KAIST, 저온서 반도체 결 맞춰 쌓는 제조기술 개발

[충청뉴스 이성현 기자] 국내외 연구진이 기존 고온 반도체 공정으로 인한 하부층 열 손상 문제를 극복하고 150℃의 저온에서 차세대 2차원 반도체의 결을 맞춰 손상 없이 정밀하게 적층하는 신개념 원자층증착(ALD) 공정 기술을 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 서준기 교수 연구팀이 한양대, 미국 라이스대학교와 원자층증착법(ALD)을 이용해 150℃의 낮은 온도에서 차세대 반도체를 원자 단위로 정밀하게 쌓아 올리는 '확산 유도형 에피택셜 원자층증착법'을 개발했다고 27일 밝혔다.

서로 다른 기능의 소재를 층층이 쌓는 차세대 반도체 공정에서는 수백 도에 달하는 기존의 고온 열처리로 인해 하부층이 손상되거나 계면이 변형되는 한계가 존재했다.

특히 종이처럼 얇은 2차원 반데르발스(vdW) 소재는 표면 화학 반응성이 낮아 저온 공정 시 전구체가 제대로 고정되지 못하고 결정 성장 방향이 불규칙해지는 어려움이 있었다.

연구팀은 역발상으로 반응성이 낮은 반데르발스 표면 특성을 활용해 텔루륨(Te) 전구체 분자가 표면 위를 자유롭게 확산하며 가장 안정한 위치를 찾아가도록 유도했다.

그 결과 150℃ 저온에서도 하부 반데르발스 템플릿의 원자 배열 결정 구조를 따라 질서 있게 자라는 '에피택시(Epitaxial Growth)' 성장을 구현하는 데 성공했다.

연구팀은 1차원 사슬형 결정 구조를 지녀 전기적·광학적 이방성이 뛰어난 텔루륨(Te)을 활용해 박막의 결정성과 성장 방향을 정밀하게 제어했다.

또 3회 대칭성을 갖는 템플릿(WSe₂, MoS₂)에서는 세 방향으로 정렬돼 자라고 대칭성이 낮은 템플릿(ReS₂, ReSe₂)에서는 한 방향으로 우세하게 정렬되는 '원자 수준의 배향 제어'를 확인했다.

이번 기술은 이셀레늄화 텅스텐(WSe₂), 이황화 몰리브덴(MoS₂), 이셀레늄화 레늄(ReSe₂), 운모(Mica) 등 다양한 반데르발스 소재에 적용 가능해 뛰어난 범용성을 증명했다.

아울러 연구팀은 제작된 텔루륨 반도체로 트랜지스터와 광전자소자를 직접 제작하며 실제 반도체 소자 집적 공정에서의 실용성을 입증했다.

서준기 교수는 “이번 연구는 화학적으로 반응성이 낮은 반데르발스 표면 특성을 역으로 활용해 저온에서도 손상 없는 고품질 에피택시 성장이 가능함을 증명한 성과”라며 “열적 부담을 줄이면서 서로 다른 반도체 소재를 한 칩 위에 자유롭게 얹는 차세대 이종집적 공정의 핵심 기술이 될 것”이라고 설명했다.