포토레지스트 찌꺼기 원천 차단…2차원 반도체 전류 성능 10배 높였다

[헤럴드경제=구본혁 기자] 반도체 공정 과정에서 발생하는 ‘찌꺼기’를 원천적으로 차단해 원자 한 층 두께의 2차원 반도체 성능을 10배 끌어올리는 기술이 개발됐다. 초미세 반도체 구현의 걸림돌로 꼽혀온 공정 오염 문제를 해결해 더 작고 빠른 차세대 반도체 개발에 활용될 것으로 기대된다.

UNIST(울산과학기술원) 전기전자공학과 김명수 교수와 반도체소재·부품대학원 김병조 교수팀은 얇은 금속막을 이용해 이황화몰리브덴(MoS₂) 표면에 포토레지스트 잔여물이 눌어붙는 것을 막는 반도체 공정 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

포토레지스트는 빛에 반응하는 고분자 물질로 반도체 표면에 미세한 회로를 새길 때 사용된다. 포토레지스트를 이황화몰리브덴에 바른 뒤 필요한 부분을 남기고 플라즈마로 제거하는 과정에서 일부 포토레지스트가 딱딱하게 굳어 표면에 달라붙는 문제가 발생한다.

이렇게 생긴 찌꺼기는 일반적인 용매 세척으로는 잘 제거되지 않는다. 강한 초음파 세척을 사용하면 원자층 수준으로 얇은 이황화몰리브덴이 기판에서 떨어질 수 있고, 고온 열처리 역시 소자를 손상시킬 가능성이 있어 적용하기 어렵다.

연구팀은 이황화몰리브덴 위에 5나노미터(㎚) 두께의 ‘희생 금속막’을 먼저 입히는 방식으로 문제를 해결했다. 포토레지스트가 반도체 표면에 직접 닿지 않도록 금속막이 일종의 보호막 역할을 하는 것이다.

금속막 위에서 회로 제작 공정을 마친 뒤 금속막을 녹여내면 그 위에 달라붙은 포토레지스트 찌꺼기까지 함께 제거된다. 강한 세척이나 고온 열처리 없이도 2차원 반도체 표면을 깨끗하게 유지할 수 있는 셈이다.

성능 개선 효과도 뚜렷했다. 이 공정으로 만든 이황화몰리브덴 트랜지스터의 접촉저항은 2.58×10⁵Ω·μm(옴·마이크로미터)로 기존 공정 소자의 약 10분의 1 수준으로 낮아졌다. 접촉저항이 줄면서 트랜지스터가 켜졌을 때 흐르는 전류는 약 10배 증가했다.

특히 금속막을 입혔다 제거한 뒤에도 이황화몰리브덴의 결정 구조에는 뚜렷한 손상이 나타나지 않았다.

연구팀은 포토레지스트 찌꺼기가 이황화몰리브덴 표면에 강하게 달라붙는 원인도 계산 분석을 통해 규명했다. 플라즈마 속 산소가 포토레지스트의 화학구조를 변화시켜 이황화몰리브덴 표면과의 결합력을 약 2배 높이는 것으로 나타났다.

김명수 교수는 “이황화몰리브덴은 트랜지스터와 같은 반도체 소자를 지금보다 더 작고 얇게 만들 수 있는 소재”라며 “고성능 소자 구현의 걸림돌이었던 공정 오염 문제를 해결한 만큼 향후 고집적 로직·메모리 소자 개발에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘스몰(Small)’에 게재됐다.