10년 후 22나노세대 겨냥, 반도체 게이트 적층 기술 개발
東芝는 미국의 반도체 국제학회 ‘국제전자디바이스회의(IEDM)’에서 트랜지스터의 중추가 되는 게이트스타크(적층)구조의 재료기술을 계통적으로 연구한 성과를 4건 발표했다. 이는 미세화와 함께 누전되는 전류를 방지하고, 이동도도 확보하는 게이트 적층기술에 관한 집중발표로 최초로 계면층이 없는 고유전율 절연막의 직접접합을 실현하는 등 앞으로의 방향성에 시사하는 바가 큰 발표였다. 4건은 현재의 45나노 세대에서 20016년 무렵에나 실용화될 것으로 보이는 22나노세대까지 몇 세대에 걸쳐서 필요할 것이라고 여겨지는 로직 CMOS용 게이트 적층기술이다.
우선 2010년 이후의 고성능 로직용으로 개발한 것이 종래의 실리콘산 질화막의 개량기술이다. 유전율을 올리기 위해 질소농도를 올려 나가면, 방사선 피폭 안전수치 전압의 변동과 신뢰성 열화가 현재화(顯在化)하기 시작한다. 따라서 이 회사는 제 1원리 계산으로 실리콘 속의 질소의 거동을 해석, 고품질 질화막을 만드는 기술을 확립했다. 계면의 산화는 고품질 질화막 형성 후에, 결정이 부서지지 않도록 천천히 산호하는 방법을 개발했다.
이로써 환산막 두께 0.71나노미터, 누전전류는 1평방센티미터 당 134암페어로 종래 실리콘산 질화막보다 1자릿수 저감됐다. 방사능 피폭 안전수치 전압변동도 50% 이상, 구동력도 20% 이상 각각 개선했다. 신뢰성도 1만 배 이상으로 극적으로 개선, 32나노미터 세대의 최대의 벽을 넘을 수 있었다.
메탈게이트에 관해서도 풀실리사이드 메탈 게이트의 계면불순물의 화학결합을 최초로 방사광시설 ‘SPring-8’을 이용하여 해명했다. 메탈게이트는 공핍층(空乏層)을 완전히 없애는 반면, 실리콘과 같은 불순물에 의한 방사능 피폭 안전수치 제어는 어렵다.
전극하부계면에 깊에 파묻힌 붕소, 인 불순물의 몇 원자층 레벨의 결합상태를 경(硬)X선 광전자분광법(HX-PES)를 이용하여 실구조 시료로 최초로 분석한 결과, 메탈게이트에서도 실리콘과 마찬가지로 불순물 첨가로 메탈의 작업 관수를 크게 바꾸어, 방사능 피폭 안전수치 전압제어를 할 수 있는 길을 열었다.
IEDM에서 하이라이트 논문으로 소개된 것이 란탄알루미네이트(LAO)게이트 절연막 기술이었다. 22나노세대 이후의 첨단 CMOS에 대한 적용이 목표다. 고유전율 게이트 절연막이라고 해도 계면에 실리콘 산화막을 포함하는 복합막으로 누전 전류를 방지한다. 앞으로는 이 실리콘 산화막을 없애는 것이 과제이다. LAO를 700℃의 고온에서 성장시켜, LAO와 실리콘층을 최초로 직접 접합, 환산 막후에서 가장 얇은 0.31나노미터를 실현했다.
누전전류도 실리콘 산화막과 비교해 100만분의 1로까지 줄였다. 이로써 그후의 스케링칙(則)을 몇 세대에 걸쳐 적용할 수 있다.
2016년 무렵의 시스템 LSI는 전자주행층에 실리콘보다도 몇 배 높은 이동도를 갖는 게르마늄의 적용이 검토되고 있다. 이 게르마 채널에 적합한 고유전율 게이트 절연막 기술도 개발했다. 지르코늄 실리케이트(ZSO)로 비정질이 게르마의 확산을 완전히 억제할 수 있다는 것을 발견, 종래의 지르코니아가 가지고 있던 문제점을 극복했다. 이것으로 소자를 제작하여 종래의 지르코니아보다도 이동도가 2배, 실리콘의 극한성능을 23% 능가할 수 있었다고 한다. (NK)

나노기술 안전의 ICON 리뷰 출간
미국의 휴스턴에 위치한 International Council on Nano
technology(ICON)는 나노재료를 현장에서 다루기 위한 ‘최고 실현’을 개발하기 위한 기존 노력을 리뷰하여 발표하였다. 이 작업은 캘리포나아 대학의 연구진에 의해서, 산업이 어떻게 나노재료에 의해 발생할 수 있는 잠재 직업 안전 위험을 관리하는지에 대한 2단계 연구과정 중에 수행되었다.
‘나노기술 작업장에서의 환경 보건과 안전에 대한 현재 지식과 실제’ 보고서는 다양한 작업장 설정과 형태에서 작업장을 범주화하려는 노력이 체계적으로 현재 환경, 보건과 안전 실제를 체계적으로 문서화하지 못했다는 것을 보고하였다. 또한 이 보고서는 공개되지 않은 흥미있는 내용을 포함하고 있는 것으로 알려졌다.
“이 첫번째 보고서는 어떻게 산업체가 나노재료에 대해 알려지지 않은 것들을 다루어야 하는지에 대한 더 많은 지식이 필요하다는 것으로 보여주고 있습니다.”
ICON 디렉터인 Kristen Kulinowski가 말했다. 프로젝트의 두번째 단계에서, 연구진들은 미국과 외국 회사들과 인터뷰하여 나노 기술 산업에서의 작업장 국제 단상을 알 수 있었다. 이 리포트는 올해 말에 배포된다.
프로젝트의 각 단계에 기금을 투자한 ICON은 Rice대학의 생물학 & 환경 나노기술 센터에 의해 운영되고 있다. (ACB)

나노급의 벌집구조 극박 필름에 성형, 두께 40마이크로
나노테크놀로지(초미세기술)장치 개발의 SCIVAX(東京, 사장 前野拓道)는 금형을 사용하여 극박의 수지 필름에 나노레벨의 벌집구조를 성형하는 기술을 개발했다. 독자의 나노인프린트 기술을 사용, 종래의 5분의 1 두께의 필름으로 가능케 했다고 한다. 우선, 감도가 높은 DNA(디옥시리보핵산)칩의 제조에 응용할 생각이다.
두께 40마이크로미터의 필름에 한 변의 폭이 250나노미터, 대면하는 각끼리의 지름이 2천 나노미터, 깊이 380나노미터의 육각형이 연속되는 벌집구조를 형성했다. 한 변 5센티미터의 정방형 필름에 육각형의 구멍이 6억 4천만 개 늘어서 있다는 계산이 된다.
극박의 수지필름은 강한 압력을 가하면 손상될 우려가 있다. SCIVAX에 따르면 동종(同種)의 구조의 성형이 가능한 두께의 한계는 종래 200마이크로미터였다고 한다. 이 회사는 금형 메이커와 협력하여 성형력이 1평방 센티미터 당 10킬로그램으로 타사의 10분의 1인 장치를 개발했다. 수지 메이커와도 제휴하여 적절한 가공조건을 찾아냈다.
이 기술을 사용하여 DNA칩 기판에 동종의 벌집구조를 형성, 6각형의 구멍 하나하나에 유전자 검출용 인공 DNA를 붙였다. 종래의 평면상 기판은 혈액 등을 떨어뜨려도 전체로 퍼지지 않아 인공 DNA와 결합하지 않는다는 단점이 있었지만, 이 구조를 사용하면 칩의 감도가 향상되리라 본다.
벌집구조는 곤충인 비단벌레의 표면과 비슷하며, 이 필름도 빛을 쏘이면 무지개색으로 보인다. 휴대전화 단말기의 커버에 붙이는 등 장식품으로서의 활용도 전망된다.
나노인프린트는 금형을 사용사요 수지 등에 나노 레벨의 구조를 성형하는 기술이다. 실리콘웨이퍼에 미세한 전자회로를 까는 차세대 기술로서 기대되고 있다.
SCIVAX는 양산체제를 정비한 후, 이번에 성형한 필름의 샘플을 한 장에 수천 엔이라는 가격으로 타사에 제공할 계획이고, 실용화를 위해 공동연구를 할 기업도 모집한다. (일경산업)