서강대학교 기계공학과 김상엽 교수 연구팀, 국제 저명 학술지 Polymer Testing에 논문 게재

▲ (좌측부터) 서강대 기계공학과 김상엽 교수, 송진우 석박통합과정

서강대학교(총장 심종혁) 기계공학과 김상엽 교수 연구팀이 차세대 반도체 초미세 공정의 핵심 소재인 스핀온카본(Spin-on Carbon, SOC) 하드마스크의 성능을 좌우하는 ’열 이력(thermal history)’의 중요성을 규명하고, 그 연구 성과를 소재·고분자 분야 국제 저명 학술지 ‘Polymer Testing’에 게재하였다. 이번 연구는 삼성전자와의 산학 공동연구로 수행되었으며, 본교 기계공학과 송진우 석박통합과정이 제1저자로, 김상엽 교수가 교신저자로 참여하였다.

SOC 하드마스크는 반도체 초미세 공정에서 패턴을 아래층으로 정밀하게 전사하는 과정을 돕는 핵심 소재로, 표면 단차를 메우는 평탄화(planarization) 능력이 뛰어나 적용이 빠르게 확대되고 있다. 그러나 기존의 화학기상증착(CVD) 방식으로 제작한 비정질 탄소막에 비해 식각 내성(etch resistance)이 낮다는 한계가 있어, 그동안의 연구는 주로 전구체(precursor)의 분자 구조 설계나 단순한 최종 열처리 온도 조절에 집중되어 왔다.

연구팀은 최종 도달 온도뿐 아니라, 그 온도에 이르기까지 소재가 누적적으로 겪는 ’열 이력’이 최종 성능을 결정한다는 점에 주목하였다. 이를 위해 3-성분 분산 활성화 에너지 모델(DAEM)을 구축하여, 서로 다른 온도 조건에서도 이론적으로 동일한 탄화도(carbonization degree)를 달성하는 열처리 경로를 설계하였다. 실험 결과, 박막 표면이 진공 챔버 내 잔류 산소에 노출되는 시간을 최소화하는 고온·단시간(700°C, 1분) 처리는, 동일한 탄화도에 도달하는 저온·장시간(650°C, 112분) 처리에 비해 식각 내성을 26.4% 향상시키고 표면 결함 밀도를 6.5% 감소시키는 것으로 나타났다. 이는 벌크 탄화(bulk carbonization)와 표면 산화(surface oxidation)라는 두 경쟁 반응 중, 열처리 시간이 길어질수록 표면 산화에 의한 손상이 지배적으로 작용하기 때문임을 분광 분석을 통해 입증한 것이다.

이번 연구는 차세대 반도체 공정의 소재 최적화에 있어 단순한 중심의 접근을 넘어, 관점의 속도론적(kinetic) 접근이라는 새로운 설계 기준을 제시했다는 점에서 의의가 크다. 특히 산업 현장에서 불가피하게 존재하는 잔류 산소 환경에서도 요구되는 식각 내성을 확보할 수 있는 실질적 가이드라인을 마련하여, 공정의 생산성과 품질을 동시에 확보할 수 있는 길을 열었다.

제1저자인 송진우 석박통합과정은 “소재 개발이 주로 집중되던 하드마스크 연구 동향에서, 하드마스크 탄화를 통한 성능 향상과 더불어 소재가 겪는 열처리 경로의 속도론적 중요성을 입증할 수 있어서 뜻깊다”라며, “표면 산화와 벌크 탄화의 경쟁적 반응을 관리하는 것이 반도체 미세 공정의 생산성과 품질을 확보하는 실질적 가이드라인이 되었으면 좋겠다”고 밝혔다. 이어 “연구 과정 내내 아낌없는 지도를 해주신 김상엽 교수님과 현장의 난제를 함께 고민해주신 삼성전자 공동 연구진 분들께 깊은 감사를 드린다”라고 전했다.

한편, 이번 연구는 삼성전자와 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었다.

▶논문 제목: Effect of thermal history on the competitive carbonization and surface oxidation of Spin-on Carbon hardmasks