안녕하세요, 1-3월 활동 내역은 그동안 진행해왔던 연구 성과에 대한 소개 및 설명으로 진행하도록 하겠습니다.

연구 활동 [1] 자가조립 단분자막의 계면 전자 터널링 능동 제어

연구 활동 [1] - 세부 연구 활동 (1): 자가조립 단분자막의 계면 전자 터널링은 금속 표면 위에 공유결합을 통해 흡착된 자가조립 단분자막과 금속 계면에서의 전자가 공유결합을 통해 자가조립 단분자막으로 이동하는 현상입니다. 계면 터널링 현상의 이질성을 확보하기 위하여 질소 원자와 황 원자를 고정 그룹으로 갖고 있는 유기물로 구리 웨이퍼 표면 위에 자가 조립 단분자막을 구성하여 분자 터널링 접합이 제작되었습니다.

이렇게 국소적으로 증폭된 탐침 증강 전기장과 근접장을 조사한 결과, 전하 밀도가 낮은 고정 그룹으로 구성된 공유 결합에서만 계면 전자 터널링이 발생하는 것을 확인하였습니다. 이때 터널링에 의해 반데르발스 힘 영역에서 공진하는 나노 탐침에 정전기적 상호작용이 발생하면 탐침 진동 진폭 및 탐침 진동 위상 차이와 같은 탐침의 기계적인 변형과 표면 전위와 일함수 등 전기적인 전자 분포 변화가 나타남에 따라 상온/상압 환경에서 전자 터널링 관측에 성공하였습니다. 

차세대 반도체 소자 후보인 '분자 전자소자'는 반도체 고집적화의 물리적 한계를 극복할 기술로 관심받고 있지만, 분자와 전극 간의 직접적인 접촉에 의해 계면에서 발생하는 전자 트랩과 원거리 산란 광자의 간섭과 같은 치명적인 물리적인 한계로 인해 상용화가 불가능 했었습니다. 따라서, 해당 연구에서는 광학적 회절의 영향을 받지 않고 비접촉식으로 분자 접합을 구성할 수 있는 광유도력 현미경 (PiFM)과 켈빈 프로브 힘 현미경 (KPFM)을 기반으로 분자 터널링 접합을 구성하여 상온/상압 환경에서 금속-유기물 계면에서 계면 전자 터널링 현상의 원격 능동 제어와 동시에 10nm resolution 이미징에 성공하였습니다. 

연구 활동 [1] - 세부 연구 활동 (2) : 또한, 분자 접합 연구에서 더욱 나아가 대면적 NHC (N-hterocylic carbenes) 나노 유기 박막에서 발생하는 터널링 현상 기반의 높은 전도성, 우수한 열 안정성, 기계적 특성, 공정 간소화 등의 이점을 지니는 차세대 3D 패키징 기술을 개발하였습니다. 우선, 전자 터널링을 3D 수직 이종 접합 구조에서 제어하기 위해서 NHC 자가조립 단분자막을 전기화학 증착법을 통해 구리 표면 위에 선택적으로 4인치 웨이퍼 위에 증착하였습니다. 이렇게 제작된 대면적 NHC 분자 접합의 열적 안정성을 확인하기 위하여 열 충격 실험이 0도~170도 / 5회 반복 조건으로 진행되었습니다. 열 충격 전과 후의 유기 박막 표면 및 수직 단면 이미징을 통해 170도 열 충격 조건에서 Cu-NHC 구조의 열-기계적 안정성을 검증하였습니다.

기존의 3D 패키징 하이브리드 본딩 공정은 이질적인 물질 간의 열 팽창 계수, 낮은 접합 신뢰성, 낮은 열안정성 등의 치명적인 한계로 인해 신규 3D 이종 직접화 기술 개발이 반드시 필요한 상황입니다. 따라서, 이러한 기존 공정의 한계점을 해결하기 위하여, 우수한 열 안정성, 전도 특성 및 접합 특성을 지니는 NHC 자가조립 단분자막을 전기화학 증착법을 통해 Cu 표면 위에 증착한 뒤, 170도, 1분 조건에서 4인치 웨이퍼의 3D 이종 직접화에 성공하였으며 3D 패키징 공정의 간소화, 공정 시간 단축, 공정 호환성 등의 이점을 기반으로 기존 공정의 한계를 효과적으로 뛰어넘었습니다. 

또한, 대면적 NHC 분자 접합의 계면 터널링 현상을 관측 및 제어하기 위하여 conductive AFM 이미징이 함께 진행되었으며, Cu-NHC 구조에서만 전하 밀도가 낮은 Carbene 원자로 공유 결합을 통해 계면 터널링이 발생하여 전도 특성을 지니는 것을 규명하였습니다. 또한 실제 공정 적용을 위해서는 Cu CMP (Chemical Mechanical Planarization)과의 공정 호환성이 필수적임에 따라, 대면적 NHC 분자 접합을 원자 힘 현미경 탐침으로 힘-거리 곡선을 각 픽셀마다 측정하였으며, 측정된 기계적 변형, 탄성 계수, 접착력 등과 같은 기계적인 특성이 Cu-BTA 구조 대비 유사한 수준으로 Cu CMP 공정 호환성까지 검증하였습니다. 마지막으로, 실제 3D 이종 직접화된 Cu-NHC-Cu 구조가 실제 접합 (170도, 1분 조건) 공정 이후에도 NHC 자가조립 단분자막이 안정적으로 존재함을 확인하여 열적 안정성과 기계적 신뢰성까지 검증하였습니다.