[울산=뉴시스] 구미현 기자 = 국내 연구진이 원자 한 층 두께의 2차원 반도체를 공정 오염으로부터 보호해 트랜지스터 성능을 크게 높이는 기술을 개발했다. 포토레지스트가 반도체 표면에 달라붙는 것을 미리 차단하는 방식으로 접촉저항을 기존의 10분의 1로 낮추고, 트랜지스터의 온전류를 약 10배 높였다. 차세대 고집적·초박막 반도체 소자 구현에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST)은 전기전자공학과 김명수 교수와 반도체소재·부품대학원 김병조 교수 연구팀이 이황화몰리브덴(MoS₂) 표면에 포토레지스트 잔류물이 남는 것을 막는 '희생 금속 마스크 리소그래피' 공정을 개발했다고 24일 밝혔다.

2차원 반도체는 원자층 수준으로 얇아 미세한 오염에도 전하 이동 특성이 크게 떨어진다. 특히 반도체 제작 과정에서 포토레지스트가 플라즈마에 노출되면 단단하게 굳어 표면에 잔류할 수 있는데, 일반적인 용매 세척으로는 제거가 어렵고 강한 세척이나 고온 열처리도 소재 손상을 유발할 수 있다.

연구팀은 오염물질을 제거하는 대신 금속막으로 반도체를 먼저 보호하는 방식을 고안했다. 포토레지스트를 도포하기 전에 MoS₂ 채널 위에 5㎚ 두께의 금(Au) 희생 금속막을 형성하고, 회로 제작이 끝난 뒤 금속막을 제거하면 금속막 위에 생긴 포토레지스트 잔류물도 함께 제거되는 원리다.

연구팀은 분자동역학과 밀도범함수이론 계산을 통해 플라즈마 처리 과정에서 포토레지스트에 산소가 결합하면서 MoS₂ 표면과의 흡착력이 크게 증가해 잔류물이 강하게 달라붙는 원인도 규명했다. 또 잔류물이 MoS₂의 밴드갭 내부에 결함 준위를 만들어 전하 이동을 방해한다는 사실도 확인했다.

개발 공정을 적용한 MoS₂ 트랜지스터의 접촉저항은 기존 2.59×10⁶Ω·μm에서 2.58×10⁵Ω·μm로 약 10분의 1로 감소했으며, 이에 따라 온전류는 약 10배 증가했다. 금속막을 제거한 뒤에도 MoS₂의 결정 구조에는 뚜렷한 손상이 나타나지 않았다.

연구팀은 전자빔 리소그래피를 활용한 상부 게이트 트랜지스터와 원자층증착 방식으로 제작한 MoS₂ 박막에도 이 공정을 적용해 성능 개선을 확인했다. 이에 따라 특정 소자 구조나 리소그래피 방식에 국한되지 않고 다양한 2차원 반도체 공정에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

김명수 교수는 "공정 오염 문제를 해결한 만큼 향후 고집적 로직·메모리 소자 개발에 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 국제학술지 스몰(Small)에 8월 11일 온라인 게재됐다.


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