원자 한 층 두께의 2차원 반도체를 금속막으로 보호해 트랜지스터 소자의 전류 성능을 10배 높이는 공정이 개발됐다. 트랜지스터 성능을 떨어뜨리는 공정 찌꺼기 생성을 막는 기술이다. 얇은 두께의 2차원 반도체 소재로 더 작고 빠른 반도체 칩을 만들 수 있게 됐다. 

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.

개발된 방식을 이용하면 포토레지스트 찌꺼기가 이황화몰리브덴 표면에 직접 닿는 것을 막고, 별도의 강한 세척 없이 안전하게 제거할 수 있다. 이황화몰리브덴 위에 오염을 대신 받아낼 5나노미터 두께의 희생 금속막을 먼저 입힌 뒤, 그 위에서 회로 제작 공정을 진행하는 방식이다. 공정이 끝나 금속막을 녹여내면 그 위에 붙은 포토레지스트 찌꺼기도 함께 제거된다.

실제 이 공정으로 제작한 이황화몰리브덴 트랜지스터의 접촉저항은 2.58×10⁵ Ω·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.

또 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.

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

연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단, 정보통신기획평가원, InnoCORE 사업, 산업통상자원부 한국산업기술진흥원 등의 지원을 받아 수행됐다.