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UNIST, 2차원 반도체 포토레지스트 오염 차단 공정 개발
▲ UNIST 연구진이 개발한 금속막을 활용해 반도체 표면의 포토레지스트 찌꺼기 오염을 차단하는 원리와 공정 효과를 보여준다.
국내 연구진이 원자 한 층 두께의 2차원 반도체를 금속막으로 보호해 트랜지스터 전류 성능을 10배 높이는 공정을 개발했다. 트랜지스터 성능을 떨어뜨리는 공정 찌꺼기 생성을 막아 더 작고 빠른 반도체 칩 구현을 가능하게 하는 기술로, 차세대 초박막 반도체 소자의 고성능·고집적화에 한 걸음 다가섰다.
UNIST는 전기전자공학과 김명수 교수와 반도체소재·부품대학원 김병조 교수 연구팀이 포토레지스트가 이황화몰리브덴(MoS₂) 표면에 경화 잔류물로 남는 것을 방지하는 ‘희생 금속 마스크 리소그래피’ 공정을 개발했다고 24일 밝혔다.
2차원 반도체는 원자층 수준으로 얇아 표면의 미세한 오염에도 전하 이동이 크게 영향을 받는다. 특히 반도체 회로 제작 과정에서 사용되는 포토레지스트가 플라즈마에 노출되면 화학구조가 변하면서 단단하게 굳어 표면에 잔류할 수 있다.
이러한 잔류물은 일반적인 용매 세척으로 제거하기 어렵다. 강한 초음파 세척을 적용하면 얇은 MoS₂가 기판에서 떨어질 수 있으며, 열처리 역시 소자가 견딜 수 있는 온도를 넘어설 가능성이 있어 공정상 한계가 있었다.
연구팀은 잔류물을 공정 후 제거하는 대신 MoS₂ 표면에 포토레지스트와 플라즈마가 직접 닿지 않도록 보호막을 먼저 형성하는 방식을 고안했다. 포토레지스트를 도포하기 전 MoS₂ 채널 위에 5나노미터(㎚) 두께의 금(Au) 희생 금속막을 입히고, 이후 기존과 동일하게 회로 제작 공정을 진행한 뒤 금속막을 제거하면 금막 위에 형성된 포토레지스트 찌꺼기도 함께 제거되는 방식이다.
연구팀은 분자동역학(MD)과 밀도범함수이론(DFT) 계산을 통해 포토레지스트 잔류물이 MoS₂ 표면에 강하게 달라붙는 원인도 규명했다. 플라즈마 처리 과정에서 포토레지스트 고분자에 산소 원자가 결합하면서 MoS₂ 표면과의 흡착에너지가 기존 -1.15전자볼트(eV)에서 -2.36eV로 약 2배 증가하는 것으로 나타났다. 이로 인해 포토레지스트 잔류물이 표면에 안정적으로 고정돼 일반적인 세정만으로 제거하기 어려워지는 것으로 분석됐다.
또한 상태밀도(DOS) 계산을 통해 포토레지스트 잔류물이 MoS₂의 밴드갭 내부에 전하를 붙잡는 결함 준위를 형성해 전하 이동을 방해한다는 점도 확인했다. 개발 공정을 적용해 제작한 MoS₂ 트랜지스터에서는 접촉저항이 기존 2.59×10⁶Ω·μm에서 2.58×10⁵Ω·μm로 약 10분의 1 수준으로 낮아졌다. 이에 따라 트랜지스터가 켜졌을 때 흐르는 온전류(on-current)는 약 10배 증가했다.
금속막을 입히고 제거한 이후에도 MoS₂의 결정 구조에는 뚜렷한 손상이 나타나지 않았다. 전도성 원자힘현미경(C-AFM)과 오제전자분광법(AES) 분석에서도 금속막으로 보호한 표면의 포토레지스트 및 탄소 오염이 크게 감소한 것으로 확인됐다.
연구팀은 개발 공정의 범용성을 확인하기 위해 전자빔 리소그래피(EBL)를 활용한 상부 게이트 트랜지스터에도 적용했다. 또한 원자층증착(ALD) 방식으로 합성한 MoS₂ 박막에도 공정을 적용해 트랜지스터 전류 성능이 개선되는 것을 확인했다. 이에 따라 개발 기술은 특정 트랜지스터 구조나 리소그래피 방식에 한정되지 않고 포토·전자빔 리소그래피와 다양한 MoS₂ 합성 방식에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
김명수 교수는 “이황화몰리브덴은 트랜지스터와 같은 반도체 소자를 지금보다 더 작고 얇게 만들 수 있는 소재”라며 “이를 실제 고성능 소자로 구현하는 데 걸림돌이었던 공정 오염 문제를 해결한 만큼 향후 고집적 로직·메모리 소자 개발에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 국제학술지 ‘스몰(Small)’에 8월 11일 온라인 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단, 정보통신기획평가원, InnoCORE 사업, 산업통상자원부 한국산업기술진흥원 등의 지원을 받아 수행됐다.