▲ 연구진이 MoS₂ 반도체 공정 결과에 대해 분석하고 있다.

세계적으로 인공지능(AI), 자율주행 등과 같은 미래산업이 주목받는 가운데, 한국기계연구원(원장 박상진)이 성능이 뛰어나고 전력이 절감되는 차세대 2차원 반도체의 식각 기술을 개발, 이황화 몰리브덴 반도체 양산 토대를 마련했다.

과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(이하 기계연) ‘플라즈마 기반 반응성 이온 식각장비를 이용해 차세대 반도체 이황화 몰리브덴의 4인치 대면적 원자층 식각 기술을 개발했다고 밝혔다.

이번 기술 개발은 기계연 플라즈마연구실 김형우 박사와 성균관대학교 (총장 유지범) 김태성 교수 공동 연구팀이 함께했다.

이황화 몰리브덴(MoS2)은 몰리브덴과 황으로 구성된 화합물로, 1nm 수준으로 얇고 평평한 형태로 안정적으로 전자이동을 제어하며, 실리콘을 대체할 수 있는 신소재 물질로 주목받고 있다.

기존 실리콘 반도체는 미세공정을 통해 반도체 칩의 선폭이 좁아지면서 원자 단위까지 공정 제어가 필요하다. 하지만 실리콘은 원자층 두께로 얇아지면서 전자가 잠재적 에너지 장벽을 뚫고 지나가는 터널링 효과로 인해 단원자 두께의 정밀한 공정이 어렵다. 이로 인해 누설전류가 발생 되기도 한다.

MoS2 기반 반도체는 넓은 면적을 균일하게 형성하기가 어려웠으나, 이번 연구를 통해 세계 최초로 4인치 수준의 대면적에서 원하는 원자층 두께로 MoS2의 식각이 가능한 공정을 개발했다.

플라즈마 화학기상증착법장비와 플라즈마 기반 반응성 이온 식각(Reactive ion etcher, RIE) 장비를 이용해, MoS2 반도체를 양산할 수 있는 토대를 마련했다.

MoS2는 반도체 성능 지표인 on/off 비율이 기존 실리콘 대비 1000배 이상 높아 뛰어난 반도체 성능을 유지할 수 있다. 또 플라즈마 식각 공정 수행 시 반도체 표면에 불순물이 잔류하기 때문에 이를 제거하기 위한 추가 공정이 필요하다는 단점이 있다.

연구팀은 이 문제를 양자역학을 근간으로 재료의 전자구조를 해석하기 위한 계산 방법인 밀도범함수이론(Density functional theory, DFT) 기반의 계산과학 스크리닝 시스템을 도입해 해결했다.

기계연 김형우 선임연구원은 “최근 미래 산업들이 반도체 칩의 미세선폭 제어가 가능한 공정의 중요성이 부각되고 있다. 이번 기술 개발을 통해, 2D 차세대 반도체 공정으로 MoS2 반도체를 양산 수준까지 향상해 반도체 산업 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 저명 국제 학술지 ‘케미스트리 오브 메터리얼즈 (Chemistry of Materials)’에 2023년 2월 출판 및 표지 논문으로 선정됐다.

또한 기계연 기본사업 ’반도체·디스플레이산업 핵심공정용 플라즈마 장비 기반 원천 기술 개발’ 과제의 지원을 받아 수행됐다.