쉽고 간단히 10나노 이하 초미세 수직 패터닝 기술 구현한다

[이데일리 이연호 기자] 한국과학기술연구원(KIST)은 광전하이브리드연구센터 손정곤 박사팀이 반도체 칩이나 광전소자 제조에 사용되는 나노 패터닝(Nano Patterning) 기술을 한 차원 높인 기술을 선보였다고 21일 밝혔다.

(위) 실험에 사용한 플라즈마전용 필터 (아래) 필터를 도입한 플라즈마공정. 사진=KIST.

손 박사팀은 아주 손쉽고 간단하면서도 다양한 종류와 모양의 블록공중합체에 적용 가능한 10나노미터 이하의 초미세 나노패턴 제작 기술을 개발했다. 블록공중합체(Block copolymer)는 두 개 이상의 고분자가 하나의 고분자 사슬에 규칙적으로 연결된 고분자를 말한다.

최근 차세대 반도체를 위한 공정으로 10나노미터(nm, 10억분의 1m) 수준의 초미세 패턴 제작 기술에 대한 중요성이 대두되고 있다. 특히 블록공중합체의 스스로 나노구조를 만드는 자기조립(Self-Assembly) 특성을 이용한 미세 패터닝 기술은 비싸고 복잡한 극자외선(EUV) 공정과는 달리 저렴하고 빠르게 대면적의 초미세 나노 패턴을 얻을 수 있어 차세대 나노 패터닝 기술로 각광 받고 있다.

하지만 그동안 블록공중합체를 활용해 나노패턴을 만드는 과정에서 구조적 결함을 제거하고 패턴을 정렬하는 등에 기술적 한계가 있었다. 특히 블록공중합체를 10나노 이하로 제작할 경우 패턴 전사에 필요한 수직 배향이 어렵다는 한계가 있었다. 기존에 보고된 연구들은 특정 블록공중합체에 대한 수직 배향(Orientation)을 구현하기 위해서는 매번 임의의 고분자를 합성해 각각 필름의 위와 아래에 도입해야 하는 등 복잡하고 까다로운 공정을 이용했기 때문에 실제 공정에 적용하는데 큰 제약이 따랐다.

KIST 손정곤 박사팀은 이런 한계를 극복하고 아주 쉽고 간단한 공정으로 어떠한 형태의 블록공중합체라도 배향을 조절할 수 있는 방법을 개발했다. 연구진은 필터를 도입한 플라즈마 처리 방법으로 낮은 에너지의 입자들만 통과하게 해 고분자 필름과 물리적인 충돌만 일어나도록 함으로써 표면에 3~5나노 수준의 얇은 화학적 결합층을 형성했다. 이 공정을 블록공중합체 필름에 도입해 두 고분자들이 잘 섞여있는 얇은 층을 만들고 이 층이 자연적으로 아래의 블록공중합체와 중립적인 경계면을 형성하게 해 수직 배향을 갖게 만들었다. 이 공정은 다양한 종류와 모양의 블록공중합체 뿐 아니라 다양한 공정 조건 하에서도 모두 수직 배향 형성이 가능함을 보였다.

KIST 연구팀은 이 기술을 통해 실제 반도체 공정에서 3차원 입체구조 트랜지스터로 사용되는 핀펫(FinFET)을 모사한 3차원 구조를 구현할 수 있었다. 또 미세 화학 패턴 위에서도 결함이 거의 없는 10나노 이하의 수직 줄무늬 패턴을 형성할 수 있음을 보였다.

KIST 손정곤 박사는 “이번 성과는 그동안 난제로 생각했던 범용적으로 사용가능한 블록공중합체의 배향 조절 이슈를 아주 간단하게 해결했다는 점에서 의미가 있다”며 “이번 유도 자기조립을 통한 10나노 이하 패터닝 기술이 초미세 반도체 공정 기술로 실질적으로 적용되길 기대한다”고 말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 중견연구자지원 사업으로 수행됐다. 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 최신호에 게재됐다.