▲ 금속막으로 반도체 표면 오염을 막는 원리와 효과. 금(Au)막으로 표면을 보호한 뒤, 공정이 끝나면 금막과 그 위에 붙은 찌꺼기를 함께 제거하게 된다. 이 공정으로 접촉저항은 약 10분의 1로 낮아졌다.

국내 연구진이 2차원 반도체를 금속막으로 보호해 트랜지스터 소자의 전류 성능을 10배 높이는 공정을 개발해 고집적 메모리 소자 개발에 기여할 전망이다.

UNIST 전기전자공학과 김명수 교수와 반도체소재·부품대학원 김병조 교수팀은 얇은 금속막을 입혀 이황화몰리브덴(MoS₂) 표면에 포토레지스트 잔여물이 눌어붙는 것을 막는 반도체 공정 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

포토레지스트는 빛에 반응하는 고분자 물질로, 반도체 표면에서 회로 모양을 만드는 데 쓰인다. 포토레지스트를 이황화몰리브덴 반도체에 바른 뒤 남길 부분은 마스크로 가리고, 나머지를 플라즈마로 깎아 제거하는데, 이 과정에서 플라즈마에 노출된 포토레지스트가 딱딱하게 굳어 붙을 수 있다.

이 찌꺼기는 일반적인 용매 세척으로는 잘 제거되지 않고, 강한 초음파 세척을 하면 얇고 민감한 이황화몰리브덴이 기판에서 떨어질 수 있다. 또 열처리 역시 포토레지스트 찌꺼기가 분해되기도 전에 소자가 견딜 수 있는 온도를 넘을 위험이 있어 적용하기 어려웠다.

이에 연구진은 이황화몰리브덴 위에 오염을 대신 받아낼 5나노미터 두께의 희생 금속막을 먼저 입힌 뒤, 그 위에서 회로 제작 공정을 진행하는 방식을 채택했다. 포토레지스트 찌꺼기가 이황화몰리브덴 표면에 직접 닿는 것을 막고, 별도의 강한 세척 없이 금속막을 녹여내면 그 위에 붙은 포토레지스트 찌꺼기도 함께 제거된다.

실제 이 공정으로 제작한 이황화몰리브덴 트랜지스터의 접촉저항은 2.58×10⁵Ω·μm(옴·마이크로미터)로, 기존 공정으로 만든 소자의 약 10분의 1 수준이었다.

또 저항이 낮아져 트랜지스터가 켜졌을 때 흐르는 전류는 약 10배 커졌으며, 금속막을 입히고 제거한 뒤에도 이황화몰리브덴의 결정 구조에는 뚜렷한 손상이 발견되지 않았다.

제1저자인 김다현 연구원은 “이 공정 기술은 일반 반도체 회로 공정뿐만 아니라 전자빔으로 더 미세한 회로를 그려내는 경우에도 쓸 수 있고, 이황화몰리브덴을 어떤 방식으로 합성했느냐에 관계없이 쓸 수 있는 범용성이 있다”고 설명했다.

또한 연구팀은 포토레지스트 찌꺼기가 쉽게 제거되지 않던 원인도 계산 분석을 통해 새롭게 밝혀냈다. 플라즈마 속 산소가 포토레지스트의 화학구조를 바꿔 이황화몰리브덴 표면에 약 2배 강하게 달라붙게 하는 것으로 나타났다.

김명수 교수는 “이황화몰리브덴은 트랜지스터와 같은 반도체 소자를 지금보다 더 작고 얇게 만들 수 있는 소재”라며 “이를 실제 고성능 소자로 만드는 데 걸림돌이었던 공정 오염 문제를 해결해, 향후 고집적 로직·메모리 소자 개발에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.

한편 이번 연구는 국제학술지 ‘스몰(Small)’에 8월 11일자로 온라인 게재됐다.