울산과학기술원(UNIST) 전기전자공학과 권지민 교수팀이 POSTECH 화학공학과 노용영 교수팀과 공동으로 차세대 반도체 소재인 이황화몰리브덴의 결함을 200℃에서 제거하는 기술을 개발했다고 30일 밝혔다. 이 기술은 더 작고 빠른 저전력 칩 개발에 기여할 것으로 기대된다.

이황화몰리브덴은 칩의 집적도를 높이고 누설 전류를 줄여 발열 없는 저전력 반도체 칩을 만들 수 있는 차세대 반도체 소재로 주목받고 있다.

하지만 이황화몰리브덴을 실제 칩에 집적하는 과정에서 발생하는 결함을 저온에서 제거하는 기술은 상용화의 핵심 과제였다. 이미 완성된 실리콘 소자가 열에 손상되면 안 되기 때문이다.

연구팀은 PFBT라는 물질을 이용해 200℃에서 이황화몰리브덴의 결함을 메우는 데 성공했다. 이를 통해 이황화몰리브덴의 몰리브덴 대 황의 원자비를 이론적 비율인 1:2에 가까운 1:1.98로 회복시켰다.

제1 저자인 정학순 박사는 "결함 복구가 200℃ 이하에서 일어나기 때문에 기존 실리콘 반도체 BEOL 공정과도 호환이 가능하다"고 설명했다. BEOL 공정은 기판에 이미 증착된 소자들을 서로 연결하는 공정으로, 소자 손상을 방지하기 위해 350℃ 이하에서 이뤄진다.

연구팀은 분자 동역학 시뮬레이션과 X선 분광학 분석을 통해 저온에서 실제 황의 빈자리가 메워졌음을 확인했다.

결함이 메워진 이황화몰리브덴으로 트랜지스터 소자를 만들었을 때, 결함이 있는 경우보다 전하 이동도가 2.5배 개선됐다. 전력 소모를 나타내는 지표인 '문턱전압 이하 스윙 값'도 40% 정도 줄었다.

권지민 교수는 "이번에 개발한 유기 분자를 이용한 저온 황 결함 회복 기술을 통해 앞으로 이황화몰리브덴뿐만 아니라 다양한 차세대 반도체의 소재의 결함 회복과 계면 특성 개선 연구를 더 확장해 나아갈 계획"이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF), 정보통신기획평가원(IITP), 울산과학기술원의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 나노과학기술 분야의 권위 국제 학술지인 에이씨에스 나노(ACS Nano)에 2월 18일 정식 출판됐다.