Effect of the surface contamination layer on the thickness measurement of ultra-thin HfO2 films” Applied Surface Science 545, 148982 (2021) (I.F. 6.182)

주소: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433221000581?via%3Dihub

 

2. 지원사업: 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업

 

붙임2

연구성과 사진

 

 

 

 

▲ KRISS 표면분석팀 연구진이 초박막 두께를 측정하고 있다.

 

 

 

 

▲ KRISS 표면분석팀 연구진이 초박막 두께를 측정하고 있다.

 

 

붙임3

김경중 책임연구원 프로필

 

 

1. 인적사항

 ○ 성 명 : 김경중

 ○ 소 속 : 한국표준과학연구원 소재융합측정연구소 표면분석팀

 ○ 직 위 : 책임연구원  

 

 

 

 

2. 경력사항

 ○ 1990∼현재 : 한국표준과학연구원 책임연구원

 ○ 2005∼현재 : 과학기술연합대학원대학교 나노계측과학과 교수

 ○ 2006∼2008 : 한국표준과학연구원 나노측정센터 센터장

 ○ 2014∼현재 : 표면분석측정클럽 회장

 ○ 2013∼현재 : BIPM/CCQM/SAWG 한국대표

 ○ 2016∼현재 : ISO/TC-201 한국대표

 

3. 수상실적

 ○ 2002 : 한국표준과학연구원 우수기술상 

 ○ 2007 : 공공기술연구회 이사장상

 ○ 2010 : 한국표준과학연구원 우수논문상

 ○ 2012 : UST 우수교수상

 ○ 2013 : 미래창조과학부 장관상 

 

4. 전문 분야 정보

 ○ 표면분석 국제표준화 연구 (ISO/TC-201, CCQM/SAWG) 

 ○ 반도체 메트롤로지 기술 개발

 ○ 실리콘양자점 태양전지 개발

 

5. 발표논문 및 특허

 ○ “Traceable thickness measurement of ultra-thin HfO2 films by medium energy ion scattering spectroscopy” Metrologia, 2019. (I.F. 3.447) 등 SCI 논문 108편 

 ○ “상호보정법을 이용한 나노미터 산화물 박막 두께 인증법” 대한민국 특허 10-0997079 등 국내외 특허등록 17건