차세대 반도체의 핵심 소재로 주목받는 '2차원 반도체'를 원자층 단위로 정교하게 가공하는 새로운 기술이 개발됐다. 복잡한 물질 적층 공정을 간소화하고 초미세·저전력 반도체를 개발하는 데 기여할 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부는 기초과학연구원(IBS) 반데르발스 양자 물질 연구단 조문호 단장(POSTECH 석학 교수) 연구팀이 2차원 반도체를 구성하는 원자를 선택적으로 바꿔 하나의 박막에 반도체·절연체·준금속 영역을 원하는 층과 위치에 구현하는 '모듈형 트랜지스터 제작 기술'을 개발했다고 16일 전했다.

이번 연구는 과기정통부의 IBS 기초과학연구단 지원 사업으로 수행됐으며, 연구 결과는 세계적 학술지 '사이언스(Science)'에 이날 오전 3시(KST) 게재됐다.

◆ 서로 다른 물질 쌓는 대신 원자 바꾸는 방식 고안

2차원 반도체는 원자층 두께에서도 전류를 제어할 수 있어 기존 실리콘 반도체의 미세화 한계를 극복할 차세대 소재로 꼽힌다. 다만, 실제 소자로 구현하려면 서로 다른 물질을 정교하게 집적해야 하는 과제가 남아 있다.

대표적 반도체 소자인 트랜지스터에는 전류가 흐르는 반도체, 이를 제어하는 절연막, 전류가 드나드는 금속 전극이 필요하다. 

그런데 2차원 반도체는 표면에서 다른 물질과 화학적으로 잘 결합하지 않아 절연막을 균일하게 입히기 어렵고, 금속 전극을 직접 붙이면 접촉면이 손상되거나 전기 저항이 커져 성능이 떨어질 수 있다. 얇은 물질을 한 장씩 옮겨 쌓는 방법은 공정이 복잡해 넓은 면적이나 대량 생산에 적용하기 어려웠다.

연구진은 물질을 쌓는 대신 2차원 반도체를 이루는 원자를 선택적으로 바꿔 필요한 물질을 원하는 위치에 직접 만드는 방식을 고안했다.

연구에 쓴 p형 반도체 '이셀레늄화텅스텐(WSe₂)'은 텅스텐(W) 원자층을 셀레늄(Se) 원자층이 위아래로 감싼 구조다. 연구진은 텅스텐 원자는 그대로 두고 주변 셀레늄 원자만 바꾸면 물질의 전기적 성질이 달라지는 원리를 활용했다.

◆ 층·위치 골라 절연체·반도체·준금속으로 변환

연구진은 다층 이셀레늄화텅스텐 박막의 원하는 층과 위치에서 셀레늄 원자를 산소(O), 황(S), 텔루륨(Te)으로 선택적으로 치환했다. 그 결과 절연체인 산화텅스텐(WOₓ), n형 반도체인 이황화텅스텐(WS₂), 전기가 잘 통하는 준금속 이텔루륨화텅스텐(WTe₂)으로 각각 변환했다.

박막의 층과 층 사이 미세한 틈이 반응 원자의 이동을 가로막는 장벽으로 작용하는 점을 이용했다. 반응 온도와 반응 기체의 압력을 조절해 화학반응이 다음 층으로 넘어가는 것을 제어함으로써 약 0.7나노미터(nm) 두께의 원자층 단위로 물질을 변환했다.

반도체 공정용 마스크를 활용해 평면상의 원하는 위치만 선택적으로 바꾸는 데에도 성공했다.

연구진은 이 기술로 하나의 박막에 반도체(이셀레늄화텅스텐), 절연막(산화텅스텐), 준금속 전극 접합층(이텔루륨화텅스텐)을 갖춘 모듈형 트랜지스터를 구현했다.

준금속 접합층을 적용하자 금속 전극에서 반도체로 전하가 이동할 때 넘어야 하는 에너지 장벽이 35.5밀리전자볼트(meV)까지 낮아졌다. 금속 전극을 직접 붙이는 경우와 비교해 약 3분의 1 수준이다.

◆ 이론적 한계에 근접한 성능…인버터로 확장 가능성 확인

전류를 10배로 바꾸는 데 필요한 게이트 전압 변화량은 61.3밀리볼트로, 상온에서 기존 방식 트랜지스터가 도달할 수 있는 이론적 최솟값인 약 60밀리볼트에 가까웠다. 켜진 상태와 꺼진 상태의 전류 비율은 1000만 배 이상이었다.

산화텅스텐 절연막은 전기적 성능을 두께로 환산한 등가산화막두께(EOT)가 1나노미터 미만으로, 국제 반도체 로드맵이 제시한 초미세 소자의 핵심 성능 목표 수준을 달성했다.

연구진은 p형과 n형 트랜지스터를 수직으로 쌓아 '상보형 인버터'도 제작했다. 이 인버터는 1볼트(V)의 낮은 전압에서도 신호를 반전시켜, 이번 기술이 적층형 집적회로로 확장될 가능성을 보여줬다.

또한 연구진은 이 기술을 다양한 2차원 반도체 소재에 적용하고 웨이퍼 크기의 대면적 공정으로 발전시키는 한편, 3차원 적층형 집적회로 등 차세대 초미세·저전력 반도체 기술로의 응용 가능성을 탐색할 계획이다.

조문호 IBS 단장은 "이번 연구는 원자 단위 물질 조작이라는 기초 물질과학의 기법을 현대 반도체 기술에 접목해 미래 반도체 기술의 질적 도약을 위한 돌파구를 마련했다는 데 의미가 있다"며 "초저전력·초미세 반도체는 물론 차세대 적층형 반도체 소자 기술로도 확장될 수 있을 것"이라고 설명했다.

김성수 과기정통부 연구개발정책실장은 "이번 연구는 기초과학 연구가 차세대 국가 전략기술인 반도체 분야의 난제를 해결하고 새로운 공정 패러다임을 제시한 대표적인 혁신 사례"라며 "앞으로도 원천기술이 우리나라 산업 경쟁력으로 이어질 수 있도록 기초·원천 연구 지원을 아끼지 않겠다"고 강조했다.

문의: 과학기술정보통신부 기초연구진흥과(044-202-4530)

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