한양대 김학성·이승환 교수팀, 레이저 기반 반도체 계면 접착력 측정 신기술 개발 … 첨단 반도체 제조 신뢰성 향상 기대

한양대학교는 기계공학부 김학성, 이승환 교수 공동 연구팀이 반도체 계면의 접착력을 정밀하게 측정할 수 있는 레이저 기반 계면 평가 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.

연구팀이 도입한 '레이저 스폴레이션(Laser Spallation)' 측정법은 나노초 단위의 고에너지 펄스 레이저를 이용해 반도체 구리 배선과 절연막 사이의 계면 접착력을 정량화하는 방식이다. 기존 기계적 측정법의 한계였던 시료 손상과 정밀도 저하 문제를 획기적으로 개선한 게 특징이다.

이번 기술은 기존 측정법으로는 불가능했던 나노미터(1㎚는 10억분의 1m)급 초박막 절연막에서도 정확한 측정을 할 수 있다. 특히 플라스마 화학기상증착(PECVD) 실리콘 산화막에서 가장 우수한 접착 특성이 나타났다는 점을 과학적으로 입증했다. 연구팀은 이런 차이를 기계적 맞물림과 화학적 결합 메커니즘을 통해 규명함으로써 절연막 종류에 따른 접착력 차이를 정량화하는 데 성공했다.

김 교수는 "이번 기술은 반도체 소자의 신뢰성에 직결되는 구리-절연막 계면의 접착 특성을 정확하게 평가할 수 있는 혁신적 도구"라며 "앞으로 저유전율(low-k) 소재와 극미세 배선 공정 등 첨단 반도체 제조 기술의 신뢰성 확보에 중요한 역할을 할 것으로 기대한다"고 말했다.

향후 연구팀은 광이미지화 유전체(PID), 에폭시 몰딩 컴파운드(EMC) 등 다양한 반도체 재료의 계면 신뢰성 평가 기술 개발에 박차를 가할 계획이다. 해당 기술은 고성능 컴퓨팅, 인공지능 프로세서, 차세대 메모리 등 첨단 반도체 제조의 수율과 신뢰성 향상에 기여할 핵심 기술로 기대를 모은다.

이번 연구 결과는 국제학술지 '응용 표면 과학의 발전(Applied Surface Science Advances)'에 지난 7일 온라인 게재됐다. 주영민 석박통합과정생, 김덕용 석사가 공동 제1저자, 이세민 석박통합과정생이 제2저자, 김희수 석사과정생이 제3저자, 황연택·이대웅 SK하이닉스 TL이 공저자, 김학성·이승환 교수가 공동 교신저자로 각각 참여했다.

이번 연구는 SK하이닉스와의 산·학 협력 프로젝트, 과학기술정보통신부 CH3IPS 혁신연구센터의 지원을 받아 수행됐다.