실리콘을 대체할 이차원 반도체 연구가 발전하면서 증착, 패터닝, 식각 등의 복잡한 과정이 필요한 기존 반도체 공정과 달리, 원하는 영역만 선택적으로 증착하는 기술이 주목받고 있다.
KAIST는 신소재공학과 강기범 교수팀이 고려대 김용주 교수팀과 공동연구로 이차원 반도체의 수평성장 성질을 이용해 쉽고 간편한 10나노미터 이하 미세 패터닝 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.
강 교수팀은 차세대 반도체 물질로 주목받는 이차원 전이금속 ‘칼코겐’의 독특한 결정학적 특징을 패터닝 기술에 접목했다.
이차원 물질은 성장 시 수평 방향으로만 자라기 때문에 서로 다른 이차원 물질을 반복적으로 성장시켜 10나노미터 이하 이차원 반도체 선형 패턴을 제작할 수 있다.
이차원 반도체 기반 선택 증착기술 모식도. 화학 기상 증착법으로 이차원 물질을 성장했고, 원자층 증착법으로 다양한 물질들을 한 영역 위에만 선택적으로 증착한 모습. KAIST 연구팀은 이런 선형 패턴에 산화물, 금속 등 다양한 물질이 성장할 때 한 영역 위에서만 선택적으로 증착되는 현상을 최초로 발견했다.
이를 활용하면 타깃 물질의 패턴 크기 축소와 이차원 반도체의 소자 제작공정 효율 증대를 기대할 수 있다.
일반적으로 선형패턴의 크기는 이차원 물질 합성에 사용하는 기체 분자의 유입 시간으로 결정된다.
이번 연구에서는 1초당 1나노미터의 패턴 크기를 형성할 수 있었는데, 이는 기존 광 기반 패터닝 기술보다 크기를 효과적으로 줄인 것이다.
연구팀이 개발한 선택 증착기술은 선폭 10나노미터 수준의 좁은 패턴에서도 원하는 물질이 한 영역 위에서만 선택적으로 증착할 수 있고, 두께 20나노미터 이상에서도 선택적 증착이 가능하다.
또 연구팀은 반도체 산업에서 소자 제작에 필수인 산화알미늄, 산화하프늄 등 고유전율 절연체와 전극 금속(루테늄) 등의 선택적 증착도 확인했다.
다양한 물질의 선택 증착을 보여주는 이미지. 산화 알루미늄 이외에 고유전율 절연체인 산화 하프늄, 전극으로 활용 가능한 루테늄 금속, 상변화 물질인 셀렌화 안티몬의 선택 증착이 가능한 모습. KAIST 이 같은 확장성은 연구팀이 제시한 새로운 선택 증착 메커니즘에 의해 가능한 것으로, 추후 더욱 다양한 응용기술에 활용할 전망이다.
특히 연구팀의 기술은 차세대 물질인 이차원 반도체 기반에서 적용되는 것으로, 이차원 반도체에 게이트 절연체 및 전극 형성을 도울 것으로 기대된다.
이는 향후 이차원 반도체가 실리콘을 대체할 때 핵심 요소기술로 작용해, 우리나라 핵심 분야인 반도체 시장에서 유용하게 활용될 수 있다.
제1저자인 박정원 연구원은 "새로운 원리의 선택증착기술이자 다양한 물질을 10나노미터 이하 선폭으로 패터닝할 수 있는 차세대 기술을 개발한 것“이라며 "특히 템플릿으로 사용되는 이차원 반도체에 선택 증착으로 게이트 산화물과 전극 등을 적용할 경우 기대 효과는 더욱 크다”고 설명했다.
한편 이번 연구는 KAIST 신소재공학과 박정원 석박사통합과정이 제1저자로 함께 참여했고, 연구결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈' 3월 8일자에 게재됐다.
