[미국박사유학가기-6] KAIST 대학원에서의 석사생활 2년, 그리고 유학에 대한 결심.

카이스트에서의 대학원 생활은 힘들었지만 정말 내 인생에 있어 큰 경험이었다. 연구실에서 고가의 반도체 장비들을 직접 만지며 내 아이디어로 내 소자를 만들어 내가 측정하고 내가 분석하여 결과를 내는 일련의 과정들은 고되기도 했지만 연구의 맛을 보기엔 충분했다. 연구실은 카이스트 전자과 건물이 아닌 나노팹센터였고 1층에는 국가에서 지은 나노팹이 있었으며 4층에는 카이스트 학생들이 사용하는 교육용팹이, 그리고 전자과 건물 옆에는 오래되었지만 엄연히 팹인 반도체동팹이 있었다. 대부분 대학원생들은 교육용팹과 반도체동팹에서 실험을 했지만 나는 1층 나노팹내부에 위치한 우리 연구실에서 관리하는 고가의 장비인 ALD (Atomic Layer Deposition, 원자층증착기)를 사용해야 해서 세군데를 다 사용했다. 물론 2015년 현재, 반도체동 팹은 오래되어서 폐쇄후 새로운 미래융합소자동에 새 팹이 생겼다.

▼ 교육용 팹에 내 팹 복... 일명 스머프복장..ㅋ

기숙사비는 매달 89000원이었고 2인실이었다. 세종관 3117호에 짐을 풀면서 처음에는 모니터도 가져다 두고 노트북도 세팅하고 책도 다 꽂아두고 마치 집의 내 방 내 책상처럼 다 갖추었다. 하지만 시간이 지날수록 기숙사의 물건들은 다 연구실 내 자리로 옮겨가기 시작했고 24시간 중 자는 시간 6~7시간빼고는 내내 연구실에서 지내게 되었다. 

▼ 처음 기숙사 입사해서 내 책상... 이것저것 다 갖다 놓았지만... 결국엔 다 연구실로 옮겨가게 된다..

연구실 첫 출근은 2012년 1월 31일. 입학후 처음 6개월 가량은 하루에 자는시간이 거의 5시간정도밖에 안되어서 면역력이 떨어졌는지 감기를 몇달씩이나 앓으면서 지냈다. 입학후 처음 6개월 동안은 선배들이 장비 다루는 방법이나 연구 과정을 알려주실까 하여 제일 먼저 8시 전에 출근하고 제일 마지막에 새벽 2시가량에 퇴근하며 지냈는데 결국엔 누가 가르쳐주기를 기다리는 것 보다 먼저 선배들에게 가서 여쭤보고 내가 논문 찾아보아야 빠르게 배울수 있음을 깨달았다.

▼ 카이스트 처음 도착한 날인 2012년 1월 30일 저녁 9시 15분.. 근처 룸메랑 같이 홈플러스에서 이불 하나 사가지고 들어오는길..

▼ 출근 둘째날. 2월 1일 연구실의 내 자리..

▼ 깔끔하던 내 자리는 점점 지저분하게 변하기 시작했다.. 한달이 지나고의 모습..

 

▼ 그리고 1달 반..

▼ 그리고 1년 반이 지나서 연구가 마무리 되어 가던 찰나의 내 책상... 누가보면 박사 몇년차 된 줄 알겠다.

▼ 출근한지 일주일이 조금 넘었을 2012년 2월 9일, 새벽 1시 58분..퇴근하며..

내가 관리했던 장비는 아무래도 Silicon기반의 CMOS용 장비들이었다. 그중에서도 우리 연구실 소유였던 미국 AJA社의 RF/DC Sputter와 주성에서 만든 ALD인 Eureka 3000이었다. 스퍼터의 경우 Ar과 N2가스로 플라즈마를 띄워서 4인치 소스타켓을 스퍼터링하여 거꾸로 매달려 회전하는 웨이퍼에 증착하는 방식이었다. 대략 1E-8 Torr까지 압력을 낮추어 진행했다. 

▼ AJA社의 RF/DC Sputter. 수리하느라 AJA에 새벽에 국제전화도 많이하고 사진 찍어서 기술자들과 이메일로 문의하고..고생했다.

▼ ALD 관리도 정말 골치아팠다. 특히 이놈의 Heating Jacket들이 자주 고장났다. 파이프의 온도를 150~170도가량으로 유지해주어 가스와 프리커서가 원활하게 들어가게 해주는 역할을하는데 저거 하나가 수십만원이다.. 겉에 고무.. 내가 만들어도 될듯한데...

ALD는 십억이 넘는 고가의 장비였고 12인치 웨이퍼도 가능했지만 대부분 8인치 웨이퍼위에 조각웨이퍼를 올려서 소자를 만들었다. 워낙 정교하고 민감한 장비라서 정비하는데 애먹었다. 주성측에서도 거의 도움을 주지 않아서 박사 선배들과 고생고생하며 관리했는데도 아무래도 24시간 오퍼레이터가 관리해주는것이 아니라 즉각적인 대응이 힘들었고 고장나면 고치느라 정말 고생했다. 

첫해에는 내 연구 주제인 Germanium MOS구조를 만들기 위하여 4인치 저마늄 (게르마늄이라고도 읽을수도...ㅎㅎ) 웨이퍼를 수도없이 클리닝하며 (불산HF용액) 어닐링하고 10나노미터 이하의 High-k oxide (주로 HfO2, ZrO2)를 올리고 메탈 게이트를 올린뒤 MOS Capacitor의 특징을 연구했다. 물론 저마늄 연구를 본격적으로 시작한건 여름방학쯤 되어서였고 그전에는 주성과 RRAM프로젝트도 잠깐 손댔다가 이것저것 장비배우면서 지냈다. 

▼ 연구실건물이 위치해있던 카이스트 내의 나노종합팹센터. 일명 나노팹. 지금은 위로 여러층을 증축하여 무려 10층에 육박해졌고 이름도 나노종합기술원으로 바뀌었다.

▼ 나노종합팹센터의 봄날.. 벚꽃이 참 아름다웠다. 2012년 4월 11일.

 

▼ 연구실 휴게실에서 바라본 카이스트의 불타는듯한 노을풍경.

 

내 연구에 대해서 아주 간략하게 쉽게 설명해보자면 현재 쓰이는 반도체 재료인 실리콘의 경우 더이상 물리적 한계에 부딪혀서 더 작게 만들기 어렵고 속도를 더 올리기 힘들어짐에 따라 더 빠른 반도체 재료 또는 새로운 구조등이 활발하게 연구되고 있다. 그중 반도체 업계 갑중의 갑인 인텔에서 상용화한 3D FinFET의 경우 실리콘을 사용하면서도 속도를 개선한것이 특징이다. 하지만 이것도 결국 한계가 있기때문에 애초에 속도가 빠른 반도체물질인 Germanium을 사용하는 반도체 연구가 진행되고 있다. 하지만 저마늄은 표면이 매우 불안정한 물질이다. 그래서 표면처리와 Oxide를 안정적으로 올릴수 있게 만드는것이 공정 연구의 핵심. 게다가 Oxide를 최대한 얇게 만들면서도 전류가 줄줄 흐르지 않도록 완벽하게 컨트롤하는것이 관건이다. 

내 연구의 핵심이 바로 그거였다. 최대한 얇게 Oxide를 ALD로 깔면서도 HF클리닝한 표면이 문제가 없이 유지되며 누설전류가 최소화되는 그런 최적화된 MOS구조...를 만들어내는거다. 말도 어렵지만 만들어내는것도 어렵다. 아이디어 싸움이다. 참고로 이 연구는 삼성전자가 우리 연구실에 1년마다 수천만원씩 연구비로 지원하며 무려 5년간 진행되는 프로젝트였다. 내가 가진 장비들로 창의적이면서도 실용적인 방법으로 MOS구조를 만들어내야 했다.

물론 결과적으로 내 연구결과도 삼성전자 입장에서 보면 실용성이 없다고 하겠지만 아예 금속을 금이나 크롬을 사용하거나 MBE같이 실용성없는 장비를 사용해서 소자를 만드는것보단 적어도 TaN게이트에 HfO2, ZrO2 옥사이드와 스퍼터/ALD장비조합으로만 만들어낸 내 소자가 그나마 실용적이리라 생각된다. 지도 교수님께서도 회사 경험이 있으신 분이라 실용성을 굉장히 강조해주셨고 학회참석하고 회사사람들과 얘기해보니 너무 대학원에서 비현실적인 연구, 즉 실용성이랑은 거리가 너무 먼 연구를 하게 되면 회사입장에서는 참 답답하다고 한다. 앞으로 할 박사과정 연구에서도 어느정도 감안하며 연구를 진행 할 계획이다.

아무튼 석사 2년차 여름방학이 되었지만 뚜렷한 경향성을 보이지 않던 샘플들이 6월쯤에 특징의 변화를 보여주며 내가 고안한 Vacuum Annealing+ultrathin high k metal deposition+ALD high k oxide증학이 어느정도 효과가 있음을 나타내주고 있었다. 드디어 1년 반의 실험이 결실을 맺는 순간이었다. EOT는 1nm 이하이면서도 누설전류가 낮았다. 일단 전기적인 결과는 이렇게 나왔지만 왜 그렇게 나왔는지 분석하는것이 또 큰 일이었다. 

▼ 내 실험 뿐만 아니라 수많은 샘플을 분석하기 위해 충남대 XPS를 사용하러 정말 자주왔다. 주성에서 의뢰한 다양한 분석을 하기 위해서도 왔고.. 내 실험샘플의 XPS를 측정하기 위해서도 왔는데 물론 카이스트내부의 XPS도 있지만 항상 스케쥴이 너무 밀려있어서..

다양한 가설을 세우고 TEM, SEM, XPS 등의 분석장비를 동원하여 3개월이상 분석한 결과 어느정도 경향성을 입증할 수 있었고 이는 내 석사학위 논문이 완성되어가는 과정이었다. 수없이 밤새고 기숙사에서는 자는둥 마는둥 하며 지낸 2년간의 과정이 끝나가고 있음을 느낄수 있었다.

▼ 연구를 거의 마무리 하는 시기였던 2013년 10월말.. 저온 probing station에서 Interface Trap Density (Dit) 측정을 하며..

▼ 밤새며 먹는 야식은 정말 꿀맛이다. 2012년 5월 21일 새벽 1시 21분..

구체적인 유학 결심은 언제 했느냐?!물어본다면 나는 석사 1년차 겨울방학때 다녀온 샌프란시스코에서의 IEDM학회가 결정적이라고 말한다. IEDM (International Electron Device Meeting)의 경우 반도체업계/학계에서는 최고의 학회이다. Symposium on VLSI Technology와 함께 2대 학회라고 불리는데 석사 1년차 12월에 갑자기 교수님께서 발표하러 가는 박사선배와 함께 다녀오라고 하셨다. 석사 1년차가 아무 발표없이 그냥 선배 따라 그것도 저 멀리 샌프란시스코 학회를 간다는건 전례가 없었다. 

지금도 항상 지도 교수님께 감사의 마음을 가지고 있다. 석사 1년간 아무리 연구해도 안되고 맨날 저마늄 논문만 읽으면서 내 시야가 좁아지고 있다고 느끼던 찰나에 참석했던 IEDM학회는 내 눈을 크게 뜨게 해주었다. 논문으로만 읽던 유명한 교수님들을 뵙기도 했고 수많은 고품질!의 논문을 쓴 저자들과 직접 대면하여 궁금한점을 가려운곳 긁듯이 정확히 물어보고 답변을 들을 수 있었다. 

▼ 2012년, 샌프란시스코 힐튼호텔에서 열린 IEDM 학회의 시작..

너무 우물안 개구리처럼 내가 맡은 연구, 내가 하는 분야만 보다가 수많은 다양한 사람들과 연구결과들을 보니 이런 수많은 사람들이 모이는 미국에서 박사과정을 하고 싶다는 생각이 딱! 들었다. 물론 학회참석은 한국에서 대학원을 다니면서도 가능하지만 다양한 백그라운드를 가지고 전세계에서 몰려들어 다양한 연구를 하고 있는 미국에서 공부하며 다양한 사람들과 어울리고 싶다는 생각이 들었다. 한국에서 박사를 하고 나면 대부분 삼성전자나 하이닉스로 취직을 하여 연구소 생활을 시작하지만 박사를 유학으로 나가서 좀 더 색다른 옵션을 손에 쥐고 싶었다. 삼성전자와 하이닉스뿐만 아니라 유학생활을 통해 얻을 수 있는 또 다른 옵션들.. 그게 뭐가 될지는 아직 모르겠지만 유학 결심을 하면서 마치 모험을 떠나는 느낌이 들었다. 

▼ 학회 참석하러 가는 길! 호텔에서 나가기 전.

▼ 학회 끝나고 귀국전 방문한 스탠포드 대학교 (Stanford University)

한편으로는 박사과정으로 오기를 원하셨던 지도교수님의 제안을 여러번 정중하게 거절하며 너무 죄송했고 IEDM학회를 보내주셔서 조금 더 유학의 꿈을 꾸게 해주셔서 항상 감사한 마음을 가지게 되었다. 석사 졸업후 Post Master로 있으면서 유학나가기 전까지 연구실에서 연구하라고 배려해주셨지만 그 또한 초반에 목도 아프고 GRE와 TOEFL을 하기위해 서울로 올라오며 못했기에 또 죄송했다.

▼ 석사학위 논문심사, 즉, 디펜스를 하루 앞두고 안내문을 만들며... 

아무튼 이렇게 2년 대학원 생활을 하고 석사학위 디펜스도 무난히 마치고 나니 바로 몸에 무리가 왔다. 아마 긴장이 풀리면서 그동안 느끼지 못했던, 하지만 계속 누적되어왔던 통증이 한꺼번에 터진듯했다. 거북목 (일자목)이 심해지면서 귀 뒤부터해서 머리, 눈뒤까지 너무 아팠다. 3일 내내 아무것도 안하고 누워서 쉬어도 깨어있는 내내 아팠고 편두통이 심해서 앉아있을수도 없고 누워도 계속 아팠다. 하루정도 쉬면 괜찮아지던 증세가 3일넘게 지속되니 큰일났다는 생각이 들었다.

아직 갈길이 먼데... 2013년 12월 30일, 교수님께 말씀드리고 기숙사 짐 빼고 연구실 자리 정리후 서울로 올라왔다. 

▼ 기숙사를 비우고 서울 올라오는 날.. 2013년 12월 30일. 안녕 카이스트!

바로 마취통증학과를 찾아가서 목에 엄청큰 주사 8방을 맞고 물리치료를 받으며 요양했다. 나아지긴 했지만 유학준비 하는 동안도 조금 오래 공부했다 싶으면 어김없이 목/머리/편두통이 왔고 2일이나 3일정도 끙끙 앓아야만 나았다. 그래서 시작한 헬스장이 벌써 10개월이 넘어간다.. 그나마 괜찮아 졌는데 잠시 방심했더니 몇주전에 또 오랜만에 목뒤통증/편두통때문에 3일을 고생했다..

서울에 올라와서 GRE학원을 다니는데 갑자기 좋은소식이 날아들었다. 내가 석사과정중 고안했던 방법으로 같이 연구하고 같이 졸업한 박사 형과 쓴 논문이 IEDM과 함께 반도체업계에서 유명한 학회인 VLSI에 통과되었다는 소식이었다. 졸업후 한달 뒤인 2014년 3월, GRE학원에서 공부하다가 알게되었고 고심끝에 2014년 6월에 하와이에서 열리는 VLSI학회에 참석하기로 했다. 물론 어디 소속이 없으니 자비로 비행기티켓을 구매했고 학회비도 냈으며 현지 체류비도 다...내가 직접 내야했다. 아버지께서 적극 지원해주셔서 다녀올수 있었다. 

▼ 발표하시는 박사 선배.. 저자목록에 내이름이 두번째로 들어가있다. Vacuum Annealing+in-situ metal capping method가 내가 고안한 공정 방법이고 내 석사과정 논문 주제였다.

박사 졸업후 삼성전자에 취직했던 박사선배는 회사 출장비로 학회를 오셨고 우리 연구실에서 같이 졸업하신 또 다른 박사 선배가 동시에 해당 학회에 논문이 되는 바람에 삼성전자에서 2명, 하이닉스에서 1명, 연구실에서 후배 1명, 교수님 그리고 나까지 총 6명이 하와이에 가게되었다. 물론 나만...자비로 비용을 충당했지만 꼭 가고 싶었다. 유학준비중이었기 때문에 당시에는 수많은 교수님들이 오시는 해당 학회에서 교수님들을 뵙고 싶었고 석사 1년차에 다녀온 IEDM학회와 함께 최고 권위인 VLSI학회도 참석하고 싶었기 때문이다. 결론적으로는 정말 잘 다녀왔으며 3월부터 6월까지 내내 토플과 GRE공부로 찌들어있던 내게도 좋은 힐링이 되었다.

대전 카이스트에서의 2년, 정말 평생 잊지 못할 기억이며, 추억이고 힘들었지만 즐거운 나날들이었다. 마치 공군에서의 27개월을 되돌아보며 좋은 기억이었다고, 인생에 큰 도움이 된 경험이었다고 추억하는것처럼 말이다.

▼ 석사 학위, 졸업장!

다음부터는 실제 유학준비과정을 써볼까 한다. 유학준비생 (이라고 쓰고 백수라고 읽는다...)으로서 토플 (TOEFL)과 GRE시험준비하는 과정.. 

잡다한 추억거리들..

▼ 가끔 사람 없을때 전자과 로비에 있는 피아노를 쳤다. 누구에게나 오픈되어있지만 2층까지 뻥뚫린 로비에서 피아노 치면 다른 사람들에게 피해가 갈까봐 주말에 보통 쳤다.. ▼ 2012년 4월 6일.. 당시 하지원과 이승기가 나오던 드라마, 더킹투허츠(라고 쓰고 던킨도너츠라고 읽는다..) 촬영을 전자과 건물 1층에 있는 던킨에서 했다. 장소 선정이유는?! 북한식 건물같다는 이유때문에..ㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋ 실제 전자과 건물은 북한건물같다. 목욕탕 타일 디자인의.. ▼ 정말 좋아했던곳.. 오문창 순대국밥.. 카이스트에서 차로 15~20분은 가야하지만 24시간이라서 새벽에도 오토바이타고 가서 먹고오고.. 밤새로 아침에 먹으러가기도했고... 5천원에 정말 양 많고 맛있는 순대국밥을 즐길수 있다. ▼ 석사 마지막 학기중인 2013년 9월 15일.. 대전을 떠나기 전에 시간내서 대전 국립현충원을 다녀왔다. 왠지 한번은 다녀와야 마음이 편할거같은 느낌이 들었고 천천히 걸으면서 이런 저런 생각을 하다 왔다.