인공지능(AI) 기술의 발전과 함께 반도체 성능 향상의 필요성도 증가했다. 반도체 고성능화를 위한 새로운 소재와 구조 개발도 중요한 과제다. 플라즈마 장비를 이용해 저전력 고성능 반도체를 제작할 수 있는 이종구조 4인치 제작 기술이 세계 최초로 개발됐다.

과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 류석현) 자율제조연구소 반도체장비연구센터 김형우 선임연구원 연구팀과 성균관대학교(총장 유지범) 기계공학부 김태성 교수 연구팀은 플라즈마를 이용한 이종구조 4인치 반도체 웨이퍼 제작에 세계 최초로 성공했다. 이 기술은 차세대 반도체 재료인 TMDc에 적용, AI반도체로 사용 가능할 전망이다.

TMDc(Transition Metal Dichalcogenides, 2차원 전이금속 칼코겐 화합물)는 2차원 구조의 원자층 두께로 실리콘과 비슷한 성능을 가지고 있어 저전력 작동이 가능하고, 스위칭 속도가 빨라 차세대 반도체 후보 물질로 가장 유력함. 특히 뉴로모픽 시스템에 적합하여 현재 기계학습, 딥러닝, 인지컴퓨터 쪽에 활용됨. 대표적인 물질은 이황화몰리브덴(MoS₂), 이황화텅스텐(WS₂), 이셀레늄화몰리브덴(MoSe₂) 등이다.

연구팀은 플라즈마 화학기상증착법(PECVD, Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition) 장비를 이용해 두 가지 형태의 이종구조 4인치 웨이퍼 구현에 성공했다. 먼저, 이황화텅스텐(WS2)과 그래핀 간의 이종구조는 그래핀을 전사한 웨이퍼 위에 텅스텐(W) 금속층을 1나노미터(nm) 두께로 증착해 황화수소(H2S) 플라즈마 황화처리로 제작했다.

또한 이황화몰리브덴(MoS2)의 서로 다른 2개 형상을 결합, ‘금속-반도체’의 이종구조로 박막형으로 제작하는 데도 성공했다. 특히 사방정계 구조인 금속성 구조(1T)는 준안정화 상태로, 육각형 벌집 구조인 반도체성 구조(2H)보다 상대적으로 불안정해 그동안 대면적 반도체 웨이퍼 제작이 어려웠다. 연구팀의 이번 기술 개발로 1T의 4인치 웨이퍼 제작 및 1T-2H 이종구조 구현에 성공하게 됐다.

기존 이종구조 제작 방법인 쌓는 형태의 ‘스태킹(stacking)’ 방식은 수백 마이크로미터(㎛)의 작은 크기로만 가능했으며 재현성도 떨어졌다. 연구팀은 이러한 한계를 플라즈마 합성 장비를 활용해 극복함으로써 4인치 대면적 이종구조 웨이퍼를 구현하는 성과를 냈다. 이 기술로 3D 통합구조를 구현하면 전력손실은 크게 감소하고 열 방출량은 적어져, 성능과 에너지 효율성이 높아진다. AI반도체의 필수적인 특징인 저전력, 고성능을 갖췄다.

기계연 김형우 선임연구원은 “이번에 개발한 기술은 기존에 학술적으로만 접근했던 이종구조 연구에서 웨이퍼 크기와 재현성을 충족함으로써 실험적 규명이 가능했다는 점에 의의가 있다”며, “반도체산업에 사용되는 PECVD를 이용하고, 대량생산 가능성이 높아 향후 AI반도체 성능 향상 및 산업화에  기여할 것”이라고 밝혔다. 

기계연에서 개발한 두 가지 형태의 이종구조 4인치 웨이퍼 제작 기술은 미국 및 국내 특허등록으로 원천기술도 확보했다. 저명한 국제 학술지인 ‘어드밴스드 메터리얼즈(Advanced Materials)’와 ‘에너지 앤 인바이런먼탈 메터리얼즈 (Energy & Environmental Materials)’에도 표지논문으로 각각 선정됐다.

한편, 이번 연구는 기계연 기본사업인 ‘반도체, 디스플레이 산업 핵심 공정용 플라즈마 장비 기반 원천 기술 개발’ 과제 및 기계연 창의도전연구사업, 산업통상자원부 인력양성지원사업 과제의 지원으로 수행됐다.