“더 작고 빠른 저전력 반도체”… 차세대 소재 저온 결함 제거 성공

[이데일리 김현아 기자]반도체 칩을 더욱 작고 빠르며 저전력으로 만들 수 있는 기술이 개발됐다. 울산과학기술원(UNIST) 전기전자공학과 권지민 교수팀과 포스텍(POSTECH) 화학공학과 노용영 교수팀은 차세대 반도체 소재인 이황화몰리브덴(MoS2)의 결함을 200℃에서 제거하는

기술을 성공적으로 개발했다고 30일 밝혔다.

이황화몰리브덴은 칩의 집적도를 높이고 누설 전류를 줄여 발열 없는 저전력 반도체 칩을 만들 수 있어, 차세대 반도체 소재로 주목받고 있다. 하지만 이 소재를 실제 칩에 집적하는 과정에서 발생하는 결함을 제거하는 기술은 상용화의 핵심 과제 중 하나였다. 연구팀은 PFBT라는 물질을 사용해 이 결함을 200℃에서 메우는 방법을 개발했다.

(좌측 하단 부터 반시계방향)정학순 박사(제1저자), 권지민 교수, 이용우 박사, 홍수민 연구원, 구현호 연구원, 이상현 연구원. 사진=UNIST

200℃에서 결함 복구, BEOL 공정 호환 가능

연구팀은 이황화몰리브덴의 몰리브덴과 황의 원자비를 이론적인 비율인 1:2에 가깝게 회복시켰다. 이황화몰리브덴은 박막 형태로 증착되는 과정에서 황 원자가 빠지면서 결함이 발생한다. 이 결함은 전자의 흐름을 방해해 반도체 성능을 저하시킨다.

그러나 연구팀은 PFBT를 사용해 황 결함을 메워 결함을 제거하는데 성공했다. 이 기술은 기존의 실리콘 반도체 BEOL(Back-End-Of-Line) 공정과도 호환돼, 기존의 반도체 제조 공정에 적용할 수 있다는 장점이 있다. BEOL 공정은 기판에 이미 증착된 소자들을 서로 연결하는 과정으로, 소자 손상을 방지하기 위해 350℃ 이하에서 이루어진다.

결함 제거로 전하 이동도 2.5배 개선

결함이 제거된 이황화몰리브덴을 사용해 만든 트랜지스터 소자는 전하 이동도가 2.5배 개선되었고, 전력 소모를 나타내는 ‘문턱전압 이하 스윙 값’은 40% 감소했다. 이는 반도체 소자가 더 빠르고 효율적으로 작동할 수 있다는 것을 의미한다.

연구팀은 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 화학 반응이 가능함을 확인했으며, X선 분광학 분석을 통해 실제 황 결함이 메워진 것을 입증했다. 제1저자인 정학순 박사는 “결함 복구가 200℃ 이하에서 일어나기 때문에 기존 실리콘 반도체 BEOL 공정과 호환이 가능하다는 것이 가장 큰 장점”이라고 설명했다.

권지민 교수는 “공정에서 발생하는 황 결함은 나노스케일의 첨단 노드를 겨냥한 반도체 소자에서 큰 문제”라며, “이번에 개발한 저온 황 결함 회복 기술을 통해 앞으로 이황화몰리브덴뿐만 아니라 다양한 차세대 반도체 소재의 결함 회복과 계면 특성 개선 연구를 더욱 확장할 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구는 UNIST의 정학순 박사와 POSTECH 화학공학과 김민규 연구원이 제1저자로 참여했으며, 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF), 정보통신기획평가원(IITP), 울산과학기술원의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 나노과학기술 분야의 권위 있는 국제학술지인 ACS Nano에 2월 18일 정식 출판됐다.

논문명: Back-End-of-Line-Compatible Passivation of Sulfur Vacancies in MoS2 Transistors Using Electron-Withdrawing Benzenethiol