낮은 온도에서 차세대 반도체 소재를 원자층 수준으로 정밀하게 쌓는 기술을 울산과학기술원(UNIST) 연구진이 개발했다.
1일 UNIST에 따르면 반도체 소재·부품 대학원 및 신소재공학과 서준기 교수팀은 홍익대 송봉근 교수팀, UNIST 정후영 교수팀과 함께 원자층 증착법으로 50도의 저온에서 텔레륨(Tellurium) 원자가 규칙적으로 배열되는 박막 증착 공정법을 개발했다.
원자층 증착법은 낮은 공정 온도에서 삼차원 구조의 표면에 얇고 균일한 막 코팅과 정교한 두께 조절을 할 수 있는 차세대 박막 공정법이다. 그러나 차세대 반도체인 원자층 반도체에 적용하기 위해서는 일반적으로 250도 이상의 공정 온도와 450도 이상의 추가 열처리 작업이 필요하다.
연구팀은 전자 소자, 열전 소재 등 다양한 분야에서 연구 중인 단일 원소 원자층 반도체인 ‘텔레륨’에 원자층 증착법을 적용, 열처리 공정 없이도 50도의 저온에서 고품질 박막을 성공적으로 제조했다.
연구팀은 낮은 온도에서 반응성을 향상하기 위해서 산-염기성의 두 가지 전구체를 활용했다. 높은 표면 반응과 안정성을 위한 물질인 공반응물을 추가로 활용하고, 전구체를 더 짧은 간격으로 분할해 반복 주입했다. 이에 밀도가 낮고 불연속적인 알갱이가 증착되는 기존 방식과 비교해 촘촘하고 밀도 높은 박막을 성공적으로 제조할 수 있었다.
연구팀은 텔레륨 박막을 4인치 웨이퍼 전체에 적용했는데, 박막은 나노미터(10억분의 1ｍ) 이하의 두께 조절과 균일한 증착이 가능했다. 특히 소자의 고집적화를 위한 수직형 삼차원 구조체에서도 증착할 수 있음을 확인했다. 연구팀은 트랜지스터, 정류기, 선택 소자 등 다양한 전기 소자에 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
서준기 교수는 “이번 연구는 저온, 대면적, 고품질 합성이라는 반도체 증착 공정에서 필요한 모든 키워드를 만족시킬 수 있었다”며 “전통적인 증착법에 새로운 공정 요소를 더해 비전통적인 이차원 신소재 및 신소자 구현에 성공했다는 점에서 다양한 응용 연구가 가능할 것”이라고 말했다.
연구 결과는 나노과학 분야 국제 학술지 ‘ACS 나노'(ACS NANO) 온라인판에 게재됐으며, 표지 논문으로도 선정됐다. 연구는 한국연구재단 우수신진연구사업, 한국산업기술평가관리원, 한국반도체산업협회 등의 지원을 받아 이뤄졌다.