반도체 소재 '인듐 셀레나이드' 한계 극복…대면적·논리회로 구현 성공

POSTECH-KAIST 공동…원자배열 다른 k상에서 열처리 방법으로

POSTECH과 KAIST 연구진이 대면적 구현이 어려운 반도체 소재 인듐 셀레나이드를 이용해 논리 트랜지스터(스위치)를 만드는데 성공했다.

POSTECH은 노용영 화학공학과 교수 연구팀(공동제1저자, 이재윤 석박사통합과정생)이 KAIST 권지민 전기 및 전자공학부 교수·이용우 박사 연구팀과 공동으로 ‘κ상 인듐 셀레나이드’를 4인치 웨이퍼 규모 논리 트랜지스터로 구현하는 데 성공했다고 3일 밝혔다.

연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 게재됐다.

κ상 인듐 셀레나이드 박막 형성 및 트랜지스터 모식도.(그림=POSTECH)

연구핵심은 3개다. 인듐 셀레나이드 연산과 대면적 구현, 낮은 온도 등이다.

반도체는 기본적으로 저장과 연산 기능을 한다. 인듐 셀레나이드는 매우 얇으면서도 전하가 빠르게 흘러, 차세대 반도체 재료로 각광받고 있다. 

그러나 인듐 셀레나이드는 한 번 가해진 전압 흔적을 잘 기억하는 특성으로 인해 메모리 반도체용으로 많이 연구되지만, 빠른 특성에도 불구하고, 논리회로에서는 불안정한 단점이 있다. 

강유전성(ferroelectricity) 때문에, 전기장을 걸면 결정 내부의 분극 방향이 바뀔 수 있고, 전기장을 없앤 뒤에도 그 방향이 어느 정도 유지되기 때문이다.

이와함께 소면적에서는 성능이 좋게 나타나도, 넓은 웨이퍼 전체에 고르게 펼쳐 만들기 어려운 단점이 있다. 대면적 구현이 안돼, 실제 공장 공정에 쓰기에 어렵다는 의미다.

연구팀은 이를 극복하기 위해 K(카파)상을 이용했다. K상은 알파, 베타, 감마상 등과 함께 원자배열이 다른 구조를 나타낸다. 같은 인듐 셀레나이드라도 K상은 '기억하는' 성질이 억눌려 있는 것. 이로 인해, 늘 일정한 답을 내야 하는 논리회로에 더 적합하다.

연구팀은 산업 현장에서 흔히 쓰이는 열증착 공정으로 인듐 셀레나이드를 쌓은 뒤 250℃에서 열처리하는 방법으로 어려움을 풀었다.

이재윤 석박사통합과정생은 "열처리하니, 약 10nm 두께의 κ상 박막이 4인치 웨이퍼 전체에 고르게 입혀졌다"며 "공정 온도도 이미 만들어진 실리콘 회로를 망가뜨리지 않고, 그 위에 소자를 층층이 쌓아 올릴 수 있는 450℃ 이하 조건을 안정적으로 만족했다"고 말했다.

처리결과 웨이퍼에 576개(24×24)를 촘촘히 배열한 트랜지스터는 위치에 상관없이 균일한 특성을 나타냈다. 전하 이동속도를 뜻하는 평균 전자 이동도는 39.3cm²/VS

, 신호를 켜고 끄는 효율인 온·오프 전류비는 1억 배 이상을 기록했다.

이재윤 석박사통합과정생은 "전류비는 저온·대면적 박막 공정으로 제작된 기존 2차원 반도체 트랜지스터 대비 매우 높은 수준"이라며 "100ns의 짧은 전기 신호를 1,000만 회 반복하는 조건에서도 안정적으로 작동해 실제 논리소자에서 요구되는 빠른 스위칭과 반복 동작 안정성을 검증했다"고 설명했다.

연구팀은 또 전하 운반 방식이 다른 p형 셀레늄 합금화 텔루륨 산화물(Se-TeOx)을 더해 입력 신호를 정반대로 뒤집어 내보내는 회로까지 만들어냈다.

이재윤 석박사통합과정생은 "이는 인듐 셀레나이드가 제대로 논리 반도체로 쓰일 수 있음을 보여준 확실한 증거"라고 말했다.

연구성과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈'에 게재됐다.