반도체 집적소자 소형화가 물리적 한계에 직면하면서 새로운 반도체 소재와 공정을 개발하기 위한 연구가 세계적으로 진행 중이다.

집적도는 반도체 칩 안의 소자가 얼마나 조밀한지를 나타내는 척도로, 집적도가 높을수록 공정 단가가 낮아지고 데이터를 더 빠르게 더 많이 처리할 수 있다.

현재 반도체 공정에서는 실리콘칩 표면에 원하는 패턴을 빛으로 그리는 리소그래피 공정의 정밀도가 집적도를 결정한다. 

리소그래피는 빛의 파장 크기로 미세하게 그릴 수는 있지만 원자규모로 줄이는 것은 물리적으로 불가능하다. 때문에 차세대 반도체 공정은  리소그래피의 한계를 극복할 수 있는 새로운 기술을 개발하는 것이 관건이다.

이런 가운데 2차원 반도체 물질은 극도로 얇은 두께에도 우수한 특성을 가져 차세대 반도체산업의 핵심 소재로 주목받고 있다.

그러나 기술적으로 2차원 반도체 내부에서 전자의 이동통로를 나노미터 이하의 크기로 줄일 기술이 없을뿐 아니라 이를 집적회로로 확장하는 것은 더욱 불가능한 상황이다.

차세대 극소형 반도체 소자 구현

기초과학연구원(IBS) 반데르발스 양자물질연구단 조문호 단장 연구팀이 원자 수준 너비의 1차원 금속물질을 2차원 반도체 기술에 적용해 새로운 구조의 극소형 반도체 소자를 구현했다.

1차원 금속은 전자의 운동이 1차원적 공간에 제한되는 물리적 특성을 갖는다.

연구팀은 2차원 반도체인 이황화몰리브덴의 ‘거울 쌍정 경계’가 폭 0.4나노미터에 불과한 1차원 금속임에 주목, 이를 반도체 소자의 게이트 전극으로 활용했다.
 
거울 쌍정 경계는 한쪽 영역의 원자 배열이 다른 쪽 영역의 원자 배열과 거울상을 이루는 결정립계다.

연구팀은 리소그래피 없이 게이트 길이가 원자 수준인 1차원 금속 기반의 반도체 소자를 구현하고, 극소형 반도체 소자가 기반이 되는 논리회로 구현에도 성공했다. 

이 반도체 소자는 단순한 구조와 좁은 게이트 길이 덕분에 기존 전자장치 회로에 존재하는 정전 용량을 최소화함으로써 회로 성능이 크게 향상됐다.

이번 연구는 기초물질과학에서도 큰 성과를 남겼다.

연구팀은 성장 물질이 기판의 결정방향을 따라 기판과 반데르발스 힘으로 결합하는 '반데르발스 에피 성장법'으로 이황화몰리브덴 결정이 만나는 경계면을 원자 하나 크기의 오차도 허용하지 않고 일렬로 정렬시켜 완벽한 직선의 1차원 금속상 거울 쌍정 경계를 구현했다. 

이를 통해 합성된 1차원 거울 쌍정 경계는 수십 마이크로미터 규모로, 이것이 균일하고 안정적인 1차원 금속상임을 최초로 규명했다. 

이번 연구는 국제전기전자기술자협회(IEEE)가 전망한 산업기술 예측을 월등히 넘어선 것으로, 반도체 소자의 초미세화를 앞당길 핵심 기술이 될 것으로 기대된다.

조 연구단장은 “이번 연구는 차세대 반도체 기술과 더불어 기초물질과학 측면에서도 인위적 결정구조 제어로 새로운 물질상을 대면적으로 합성했다는 의미를 갖는다”며 “향후 새로운 1차원 금속 물질을 다양한 양자역학적 물리 현상을 규명할 수 있는 플랫폼으로 발전시킬 예정”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 나노테크놀로지’ 7월 3일자에 게재됐다.

대덕특구=이재형 기자 jh@kukinews.com