반도체 미세 공정 경쟁이 갈수록 치열해지고 있는 가운데 국내 연구진이 1나노미터보다 작은 선폭의 전극을 실험실에서 구현했다고 발표해 주목된다.

연구팀은 전극과 반도체를 합쳐 1.743나노미터 두께의 회로선폭을 구현하는 데 성공했다.

반도체는 회로의 선폭을 가늘게 만들수록 성능 향상에 유리하다. 단위 면적당 더 많은 소자를 집적할 수 있기 때문이다. 현재 상용화된 반도체 미세공정의 회로선폭은 5나노미터다. 최근 인텔과 TSMC가 2024년까지 2나노 공정을 완성하겠다고 발표해 반도체 산업의 미세공정 경쟁은 더욱 치열해지고 있는 상황이다.

기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 이종훈·펑딩 그룹리더(UNIST 교수) 연구팀은 2차원 흑린을 이용해 4.3Å(0.43nm) 선폭의 전도성 채널(전극)을 구현했다고 29일 국제학술지인 나노레터스에 발표했다. 나노미터 한계를 뛰어넘어 옹스트롬(Å, 1Å은 0.1nm) 단위 선폭의 초극미세 반도체 소자 가능성을 실험적으로 제시한 것이다.

2차원 흑린은 ‘포스트 그래핀’ 시대의 주역이 될 반도체 소자로 꼽힌다. 두께가 원자 한 층 정도여서 실리콘 기반 반도체로 구현하기 힘든 유연하고 투명한 소자에 이용 가능하다. 또한 2차원 반도체 소자 중 전자이동도가 가장 크다. 그래핀과 달리 밴드갭(band gap)이 있어 전기를 통하게 했다가 통하지 않게 하는 제어도 쉽다.

연구진은 흑린 반도체에서 전극으로 활용될 수 있는 전도성 채널을 만들기 위해 여러 층으로 이루어진 흑린에 구리 원자를 삽입했다. 흑린에 얇은 구리 박막을 증착한 후 열처리를 하는 간단한 공정을 진행했다. 그러자 구리 원자가 2차원 흑린의 층과 층을 뚫고 0.43nm의 미세한 폭을 유지하면서 삽입됐다.

이종훈 교수는 "흑린과 구리가 한 층씩 적층된 것으로 오해할 수 있지만, 다층 흑린에 구리 박막을 증착하고 구리 원자를 저온 고체 확산법을 이용해 흑린 내에 침투시킨 것"이라고 설명했다. 아래 그림에서 보듯이 구리층이 여러 층의 흑린을 수직방향으로 뚫고 내려가면서 삽입됐다.

이 연구는 흑린 등 2차원 물질들을 실제로 반도체 소자화하기 위해 공정 과정에서 발생하는 결함을 연구하던 과정에서 발견됐다. 이종훈 교수는 "우리도 놀랐을 만큼 특이한 현상이었다"고 말했다.

연구진은 이를 원자분해능 투과전자현미경(TEM)을 통해 규명했다. 이렇게 형성된 0.43nm 두께의 전도성 채널은 반도체 소자의 전극으로 사용될 수 있다. 연구진은 전도체(구리)-반도체(흑린)-전도체(구리)로 이뤄진 반도체의 기본 소자 구조를 1.743나노미터로 구현한 실험결과를 제시했다.

이 실험은 새로운 방식으로 2나노미터 이하의 반도체 회로선폭 구현이 가능함을 보여준다. 현재 반도체 미세공정 경쟁은 더 짧은 파장의 빛으로 선폭을 더욱 미세하게 구현하는 노광기술 경쟁에 다름 아니다. 이번 연구팀이 개발한 방식은 노광 기술과 관계없이 물리적으로 2나노미터 이하의 선폭을 구현한 것이어서 미세공정 경쟁은 노광 기술 경쟁 이후에도 끝이 없이 이어질 가능성을 보여준다.

연구진은 "2차원 반도체 물질인 흑린을 이용한 초미세 반도체 소자 실현 가능성을 보여준 연구”며 “현재 반도체 공정에 사용될 수 있는 고상확산법을 이용했기 때문에 실제 응용 효과가 클 것”으로 기대했다.

◇논문명 : Anisotropic Angstrom-Wide Conductive Channels in Black Phosphorus by Top-down Cu Intercalation

◇저자 : 이석우 (IBS 다차원 탄소재료 연구단, UNIST 신소재공학과 박사과정, 제1저자), 이종훈·펑딩 그룹리더(IBS 다차원탄소재료연구단 그룹리더, UNIST 교수, 교신저자)