차세대 반도체 고온 손상 없이 쌓는 새 제조기술 개발

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 서준기 교수 연구팀이 한양대학교 송봉근 교수 연구팀, 미국 라이스대학교 이모 한 교수 연구팀과 공동으로 원자층증착법(ALD)을 이용한 새로운 반도체 제조기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

미래 반도체는 서로 다른 기능을 가진 소재를 한 칩에 층층이 쌓아 만든다. 그러나 소재를 쌓는 데 필요한 높은 열로 아래층이 손상되는 것이 큰 걸림돌이었다.

연구팀이 주목한 것은 반데르발스 소재다. 반데르발스 소재는 원자층이 여러 장 겹쳐 있지만 층과 층 사이가 약하게 붙어 있어 종이처럼 얇게 떼어낼 수 있는 2차원 반도체 소재다. 서로 다른 소재를 자유롭게 겹칠 수 있어 차세대 AI 반도체와 초저전력 반도체의 핵심 소재로 주목받고 있다.

하지만 표면이 매우 안정적이어서 새로운 반도체를 원하는 방향으로 가지런히 성장시키기 어려웠다. 특히 온도를 낮추면 원자들이 여기저기 흩어져 자라기 때문에 성능이 좋은 반도체를 만들기 쉽지 않았다.

연구팀은 차세대 반도체 소재로 주목받는 텔루륨(Te)을 포함한 전구체가 표면을 자유롭게 이동하며 가장 안정한 위치를 스스로 찾아 박막을 이루도록 하는 새로운 방법을 개발했다.

텔루륨은 전기를 한 방향으로 잘 전달하는 특성과 빛을 효과적으로 제어하는 광전자 특성을 함께 갖춰 차세대 반도체와 광검출기, LED 등 광전자 소자의 핵심 소재로 주목받고 있다.

이를 통해 연구팀은 150도의 낮은 온도에서도 ALD를 통해 텔루륨을 반데르발스 소재 위에 아래층 결정의 원자 배열을 따라 질서 있게 성장하는 에피택시를 구현하는데 성공했다.

에피택시 성장은 아래층 결정 구조를 따라 새로운 반도체가 원자 단위로 정밀하게 자라는 고품질 반도체 제조 기술이다. 이는 벽돌을 아무렇게나 쌓는 것이 아니라 모든 벽돌을 같은 방향으로 반듯하게 쌓는 것과 같아, 전기가 더 잘 흐르고 반도체 성능도 높일 수 있다.

이는 열적 부담을 크게 줄이면서도 결정성이 높고 방향이 제어된 박막을 성장시킬 수 있음을 의미한다고 연구팀은 설명했다. 이미 형성된 반도체 구조 위에 추가 손상을 최소화하며 새로운 기능성 박막을 집적할 수 있어 향후 차세대 반도체 이종집적 공정으로 확장될 가능성을 보여준다.

또 이 기술을 이셀레늄화 텅스텐(WSe₂), 이황화 몰리브덴(MoS₂), 이셀레늄화 레늄(ReSe₂), 운모(Mica) 등 다양한 반데르발스 소재에도 적용할 수 있음을 확인했다.

연구팀은 이렇게 만든 반도체로 트랜지스터와 광전자소자​도 직접 제작했다. 새로운 제조기술이 연구실 수준에 머무르지 않고 실제 반도체 소자 제작에도 활용될 수 있음을 입증했다.

서 교수는 "이번 연구는 낮은 온도에서도 반데르발스 소재 위에 고품질 반도체를 손상 없이 성장시킬 수 있다는 것을 처음 보여준 성과"라며 "앞으로 다양한 차세대 반도체를 하나의 칩 위에 자유롭게 집적하는 핵심 제조기술로 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.

KAIST 김창환 박사과정생이 제1저자로, 서 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 게재됐다.

jongseo12@news1.kr