UNIST 연구팀이 포토레지스트 잔류물 생성을 억제해 2차원 반도체 트랜지스터의 접촉저항을 기존 공정 대비 약 10분의 1 수준으로 낮추는 보호 공정 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.
UNIST 전기전자공학과 김명수 교수와 반도체소재·부품대학원 김병조 교수팀은 얇은 금속막을 입혀 이황화몰리브덴(MoS₂) 표면에 포토레지스트 잔여물이 눌어붙는 것을 막는 반도체 공정 기술을 개발했다. 이 공정을 적용한 트랜지스터는 접촉저항이 낮아지면서 소자가 켜졌을 때 흐르는 전류도 약 10배 커졌다.
포토레지스트는 빛에 반응하는 고분자 물질로 반도체 표면에 회로 모양을 만드는 데 사용된다. 포토레지스트를 이황화몰리브덴 반도체에 바른 뒤 남길 부분을 마스크로 가리고 나머지를 플라즈마로 깎아 제거하는 과정에서 플라즈마에 노출된 포토레지스트가 딱딱하게 굳어 표면에 붙을 수 있다.
이렇게 생긴 찌꺼기는 일반적인 용매 세척으로는 잘 제거되지 않는다. 강한 초음파 세척을 사용하면 얇고 민감한 이황화몰리브덴이 기판에서 떨어질 수 있고, 열처리도 포토레지스트 찌꺼기가 분해되기 전에 소자가 견딜 수 있는 온도를 넘을 위험이 있어 적용하기 어렵다.
연구팀은 이황화몰리브덴 위에 오염을 대신 받아낼 5나노미터 두께의 희생 금속막을 먼저 입힌 뒤 그 위에서 회로 제작 공정을 진행하는 방식을 개발했다. 공정이 끝난 후 금속막을 녹여내면 금속막 위에 붙은 포토레지스트 찌꺼기도 함께 제거돼 별도의 강한 세척 없이 이황화몰리브덴 표면을 보호할 수 있다.
실제 이 공정으로 제작한 이황화몰리브덴 트랜지스터의 접촉저항은 2.58×10⁵ Ω·μm(옴·마이크로미터)로, 기존 공정으로 제작한 소자의 약 10분의 1 수준이었다. 저항이 낮아지면서 트랜지스터가 켜졌을 때 흐르는 전류는 약 10배 커졌고, 금속막을 입히고 제거한 뒤에도 이황화몰리브덴의 결정 구조에서는 뚜렷한 손상이 발견되지 않았다.
연구팀은 포토레지스트 찌꺼기가 쉽게 제거되지 않는 원인도 계산 분석을 통해 밝혀냈다. 플라즈마 속 산소가 포토레지스트의 화학구조를 바꾸면서 이황화몰리브덴 표면에 약 2배 강하게 달라붙게 하는 것으로 나타났다.
제1저자인 김다현 연구원은 “이 공정 기술은 일반 반도체 회로 공정뿐만 아니라 전자빔으로 더 미세한 회로를 그려내는 경우에도 쓸 수 있고, 이황화몰리브덴을 어떤 방식으로 합성했느냐에 관계없이 쓸 수 있는 범용성이 있다”고 설명했다.
이번 연구는 국제학술지 ‘스몰(Small)’에 8월 11일자로 온라인 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단, 정보통신기획평가원, InnoCORE 사업, 산업통상자원부 한국산업기술진흥원 등의 지원을 받아 수행됐다.
김명수 교수는 “이황화몰리브덴은 트랜지스터와 같은 반도체 소자를 지금보다 더 작고 얇게 만들 수 있는 소재”라며 “이를 실제 고성능 소자로 만드는 데 걸림돌이었던 공정 오염 문제를 해결해, 향후 고집적 로직·메모리 소자 개발에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
헬로티 이동재 기자 |
