과학기술정보통신부(부총리 겸 과학기술정보통신부 장관 배경훈, 이하 '과기정통부')는 한국과학기술원(KAIST) 강기범 교수와 울산과학기술원(UNIST) 김병조 교수, 한양대학교 김우희 교수, 티디에스이노베이션(TDS Innovation) 등이 참여한 공동연구팀이 산화물 장벽에서 나오는 화학 성분을 이용해 2차원 반도체 결정의 생성 위치를 정밀하게 제어하는 새로운 반도체 소재 성장 기술을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구 성과는 세계 최고 권위의 학술지인 「네이처(Nature)」에 10월 8일(목) 자정(현지시간 10.7.(수) 16시, BST) 게재되었다. 논문명은 'Spatially deterministic nucleation of 2D semiconductors by etching flux'이다.

원자층 수준으로 얇은 두께를 가진 ‘2차원 반도체 소재’는 기존 연산 회로 위에 반도체를 더 쌓아 올려 반도체 AI 칩의 성능을 극대화하고 전력 소모를 줄일 수 있는 차세대 소재로 주목받고 있다. 이를 실제 칩에 활용하기 위해서는 필요한 위치에 품질이 균일한 반도체를 형성할 수 있어야 한다.

2차원 반도체 결정의 성장은 원자들이 모여 작은 ‘결정핵’을 만들고, 여기에 원자들이 계속 붙으면서 성장한다. 그 과정에서 여러 곳에서 제각각 자라난 결정이 서로 만나면 원자 배열이 어긋나는 경계가 생길 수 있다. 이러한 경계는 전자의 원활한 이동을 방해해 반도체 전체의 품질과 성능이 크게 떨어지는 치명적인 한계가 있었다.

기존에도 미리 정한 영역에서만 반도체를 자라게 하는 ‘선택성장’ 기술은 있었다. 그러나 그 안에서 생기는 결정핵의 위치와 개수까지 제어하는 데에는 한계가 있었다. 성장 영역을 정하더라도 내부에서는 여러 결정이 불규칙하게 자랄 수 있었고, 내부의 결정핵 위치까지 정할 수는 없어, 얻을 수 있는 단결정의 크기와 위치 정밀도에 한계가 있었다.

연구팀은 성장 영역을 둘러싼 산화하프늄(HfO) 등의 산화물 장벽에서 나오는 산소 성분이 2차원 반도체인 이황화몰리브덴(MoS)의 결정핵 형성을 억제한다는 점에 주목했다. 이 억제 작용은 장벽에 가까운 가장자리에서 강하고, 장벽에서 먼 중앙에서는 약하게 나타난다.

이 차이를 이용해 성장 영역의 중앙에서 하나의 결정핵이 형성되도록 유도했다. 이어 중앙의 결정이 자라는 동안 주변에서 새로운 결정핵이 생기는 것을 억제했다. 장벽에 가까운 가장자리에서는 결정핵 생성이 억제되고 중앙에서만 하나의 결정핵이 생기며, 이 결정이 옆으로 자라나 여러 결정이 맞닿는 결정경계 없이 하나로 이어지는 단결정으로 성장시켰다. 연구팀은 400개의 실험 패턴 중 99% 이상에서 중앙에 하나의 이황화몰리브덴 단결정을 형성하는 데 성공하였다.

이번 성과는 반도체 소재가 자랄라는 영역을 정하는 데서 나아가, 그 안에서 성장이 시작되는 위치까지 설계할 수 있게 했다는 데 의미가 있다. 향후 회로 설계에 맞춰 필요한 위치에 고품질 반도체를 직접 성장시키는 제조 기술로 발전해, 차세대 반도체 소자를 여러 층으로 쌓는 적층 공정의 기반이 될 것으로 기대된다.

특히 이러한 증착적층형 반도체 기술로 연산 처리 부분과 메모리를 수직으로 가깝게 배치하면 데이터 이동에 드는 시간과 에너지를 줄일 수 있어, 데이터센터의 전력 부담을 완화하고 AI 서비스의 응답 시간을 단축하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.

한국과학기술원 강기범 교수는 “이번 연구를 통해 반도체 결정핵 생성 위치를 연구자가 원하는 위치에 정확히 안착시키고 제어할 수 있는 새로운 가능성을 확인했다”고 밝혔다. 그는 “이번에 확보한 원천기술은 앞으로 이러한 원천기술을 바탕으로 고품질의 2차원 반도체를 필요한 곳에 직접 성장시키는 차세대 적층 채널 공정으로 발전시키고자 한다”고 덧붙였다.

담당 부서: 과학기술정보통신부 기초연구진흥과, 책임자: 과장 박시정(044-202-4530), 담당자: 주무관 서동근(044-202-4537), 연구 기관: 한국과학기술원 신소재공학과, 교신저자: 교수 강기범(042-350-3332), 한양대학교 재료화학공학과, 교신저자: 교수 김우희(031-400-5271), 울산과학기술원 반도체소재·부품대학원, 교신저자: 교수 김병조(052-217-3215). 주요내용 설명: 작성: 한국과학기술원 신소재공학과 강기범 교수.