한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 강기범 신소재공학과 교수팀과 김용주 고려대 교수팀이 이차원 반도체 수평 성장 성질을 이용해 쉽고 간편한 산화물, 금속 등의 10나노미터(㎚) 이하 미세 패터닝 기술을 공동 개발했다고 28일 밝혔다.
연구팀은 차세대 반도체 물질로 주목받는 이차원 전이금속 '칼코겐' 물질의 독특한 결정학적 특징을 패터닝 기술에 접목했다.
일반적인 물질과 달리 이차원 물질은 성장 시 수평 방향으로만 자랄 수 있다. 서로 다른 이차원 물질이 반복적으로 성장해 10㎚ 이하 수준의 이차원 반도체 선형 패턴을 제작할 수 있다.
이런 선형 패턴에 다양한 물질(산화물, 금속, 상변화 물질)을 성장할 때 한 영역 위에서만 선택적으로 증착되는 현상을 최초로 발견했다. 해당 기술을 통해 타깃 물질 패턴 크기 축소와 이차원 반도체 소자 제작 공정 효율성 증대 등을 기대할 수 있다.
일반적으로 선형 패턴 크기는 이차원 물질 합성에 사용되는 기체 상태 분자들의 유입 시간으로 결정된다. 해당 연구에서는 약 1초당 1㎚ 패턴 크기를 형성할 수 있어 기존 광 기반 패터닝 기술에 비해 효과적으로 크기를 줄일 수 있다.
연구팀이 개발한 선택 증착 기술은 선폭 10㎚ 수준의 좁은 패턴에서도 원하는 물질이 한 영역 위에서만 선택적으로 증착됐으며, 기존 기술과는 달리 두께 20㎚ 이상에서도 선택적 증착이 가능했다.
연구팀이 개발한 기술은 다양한 물질들에서 적용할 수 있다. 반도체 산업에서 소자 제작에 필수적으로 활용되는 고유전율 절연체(산화 알루미늄, 산화 하프늄)와 전극 금속(루테늄) 등의 선택적 증착을 확인했다.
이런 뛰어난 물질 확장성은 연구팀이 제시한 새로운 선택 증착 메커니즘에 의해 가능한 것으로 알려졌으며, 추후 더 넓은 응용 기술 개발에 활용할 것으로 기대된다.
연구팀 기술은 차세대 물질인 이차원 반도체 기반에서 적용되기에 이차원 반도체에 효과적으로 게이트 절연체 및 전극의 형성을 도울 것으로 기대된다. 이는 향후 이차원 반도체가 실리콘을 대체할 때 핵심적인 요소기술로 작용할 것이며, 한국에서 가장 중요한 연구 분야인 반도체 시장에서 활발히 응용될 수 있다.
제1 저자인 박정원 연구원은 “새로운 원리의 선택 증착 기술이자 다양한 물질을 10㎚ 이하의 선폭으로 패터닝할 수 있는 차세대 기술을 개발했다”며 “특히 템플릿으로 사용되는 이차원 반도체에 선택 증착을 통해 게이트 산화물과 전극 등으로 직접 이용하면 이 기술의 기대 효과는 더욱 커진다”고 말했다.
박정원 KAIST 신소재공학과 석박사통합과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈 3월 8일 자 출판됐다.
한편 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
