KIMS, 2차원 반도체 350도 저온서 웨이퍼 10장 동시 합성

재료연구원, 김용훈·김지우 박사·부산대 이승기 교수팀

트랜지스터까지 직접 제작…반도체 대량 생산 길 열어

[창원=뉴시스]350도 저온서 2차원 반도체 웨이퍼 10장 동시 합성 성공한 국내 연구진. 왼쪽부터 한국재료연구원 김용훈 책임연구원, 김지우 선임연구원, 부산대학교 이승기 교수, 한국재료연구원 강성모 석사후연구원, 정석진 박사후연구원.(사진=한국재료연구원 제공) [email protected]

[창원=뉴시스]홍정명 기자 = 한국재료연구원(KIMS)은 지능형반도체재료연구센터 김용훈·김지우 박사 연구팀이 부산대학교 이승기 교수 연구팀과 공동으로 600도 이상 고온에서 제조하던 2차원 반도체를 350도 저온에서 웨이퍼 10장에 동시 합성하는 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.

또, 이 기술을 이용해 실제 전자부품인 트랜지스터까지 제작했다고 덧붙였다.

아울러 이번 성과는 여러 장의 웨이퍼를 한 번에 처리해 반도체 제조 효율을 높인 것으로, 향후 대량 생산과 차세대 3차원 적층 반도체 제조기술로의 확장 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 크다고 강조했다.

최근 인공지능(AI)과 고성능 컴퓨팅 기술 발전으로 더 작고 성능이 뛰어난 반도체를 요구하는 수요가 증가하면서 초소형 전자부품 제작에 유리한 '2차원 반도체'가 차세대 소재로 주목받고 있다.

2차원 반도체는 원자 몇 개 층 수준의 매우 얇은 두께를 가진 반도체 소재로, 두께가 얇아 초소형 전자부품 제작에 유리하고 한정된 공간에 더 많은 전자부품을 집적하는 차세대 고집적 반도체에 활용할 수 있다.

그러나 기존의 일부 기술은 제조 과정에서 600도 이상 높은 온도가 필요해 이미 만들어진 반도체 소자에 손상을 줄 수 있고, 제조한 소재를 다른 기판으로 옮기는 복잡한 과정이 필요해 실제 생산공정 적용에는 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 한계 극복을 위해 먼저 반도체 제조에 사용되는 둥근 판인 웨이퍼 표면에 산화주석(SnOx)을 얇게 입힌 뒤 350도에서 황화수소(H2S) 가스와 반응시켜 3㎚ 두께의 2차원 반도체 이황화주석(SnS2)으로 변화시켰다.

특히 지름 10㎝가량의 웨이퍼 10장을 한 번에 처리하는 배치(Batch)형 공정을 구현해 제조 효율을 높일 가능성을 보여줬다.

또한 제조한 반도체를 다른 기판으로 옮기지 않고도 바로 트랜지스터를 제작해 제조 공정을 단순화하고 소재 손상이나 오염 위험을 줄였다.

연구팀은 웨이퍼 1장당 400여 곳에서 반도체 소재의 특성을 측정해 균일하게 제조됐는지 점검했으며, 트랜지스터 200개를 제작해 성능을 평가한 결과 전류가 흐를 때와 차단됐을 때의 전류량이 평균 30만 배 차이가 나는 것으로 확인했다.

이를 통해 여러 웨이퍼에서 반도체 소재의 균일성과 트랜지스터 성능의 일관성을 확인함으로서 향후 대량생산 공정으로의 확장 가능성을 제시했다.

연구팀은 향후 기존 실리콘 반도체 위에 2차원 반도체를 직접 쌓는 기술을 검증하고, 이를 차세대 3차원 적층 반도체 제조 기술로 발전시킬 계획이다.

공동 제1저자 강성모·정석진 KIMS 연구원은 "2차원 반도체를 낮은 온도에서 여러 장 동시에 만들고, 이를 이용해 실제 전자부품까지 제작할 수 있는 기술을 확보했다는 데 의미가 있다"면서 "앞으로 기존 반도체 소자와 수직으로 쌓는 집적 기술로 확장해 차세대 고집적 반도체 제조 기술의 산업적 활용 가능성을 높이겠다"고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 국가과학기술연구회(NST) 연구사업과 한국재료연구원 기본사업, 한국연구재단 지원사업 및 경상국립대학교 글로컬대학30 사업으로 수행됐다.

연구 결과는 영국왕립화학회(RSC) 발행 국제학술지 '나노스케일(Nanoscale, IF 5.2)' 7월 1일자 뒷표지로 게재됐다.


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