저온에서 원자층 쌓아 차세대 이차원 반도체 만든다

UNIST, 원자층증착법으로 기판에 텔레륨 증착

원자 1개층이나 그보다 약간 높은 층으로 이뤄진 2차원 물질은 얇은 두께에서도 전하 이동도가 떨어지지 않는 등의 특성이 있어 차세대 반도체 소재로 주목받는다. 국내 연구진이 낮은 온도에서 2차원 반도체 소재를 정밀하게 쌓는 기술을 개발했다.

UNIST(초장 이용훈)는 반도체 소재·부품 대학원 및 신소재공학과 서준기 교수팀이 홍익대 송봉근 교수, UNIST 정후영 교수 연구팀과 함께 원자층 증착법(ALD, Atomic Layer Deposition)으로 50도의 저온에서 텔레륨(Tellurium) 원자가 규칙적으로 배열되는 박막 증착 공정법을 개발했다고 1일 밝혔다.

ALD는 기체 상태로 공급되는 전구체와 기판 표면의 화학 반응을 통해 박막을 증착하는 반도체 공정 기술이다. 낮은 공정 온도에서도 삼차원 구조의 표면에 얇고 균일한 막을 코팅할 수 있고 두께 조절도 가능하다. 하지만 원자층 반도체에 적용하려면 250도 이상의 공정 온도와 450도 이상의 추가 열처리 작업이 필요하다.

연구팀은 최근 전자소자나 열전소재 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 높을 것으로 기대되는 텔레륨에 ALD를 적용, 50도의 저온에서 원자가 규칙적으로 배열되고 모든 표면에 균일하게 증착된 고품질 박막을 제조했다. 나노미터 이하의 두께 조절이 가능하다.

저온 원자층 증착법 기반 텔레륨 박막의 특성 및 이들의 전자소자 응용 (자료=UNIST)

연구팀은 낮은 온도에서 반응성을 높이기 위해 산-염기성을 갖는 두 가지의 전구체를 활용했다. 높은 표면반응과 안정성을 위한 물질인 공반응물을 추가 활용하고, 전구체를 더 짧은 간격으로 분할 반복 주입했다. 이를 통해 밀도가 낮고 불연속적인 알갱이가 증착되는 기존 방식에 비해 촘촘하고 밀도 높은 박막을 성공적으로 제조할 수 있었다.

개발된 제조공정으로 텔레륨 박막을 4인치 웨이퍼 전체에 적용했다. 박막은 원자층 수준의 두께 조절과 균일한 증착이 가능했다. 소자의 고집적화에 필요한 수직형 삼차원 구조체에도 증착 가능함을 확인했다. 이는 트랜지스터, 정류기, 선택소자 등의 다양한 전자 소자에 활용될 수 있다.

서준기 교수는 "이번 연구는 저온, 대면적, 고품질 합성이라는 반도체 증착 공정에서 요구되는 모든 키워드들을 만족시킬 수 있었다"라며 "전통적 증착법에 새로운 공정 요소들을 더해 '비전통적인' 이차원 신소재 및 신소자 구현에 성공했다는 점에서 다양한 응용 연구가 가능할 것"이라고 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 (우수신진연구사업 등), 한국산업기술평가관리원 및 한국반도체산업협회 등의 지원으로 수행됐으며, 학술지 'ACS 나노(ACS Nano)'에 최근 게재됐다. 논문 제목은 Atomic Layer Deposition Route to Scalable, Electronic-Grade van der Waals Te Thin Films이다.