E-beam Lithography Technology for Quantum Device Fabrication and Nanoscale Patterning

Seok-kyu KIM, Kang min YOO, Hyeon seok JEONG and Moon gyu JANG

Currently nanotechnology becoming more important with the implementation of nano devices including quantum devices. In this paper, we will briefly introduce the JEOL JBX-8100FS e-beam lithography tool which was recently installed in Hallym University and the current status of the exposure conditions set up. As applications using e-beam lithography tool, we will introduce Schottky barrier single hole transistor and silicon nanowire thermoelectric device, respectively. We are under researching plasmonic and quantum devices as basic research.

서 론

실리콘을 필두로 하여, 초정밀 가공이 가능한 현대의 반도체 기술은 10나노미터급 트랜지스터를 집적하는 시대로 발전해 오고 있다. 이러한 나노미터급 소자를 제작하는 핵심 공정 기술로서는 노광, 식각, 증착 등의 많은 공정이 필요하지만, 그중에서도 노광기술에 대한 중요도는 가장 으뜸으로 생각된다.

트랜지스터(transistor)는 1947년에 벨연구소에서 존 바딘(John Bardeen), 월터 브래튼(Walter H. Brattain) 및 윌리엄 쇼클레이(William Shockley)에 의하여 그 가능성이 입증된 후에 소형화의 기술에 힘입어 끊임없이 작아지고 있다. 이러한 결과로, 오늘날 생산되고 있는 트랜지스터는 10 nm 이하의 크기까지 발전하였으며, 삼성반도체, 대만의 TSMC사 등 선진 반도체 기업체들은 2~3나노미터급 적층형 gate all around 트랜지스터의 기술을 앞다투어 발표하며 양산에 적용하고 있다. 이러한 기술에 힘입어 현재 생산되는 인텔사의 i9 CPU에는 약 260억 개 이상의 트랜지스터가 집적되어 있는 수준으로 발전하였다.

이러한 초소형 초집적 반도체 칩을 제작하는 소형화 기술은 노광기술의 발전에 힘입어서 발전하여 왔다. 10 nm 이하의 트랜지스터를 가지는 집적회로의 대량생산을 위하여서는 13.5 nm의 파장을 가지는 EUV (Extreme Ultra-Violet) 노광장비가 필요하다. 하지만, 연구 단계에서는 초고가의 EUV 장비를 활용하는 것은 현실적으로 불가능하며, 이를 대체하여 소규모의 나노급 패턴을 제작할 수 있는 핵심장비가 바로 E-beam 노광기이다. 여기서는 한림대학교 나노융합팹에 구축한 JEOL사의 JBX-8100FS 장비를 중심으로 E-beam 노광장비를 활용한 최근의 연구에 대하여 소개하고자 한다.

한림대학교 나노융합팹

한림대학교는 Vision 2030+ 선포를 통해 핵심 전략 및 발전 목표 달성을 위한 중점 특성화 분야 중 하나로 반도체, 나노 분야를 지정했으며, 본 기초연구단 공동연구원들이 소속된 반도체·디스플레이스쿨을 특성화 추진조직으로 명시하고 있다. 반도체·디스플레이스쿨 분야의 실무형 융합 인재 양성을 위해 2017년에 반도체·디스플레이스쿨 내 나노융합기술연구소 및 나노융합팹을 구축하였다. 특히, 나노융합팹은 최신 반도체 장비 일체를 구비하고 청정실로 운영하는 강원권 최초의 반도체 팹 시설로서, 대학생과 대학원생을 위한 교육/연구 인프라를 제공하고 있다.

Fig. 1. Approximately 330 square meters of nano convergence Fab.

나노융합팹의 인프라로는 노광/식각/박막/확산 4대 표준 공정을 위해 그림 1에서 소개가 되어있듯, 총 50종, 63대의 장비를 운영하고 있으며 노광실, 공정실 및 분석실을 구성하여 반도체 공정을 통한 뉴로모픽 트랜지스터, 바이오센서, 양자소자 제작 및 특성 분석 등의 일괄적인 연구를 진행하고 있다. 또한, 2020년 6월부터 2023년 12월까지 연간 4회, 회당 5일간 학생들에게 반도체 제작 및 분석을 주제로 한 ‘나노소자 공정’ 실습교육을 제공하였다. 이후 강원 지역 고교생 및 부산대학교 학생들을 대상으로 나노소자 공정교육을 진행하며 교육 인프라를 확장하고 있다.

Fig. 2. List of representative equipment owned by the Nano-Convergence Fab.

Fig. 3. Building quantum fab to lead the way in quantum technologies.

최근 장문규 교수 연구 그룹은 나노기술뿐만 아니라 양자 분야의 기술 선도를 위해 2022년부터 양자팹 센터를 구축하여 운영하고 있다. 양자기술은 기존의 정보 처리, 통신 분야에서 개선하지 못한 문제들을 해결하고,1)2) 기술 및 산업 분야에서 경제적 변화를 일으킬 수 있는 높은 잠재력을 가진 기술이다. 이에 양자기술은 다양한 기술과 플랫폼의 개발, 효율적인 인프라 구축, 양자 분야 전문 인력 양성 등 높은 R&D 투자가 필요한 상황이다.3)4)5) 이러한 양자분야 기술을 개발 및 확보하기 위해 장문규 교수 연구 그룹에서는 한국전자통신연구원(ETRI)에서 주관하는 경량형 무선 양자중계 플랫폼 기술 개발 사업에 강원테크노파크와 공동으로 참여하여 양자 기술 분야 기술·연구개발을 하고 있다. 또한, 3D 나노프린팅 기반 양자소자 어셈블리 기초연구실 과제에도 참여하며 한림대학교가 위치한 강원도 춘천시를 대한민국의 대표적 양자 과학기술 도시(Quantum city)로 구축하고, 발전시키기 위한 지역혁신 계획에 기여하고 있다.

나노융합팹에서는 2024년 3월, 나노미터급의 뉴로모픽 트랜지스터, 양자 소자 등 나노분야 기술연구를 위해 JEOL사의 E-beam lithography (JBX-8100FS)와 SEM-EDS (JSM-IT510) 장비를 도입하였다.

노광 공정은 반도체 제조 과정의 핵심으로, 자외선, 극자외선(EUV)과 같은 빛을 사용하여 특정 패턴이 그려진 마스크를 통과한 빛이 실리콘 기판에 전사되어 패턴을 형성하는 공정이다.6) 최근 반도체 소자는 소형화가 가속화되고 있다. 이러한 나노미터 규모의 소자를 제작하는 데 있어, 기존 포토리소그래피는 회절 한계로 인해 점점 더 부적절해지고 있다. 따라서 극자외선(EUV) 리소그래피, E-beam 리소그래피와 같은 첨단 노광 기술이 주목받고 있다.7)8)9) 그중 E-beam 리소그래피는 전자빔을 사용하여 초소형 패턴을 형성할 수 있는 리소그래피 기술로, 높은 해상도와 정밀성 덕분에 반도체 및 나노기술 연구에서 중요한 역할을 하고 있다.10) 한림대학교 나노융합팹은 이 기술을 활용하기 위해 앞서 언급한 E-beam 장비를 활용하여 나노 트랜지스터, 양자소자 제작 및 관련 연구를 수행하고 있다. 또한, 나노융합팹 내에는 AFM(원자 힘 현미경), SEM-EDS(주사전자현미경-에너지분산형 X선 분광법), WLI (백색광 간섭계)와 같은 첨단 분석 장비가 구축되어 있어, 제작된 나노 소자의 표면 구조, 원소 조성, 형상 등을 정밀하게 분석할 수 있다. 나노융합팹은 나노 소자 및 양자 소자의 제작부터 검수까지 나노기술 연구의 전 과정을 수행할 수 있는 통합된 연구 환경을 보유 중이다.

E-beam 장비를 이용한 노광 연구

Fig. 4. 200 nm Mesh-type pattern formed using positive E-beam resist: (a) Optical microscopy image, (b) SEM-EDS analysis.

본 연구에서는 E-beam 리소그래피(Electron Beam Lithography, EBL)를 이용하여 나노 트랜지스터의 미세 패턴을 형성하였다. E-beam 리소그래피는 광 리소그래피와 달리 마스크 없이 전자빔이 직접 패턴을 기판에 전사하기 때문에 패턴이 형성된 마스크 제작을 위한 시간과 비용을 절감할 수 있고, 마스크 제작 과정에서 발생하는 불필요한 오차를 피할 수 있다. 그림 4는 positive E-beam resist로 형성한 200 nm mesh type floating gate의 pattern 사진이다. 패턴 형성을 위해 positive E-beam 레지스트인 PMMA (Polymethyl Methacrylate) 950K, A3를 사용하였으며, 현상 과정에서는 MIBK (Methyl Isobutyl Ketone)과 IPA (Iso propyl Alcohol) 용액을 1:3 비율로 혼합한 현상액을 사용하였다. 노광 과정을 통해 200 nm 크기의 mesh type 패턴은 정밀하게 구현되었으며, 격자 간격 및 선폭 또한 매우 균일하였다. 현상된 패턴은 광학현미경과 SEM을 통해 확인하였다.

전자빔은 패턴을 형성할 특정 지점에 멈춰 전자를 쏜 후, 일정한 간격으로 이동한다. 전자빔이 멈추는 위치와 머무는 시간에 따라 패턴이 형성되며, 이때 도트 간격은 전자빔의 직경보다 작아야 패턴에 빈틈이 생기지 않는다. 전자빔의 직경보다 큰 스텝 크기를 사용하여 일정 간격으로 떨어진 점 배열을 만들기도 하는데 이 간격을 도트 피치(dot pitch)라고 한다.11) 본 연구에서는 E-beam 장비의 도트 피치를 조절하여 패턴의 균일성과 해상도를 최적화하는 과정 중에 있다.

Fig. 5. Pattern of a nanotransistor patterned using negative E-beam resist.

그림 5는 Negative E-beam resist 방식으로 패터닝된 나노 트랜지스터의 패턴을 보여준다. 사용한 레지스트는 HSQ (Hydrogen SilessQuioxane)이며, E-beam 장비를 통해 고해상도의 미세 패턴을 구현함으로써 소오스, 드레인 및 플런저 게이트 간의 정밀한 기하학적 구조를 형성할 수 있었다. 결과적으로, 플런저 게이트와 소오스와 드레인 간의 거리를 매우 정밀하게 제어할 수 있었으며, 채널 영역의 균일성과 연결성을 유지할 수 있었다. 이러한 나노 트랜지스터 구조는 향후 나노스케일의 전자 소자 및 고성능 트랜지스터 개발에 중요한 기술적 기반을 제공할 수 있다.

1. Schottky 단홀 트랜지스터

장문규 교수 연구 그룹에서는 E-beam 노광기술을 이용한 나노소자 및 양자소자에 대하여 이미 오래전부터 연구를 진행하여 왔다. 그림 6은 E-beam 노광기술과 negative E-beam용 레지스터로 활용되는 HSQ (Hydrogen SilsesQuioxane)을 이용하여 벌크 실리콘에 패터닝 및 건식각을 진행한 결과를 나타낸다. 여러 가지 기술적인 제한 및 재현성에 대한 문제점은 있지만 5 nm의 크기를 가지는 미세 패턴을 형성할 수 있으며, 이를 활용하여 나노소자 및 양자소자에 대한 연구를 수행할 핵심기술을 보여주는 예이다.

Fig. 6. Nanopatterning using E-beam lithography and HSQ.

그림 7은 확보된 E-beam 노광 및 반도체 공정기술을 응용하여 20 nm의 크기를 가지는 쇼트키 접합 나노트랜지스터 제작 기술에 응용한 예를 보여준다. 쇼트키 접합 나노트랜지스터는 소오스 및 드래인 영역을 불순물(붕소, 인 등)로 도핑하는 대신 금속 특성을 가지는 실리콘-금속 화합물을 이용하여 소자를 제작하는 기술이다. 이렇게 제작된 쇼트키 접합 나노트랜지스터는 소오스 및 드래인 영역에 쇼트키 접합 장벽을 가지는 특징을 가지고 있다. 이러한 접합 장벽을 이용하면 저온에서 터널링 장벽으로 활용할 수 있다.

Fig. 7. A Schottky junction nanotransistor with a gate length of 20 nm. The channel width is 15 nm, and the gate is fabricated from polysilicon. Excluding the 25 nm-wide sidewall spacers on both sides, the gate length is 20 nm, as shown in the TEM image on the upper left.

그림 7에서 소오스 및 드래인 영역은 백금실리사이드(PtSi)로 구성되어 있다. 따라서 게이트 아래의 n-형 실리콘과 소오스 및 드래인 접촉 영역은 각각 쇼트키 장벽이 존재하며 장벽의 높이는 hole 및 electron에 대하여 각각 0.28 및 0.84 eV이다. 따라서 문턱치 전압 이상에서는 hole이 소오스에서 드래인으로 흐르며 이러한 트랜지스터의 turn-on 상태에서도 0.28 eV의 장벽이 존재하게 된다. 이러한, 쇼트키 접합 장벽은 저온에서는 터널링 장벽으로 동작하며, 단전자 혹은 단홀 트랜지스터의 거동을 나타내게 된다.12) 

Fig. 8. Single hole charge transport characteristics in 20 nm Schottky junction transistors measured at 7 K.

그림 8은 측정온도 7 K에서 모니터링한 단홀 트랜지스터의 거동을 나타낸다. 측정온도가 다소 높기 때문에 드래인 전류의 off-set이 보이지만, 매우 간단한 구조에서 단홀 트랜지스터의 거동이 명확하게 보인다. 이 단홀 트랜지스터에서 추출한 양자점의 크기는 반지름이 8.4 nm로 추정된다. 본 그룹에서는 향후 실리콘을 기반으로 더욱 정교한 양자점을 형성하고 동작특성이 우수한 양자 소자들을 연구할 계획이다.

2. 실리콘 나노선의 열전특성연구

Fig. 9. Measurement structure for the Seebeck coefficient of silicon nanowires fabricated using an E-beam lithography system. The figure on the right shows cases with a single 50 nm silicon nanowire and with five nanowires.

E-beam 노광을 이용한 연구는 나노구조에서의 전기, 열, 광학적 특성 등에 다양하게 활용될 수 있다. 그림 9는 본 그룹에서 연구한 50 nm 실리콘 나노선에서의 나노구조에 따른 optical phonon의 전파 억제 특성을 연구하고, 열전도 특성이 저하됨에 따라서 발생하는 온도 차에 의하여 발생할 수 있는 Seebeck 효과에 대한 연구를 위하여 E-beam 노광을 활용한 예이다. 그림 9에서는 실리콘 나노선을 따라서 전도되는 열특성을 측정하기 위하여 온도 차이를 유발할 수 있는 Heater A 및 B를 형성하고, 실리콘 나노선을 온도센서로 활용되는 백금선과 연결한 그림을 나타내고 있다. 구조가 다소 복잡하며, 백금선은 contact aligner 및 백금 lift-off 공정을 이용하여 제작하였으며, 실리콘 패턴은 E-beam 노광을 통하여 형성하였다.

Fig. 10. Seebeck coefficient characteristics of n-type and p-type 50 nm silicon nanowires as a function of operating temperature.

그림 10은 50 nm의 폭을 가지는 n- 및 p-형 실리콘 나노선에서 측정한 Seebeck coefficient 값이다. n-형 실리콘 나노선의 경우에는 측정한 온도 구간에서 거의 일정한 값을 갖고 있지만, p-형 실리콘 나노선에서는 저온에서부터 선형적인 증가 특성을 보이며, 상온 부근에서 최대치를 가짐을 알 수 있다. 상온에서는 n- 및 p-형 실리콘 나노선에서 약 175 µV/K의 값을 가짐을 알 수 있다.13)14)

결 론

이상에서, 한림대학교 나노융합팹에 설치된 E-beam 노광장비에 대한 소개 및 이를 활용한 응용연구로서 쇼트키 접합 단홀 트랜지스터 및 실리콘 나노선 열전소자에 대하여 소개하였다. 나노 영역에서의 물성 및 양자특성 등을 연구하기 위하여서는 E-beam 노광기는 필수적으로 필요하다. 본 그룹에서는 향후 나노기술을 이용한 플라즈모닉, 양자소자 분야 등에 대하여 연구를 수행해 나갈 계획이다.