양전자빔으로 서브나노∼나노미터 영역의 미소 공극 측정에 성공

2001/5/28

정보출처 http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr20010528/pr20010528

일본 산업기술종합연구소는 주식회사 반도체과정연구소와 공동으로 양전자(전자의 반입자)를 이용해서 차세대 고성능 반도체 집적회로(LSI)용 저유전율 절연막의 서브나노∼나노미터 미소 공극을 측정하는데 성공하고, 이 미소 공극이 유전율 등의 제반 특성과 직접적으로 관련 있다는 것을 밝혀냈다. 이 측정 기술의 개발로 차세대 고성능 반도체 LSI용 재료의 개발이 가속화될 것으로 기대된다.

차세대 고성능 반도체 LSI의 개발에서는 배선의 신호지연을 극소화할 수 있는 저유전율 층간 절연막의 개발이 키포인트이다. 반도체과정연구소에서는 값싼 원료가스(HMDSO)를 사용하는 플라즈마 CVD법으로 저유전율 절연막을 제조하는 방법을 개발했다. 이 방법에서는 실온에서 가스압과 플라즈마 전력 등의 조건을 바꾸는 것만으로 낮은 유전율과 동(銅)확산에 대한 내성이 좋은 박막을 만들 수 있다.

유전율이 낮은 절연막을 만들기 위해서 재료에 미소 공극을 도입하는데, 소자가 작아질수록 더 작은 공극이 필요하게 된다. 이 미소 공극이 전기적 성질, 기계적 성질 등의 제반 특성에 영향을 미치기 때문에 공극의 크기와 크기 분포를 측정하고 그것을 최적화 할 필요가 있다. 플라즈마 CVD법으로 만든 박막의 공극은 종래의 저유전율 절연막의 공극에 비해 매우 작다. 10 나노미터 이상의 공극은 전자 현미경 등의 일반적인 측정법으로 그 구조를 조사할 수 있었지만 서브나노미터로부터 나노미터의 영역의 미소 공극은 일반적인 방법으로는 조사하기가 어려웠다.

한편, 산업기술종합연구소에서는 고강도 양전자빔을 이용한 양전자 포지트로니움 수명 측정장치를 이용해서 미소 공극의 크기를 측정하는 방법을 세계에서 처음으로 개발하고 이 측정법을 각종 재료개발에 이용하는 연구를 해 왔다. 산업기술종합연구소는 이번에 플라즈마 CVD법으로 만든 박막에서 양전자 포지트로니움의 수명을 측정하는 방법으로 서브나노∼나노 미터 크기의 미소 공극의 크기 분포를 측정하는데 성공했다. 또한, 이 미소 공극이 유전율 등의 제반 특성과 직접 관련이 있다는 것을 해명하고, CVD법으로 공극의 크기를 자유자재로 바꾸어 유전율 등의 특성을 제어할 수 있다는 것도 밝혀냈다.

양전자는 전자의 반입자로, 전하량의 부호가 반대인 것 이외에는 질량, 전하의 절대치 등의 성질은 전자와 완전히 동일하다. 진공 중에서는 안정하게 존재할 수 있지만, 전자와 만나면 소멸하면서 γ선을 방출한다. 포지트로니움(positronium)은 전자와 양전자가 쌍을 이루어 서로 속박된 상태를 말한다. 전자와 양전자의 스핀 방향이 반대인 para-positronium과, 전자와 양전자의 스핀 방향이 같은 ortho-positronium이라는 두 종류의 상태가 존재한다. 진공 중에서는 파라포지트로니움은 123 ps, 오소포지트로니움은 140 ns의 수명을 갖는다. 오르소포지트로니움은 공극의 벽과의 상호작용으로 140ns보다 짧은 수명으로 소멸한다. 공극의 사이즈가 작게 되면 상호작용의 빈도도 높게 되므로 오르소포지트로니움의 수명을 측정하면 공극의 크기를 측정할 수 있다.

이들은 향후, 이 측정법을 각종 저유전율 층간 절연막에 적용하고 차세대 반도체 디바이스에 가장 적합한 재료를 개발할 예정이다. 또, 나노테크놀로지 재료나 광전자 공학 재료 등, 다른 분야의 고기능 재료 개발에도 이 측정법을 응용할 예정이다