"플라즈마 장비로 저전력·고성능반도체 제작"…기술개발

기계硏, 플라즈마 기반 이종구조 4인치 웨이퍼 개발

TMDc 및 그래핀 이종구조 대면적 반도체 제작 성공

[대전=뉴시스] 기계연구원이 제작한 4인치 WS2-그래핀(Graphene) 이종구조와 원자층 단면 TEM 이미지. (사진=기계연구원 제공) 2024.11.07. [email protected]
 *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 플라즈마 장비를 이용해 저전력·고성능 반도체를 제작할 수 있는 이종구조 4인치 웨이퍼 기술을 개발했다.

한국기계연구원은 반도체장비연구센터 김형우 선임연구원 연구팀이 성균관대 김태성 교수팀과 플라즈마를 이용한 이종구조 4인치 반도체 웨이퍼 제작에 세계 최초로 성공했다고 7일 밝혔다.

이 기술은 차세대 반도체 재료인 TMDc에 적용해 AI(인공지능) 반도체로 사용될 수 있는 첨단기술이다.

2차원 전이금속 칼코겐 화합물인 TMDc는 2차원 구조의 원자층 두께로 실리콘과 비슷한 성능을 갖고 있어 저전력 작동이 가능하고 스위칭 속도가 빨라 차세대 반도체 후보물질로 가장 유력하며 뉴로모픽 시스템에 적합하다.

공동 연구팀은 플라즈마 화학기상증착법(PECVD) 장비를 이용해 두가지 형태의 이종구조 4인치 웨이퍼 구현에 성공했다.
 
이황화텅스텐(WS2)과 그래핀 간 이종구조는 그래핀을 전사한 웨이퍼 위에 텅스텐(W) 금속층을 1나노미터(㎚) 두께로 증착해 황화수소(H2S) 플라즈마 황화처리로 제작했다.

[대전=뉴시스] 기계연구원 반도체장비연구센터 김형우 선임연구원(왼쪽 첫번째)이 개발한 반도체 플라즈마 장비 앞에서 이종구조 샘플을 들어 보이고 있다. (사진=기계연구원 제공) 2024.11.07. [email protected]
 *재판매 및 DB 금지

또 이황화몰리브덴(MoS2)의 서로 다른 2개 형상을 결합해 금속-반도체의 이종구조 박막형으로 제작하는 데도 성공했다.

사방정계 구조인 금속성 구조(1T)는 준안정화 상태로 육각형 벌집 구조인 반도체성 구조(2H)보다 상대적으로 불안정해 대면적 반도체 웨이퍼 제작이 어렵다. 연구팀은 이번 기술개발로 1T의 4인치 웨이퍼 제작 및 1T-2H 이종구조 구현에 성공했다.

기존 이종구조 제작 방법인 쌓는 형태의 '스태킹(stacking)' 방식은 수백 마이크로미터(㎛)의 작은 크기로만 가능했고 재현성도 떨어졌다.

연구팀은 이 같은 한계를 플라즈마 합성장비를 활용해 극복, 4인치 대면적 이종구조 웨이퍼를 구현해 냈다. 이 기술로 3D 통합구조를 구현하면 전력손실은 크게 감소하고 열 방출량은 적어 성능과 에너지 효율성이 높아진다. AI반도체의 필수적인 특징인 저전력, 고성능을 갖췄다는 의미다.

개발된 두 가지 형태의 이종구조 4인치 웨이퍼 제작기술은 미국과 국내에서 특허등록됐고 국제 학술지 '어드밴스드 메터리얼즈(Advanced Materials)'와 '에너지 앤 인바이런먼탈 메터리얼즈(Energy & Environmental Materials)'에 표지논문으로 각 선정됐다.

김 선임연구원은 "이번에 개발한 기술은 기존에 학술적으로만 접근했던 이종구조 연구를 웨이퍼 크기와 재현성을 충족시켜 실험적 규명으로 이뤄냈다는 점에 의의가 크다"며 "대량생산 가능성을 높여 향후 AI반도체 성능 향상과 산업화에 기여할 것"이라고 말했다.


◎공감언론 뉴시스 [email protected]