KAIST, 차세대 반도체 핵심 3차원 노광기술 개발

3차원 나노 패터닝 효율화하는 기술 개발

차세대 반도체 나노 공정의 한계를 넘어설 수 있는 새로운 3차원 노광 기술이 개발됐다. 3차원 나노 구조를 단일 노광으로 효율적으로 제작하는 기술이다. 

27일 KAIST에 따르면, 신소재공학과 전석우 교수와 신종화 교수 공동연구팀은 원하는 나노 구조의 홀로그램 형상을 단일 노광으로 광감응성 물질에 쬐어 물질화하는 기술을 개발했다. 

노광은 반도체 회로의 설계도가 그려진 마스크에 빛을 쬐어, 이 구조가 마스크 아래의 웨이퍼 기판에 새겨지게 하는 핵심 공정이다. 반도체 구조와 배선 구조 등을 마치 건물을 한층씩 쌓듯이 만들어 가기 때문에 시간과 비용이 많이 든다.

이런 문제를 해결하기 위해 정밀한 3차원 나노 패턴을 구현하려는 연구가 활발하다. 특히 근접장 나노패터닝(PnP, Proximity-field nanoPatterning)은 하나의 광원으로 주기적인 3차원 나노 구조를 정확하고 생산성 있게 구현할 수 있어 주목받는다. 하지만 구조를 자유롭게 구현하기 어렵다는 약점이 있다. 

이를 극복하려면 감광 물질에 원하는 형태의 홀로그램을 구현하는 위상 마스크의 디자인을 계산하는 과정이 필요하다. 기존 방식은 계산이 복잡하고 많은 데이터가 필요해 효율이 낮았다. 

연구팀은 수반행렬 방법(Adjoint method) 기반 역설계 알고리즘을 적용, 연산을 적게 하면서도 원하는 형태의 나노 홀로그램을 생성하는 위상 마스크의 격자구조를 효율적으로 찾아내는 방법론을 제시했다. 

역설계 연산을 활용하여 목표 소재를 구현하는 패터닝 기술 모식도 (자료=KAIST)

이를 기존 반도체 노광 공정에 적용한 결과, 광감응성 물질에 단 한 번의 빛을 쏘아 목표하는 나노 홀로그램을 형성하고 물질화할 수 있었다. 원하는 3차원 나노구조를 한 번의 노광으로 구현할 수 있음을 실험적으로 증명한 것이다.

이렇게 만들어진 3차원 나노 구조에 원자층 증착법(ALD)을 활용해 필요한 물질을 주입하거나 치환하면 다양한 소재를 원하는 구조로 제작할 수 있다. 차세대 반도체인 GAA(Gate All Around) 소자나 3차원 반도체 집적 기술에 적용해 미래 반도체 역량 강화에 이바지할 수 있을 것으로 연구진은 기대했다. 

또 원하는 나노 구조를 낮은 비용으로 대면적에 생산, 기존 소재의 물성을 극복하는 메타 소재 연구 활성화에도 기여할 전망이다. 

이 연구는 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 25일(현지시간) 게재됐다. 한국연구재단 원천기술개발사업의 미래소재디스커버리 사업과 삼성전자의 지원을 받아 수행됐다.