반도체도 '레고'처럼 만든다…원자 바꿔 절연막·전극까지 한 번에[과학을읽다]

IBS, 0.7㎚ 원자층 선택적 변환…복잡한 소재 적층 공정 대안 제시
전류 제어 성능 이론적 한계 근접…세계적 학술지 '사이언스' 게재

반도체를 만들기 위해 서로 다른 소재를 일일이 쌓아 올리는 대신, 원자만 바꿔 필요한 부품을 만들어낸다면 어떨까. 국내 연구진이 원자층 하나하나의 성질을 바꿔 반도체와 절연막, 전극 접합층을 한 장의 박막 안에 구현하는 데 성공했다. 복잡한 제조 공정을 줄이면서도 전류 제어 성능은 이론적 한계에 근접한 차세대 트랜지스터를 만들어낸 것이다.

과학기술정보통신부와 기초과학연구원(IBS)은 반데르발스 양자 물질 연구단 조문호 단장(포스텍 석학교수) 연구팀이 2차원 반도체를 구성하는 원자를 선택적으로 치환해 서로 다른 전기적 성질을 갖는 소재를 구현하는 '모듈형 트랜지스터 제작 기술'을 개발했다고 16일 밝혔다. 연구 결과는 이날 국제학술지 '사이언스(Science)'에 발표됐다.

원자층 선택적 치환을 이용한 모듈형 2차원 트랜지스터 제작 개념도. 2차원 반도체 박막의 원자를 원하는 층과 위치에서 선택적으로 바꿔 절연막과 전극 접합층을 형성하고, 하나의 박막에 트랜지스터의 주요 구성요소를 구현하는 과정을 보여준다. 연구진 제공.

인공지능(AI) 확산으로 반도체의 집적도와 전력 효율을 높이는 기술이 중요해지고 있다. 특히 원자 몇 개 층 두께에서도 전류를 제어할 수 있는 2차원 반도체는 기존 실리콘 반도체의 미세화 한계를 보완할 차세대 소재로 주목받는다.

문제는 제조 공정이다. 트랜지스터를 만들려면 전류가 흐르는 반도체와 이를 제어하는 절연막, 전류가 드나드는 전극이 필요하다. 하지만 2차원 반도체는 표면에 절연막을 균일하게 입히기 어렵고, 금속 전극을 직접 붙이면 접촉 저항이 커질 수 있다. 서로 다른 박막을 옮겨 쌓는 방법도 있지만 공정이 복잡해 대량 생산에 적용하기 쉽지 않다.

연구팀은 발상을 바꿨다. 다른 소재를 가져와 쌓는 대신 기존 반도체를 구성하는 원자를 바꿔 필요한 물질을 직접 만드는 방법을 고안했다.

출발 물질은 텅스텐(W) 원자층을 셀레늄(Se) 원자층이 위아래로 감싼 이셀레늄화텅스텐(WSe₂)이다. 연구팀은 텅스텐 원자는 그대로 두고 셀레늄 원자를 산소(O), 황(S), 텔루륨(Te)으로 선택적으로 치환했다. 그 결과 절연체인 산화텅스텐(WOₓ), n형 반도체인 이황화텅스텐(WS₂), 전기가 잘 통하는 준금속 이텔루륨화텅스텐(WTe₂)을 각각 구현했다.

원자층 0.7㎚씩 바꿨더니…전류 제어 성능도 이론적 한계 근접

핵심은 원자를 바꾸는 깊이와 위치를 정밀하게 제어하는 기술이다. 연구팀은 박막의 층과 층 사이에 있는 미세한 틈이 반응 원자의 이동을 막는다는 점을 활용했다. 반응 온도와 기체 압력을 조절해 약 0.7나노미터(㎚·10억분의 1m) 두께의 원자층 단위로 물질을 변환했다. 반도체 공정용 마스크를 이용해 원하는 위치만 바꾸는 데도 성공했다.

이 기술로 하나의 박막에 반도체와 절연막, 준금속 전극 접합층을 갖춘 트랜지스터를 제작했다. 준금속 접합층을 적용하자 전하가 금속 전극에서 반도체로 이동할 때 넘어야 하는 에너지 장벽이 35.5밀리전자볼트(meV)로 낮아졌다. 금속 전극을 직접 붙였을 때의 약 3분의 1 수준이다.

전류를 켜고 끄는 성능도 개선됐다. 전류를 10배 변화시키는 데 필요한 게이트 전압 변화량은 61.3밀리볼트(mV)로, 상온에서 기존 방식의 트랜지스터가 도달할 수 있는 이론적 최솟값인 약 60mV에 근접했다. 전류가 켜진 상태와 꺼진 상태의 비율도 1000만배 이상으로 나타났다.

핵심 연구진 사진. (좌측부터) 조현재 IBS 반데르발스 양자 물질 연구단 학생연구원(POSTECH 신소재공학과 박사과정), 조문호 연구단장, 민석영 박사후연구원. IBS 제공

절연막의 등가산화막두께(EOT)는 0.3~0.4㎚로, 국제반도체소자로드맵(IRDS)이 제시한 1㎚ 이하 목표를 충족했다. 얇은 절연막으로 전류를 효과적으로 제어할 수 있다는 의미다.

연구팀은 p형과 n형 트랜지스터를 수직으로 쌓아 1볼트(V)의 낮은 전압에서 작동하는 상보형(CMOS) 인버터도 제작했다. 인버터는 입력된 전기 신호를 반대로 바꾸는 디지털 회로의 기본 구성요소다. 개별 소자를 넘어 적층형 집적회로로 확장할 가능성을 보여준 것이다.

다만 실제 반도체 생산에 적용하려면 웨이퍼 크기의 대면적 공정에서 원자 치환의 균일성과 재현성을 확보해야 한다. 연구팀은 다양한 2차원 반도체 소재로 적용 범위를 넓히고 3차원 적층형 집적회로에 활용하는 후속 연구를 진행할 계획이다.

조문호 IBS 반데르발스 양자 물질 연구단장은 "이번 연구는 원자 단위 물질 조작이라는 기초 물질과학의 기법을 현대 반도체 기술에 접목해 미래 반도체 기술의 질적 도약을 위한 돌파구를 마련했다는 데 의미가 있다"며 "초저전력·초미세 반도체는 물론 차세대 적층형 반도체 소자 기술로도 확장될 수 있을 것"이라고 말했다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr