보도자료

2024. 5. 2 (목) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

원자 단위 반도체, 소재별 맞춤형 공정으로 균일하게 만든다!

UNIST 서준기 교수팀, 유기금속화학기상증착법 기반 박막 증착 공정법 개발
웨이퍼 단위의 수 나노 두께로 증착 가능해… Advanced Materials 게재

낮은 온도에서 원자층 두께의 막을 균일하고 안정적으로 입힐 수 있는 공정 기술이 개발됐다.

UNIST(총장 이용훈) 반도체 소재·부품 대학원 및 신소재공학과 서준기 교수팀은 중국과학원 선전선진기술연구원 Feng Ding 교수, 세종대학교 김성규 교수, UNIST 정창욱 교수팀과 함께 유기금속화학기상증착법(Metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD)을 활용해 200도의 저온에서 주석 셀레나이드계 소재별 맞춤형 공정법으로 얇은 막을 웨이퍼 단위의 대면적에 증착시킬 수 있는 박막 증착 공정법을 개발했다.

유기금속화학기살증착법은 화학반응에 참여하는 기체상의 전구체를 활용해 우수한 정밀성을 가지는 차세대 공정법이다. 반도체의 재료가 되는 웨이퍼 정도의 큰 면적에도 박막을 증착시킬 수 있다. 하지만 반응물을 합성시키기 위해선 650도 이상의 높은 온도로 리간드를 분해해야 했다.

연구팀은 전자소자, 광학소자, 열전소자 등 다양한 분야에서 연구 중인 2종의 주석 셀레나이드계 물질(SnSe2, SnSe)에 유기금속화학기상증착법을 적용했다. 2종의 주석 셀레나이드 박막 모두 웨이퍼 단위의 수 나노 수준 두께로 균일하게 증착시켰다.

연구팀은 낮은 온도로 증착하기 위해 리간드가 분해되는 온도 구간과 박막이 증착되는 온도 구간을 물리적으로 분리했다. 증착법에 사용되는 주석과 셀레늄 전구체의 비율을 조절하고, 전구체를 운반하는 알곤가스의 유량도 정밀히 조절했다.

이렇게 제조된 박막은 높은 결정성을 갖는다. 규칙적으로 배열되는 것이다. 증착 과정에서 물질의 상(phase)과 두께도 제어할 수 있다. 유기금속화학기상증착법을 사용했음에도 200도 정도의 저온에서 기판 종류와 상관없이 균일하게 증착됐다.

연구팀은 개발된 공정을 웨이퍼 전체에 적용했다. 2종의 박막 모두 화학적으로 변하지 않고 높은 결정성을 가졌다. 원자층 수준의 두께 조절과 균일한 증착도 가능했다. 개발된 공정법이 다양한 전자소자에 대면적으로 활용될 수 있음을 보여주는 것이다.

제 1저자 김성연 연구원은 “이번 연구는 기존 유기금속화학기상증착법의 한계를 극복하고 다상계의 물질을 화학적 조성이 변하지 않으면서 대면적으로 증착할 수 있었다”며 “향후 주석 셀레나이드계 박막의 소재연구 뿐 아니라 다양한 전자소자에 응용이 가능할 것이다”고 전했다.

서준기 교수는 “이번 연구는 반도체 박막 소재 상(Phase)에 따른 고유의 열역학과 동력학적 거동 기반 공정 전략을 제시한 사례이다”며 “차세대 반도체 소재 맞춤형 공정 개발에 성공했다는 점에서 전자소자 응용 연구를 가속화 시킬 것”이라고 전했다.

이번 연구는 나노과학 분야 국제 학술지 ‘Advanced Materials’에 4월 10일 온라인 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단 우수신진연구사업 및 차세대지능형반도체기술개발(소자)사업, 울산과학기술원 등의 지원으로 수행됐다.

(논문명: Phase-centric MOCVD Enabled Synthetic Approaches for Wafer-scale 2D Tin Selenides)

자료문의

대외협력팀: 서진혁 팀장, 우종민 담당 (052)217-1232

반도체 소재·부품 대학원: 서준기 교수 (052)214-2461

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

원자층 반도체, 이차원 반데르발스 소재 (Two-diemensional van der Waals materials)는 실리콘 대비 매우 얇은 두께에서도 열화되지 않는 전하 이동도 및 효율적인 게이트 반응성 등으로부터 차세대 반도체 소재로 여겨지고 있는 소재로 활발한 연구가 진행되고 있다. 하지만, 이들의 일반적인 합성 방법은 웨이퍼 단위의 균질한 공정, 공정 온도 등의 기술적인 한계를 겪고 있어 고 신뢰성의 저온 박막공정 개발이 요구되고 있는 상황이다.

다양한 박막공정 중 유기금속화학기상증착법 (Metal-organic chemical vapor deposition)은 기상의 유기금속전구체 (Metal-organic precursor)를 질량유량조절계를 통해 정밀하게 각 전구체의 유량을 조절하며 박막을 성장시키기 때문에 정교하게 성장 운동역학 (Growth kinetics)을 조절할 수 있어 높은 성장제어성을 가지며, 박막의 높은 결정성 및 균일도를 형성하고, 대면적 성장이 가능하여 매우 이상적인 박막 공정법으로 여겨지고 있으며, 현재 2차원 물질군의 대면적 성장 방법에도 많이 활용되고 있다. 하지만, 높은 전구체 리간드 분해온도로 인한 높은 공정온도의 한계에 부딪히고 있다.

한편, 2차원 물질군 중 전이후금속칼코게나이드 물질군에 속하는 셀렌화 주석은 SnSe2 와 SnSe 2개의 물질상을 갖는 다상계 물질이며, 각 물질상이 서로 반대되는 전기 극성을 가질 뿐 아니라, 높은 전하 농도를 갖고 있어 독창적 소재로서 많은 관심을 받는다. 또한 각 물질상은 전자 소자 및 광학소자로서의 응용 뿐만아니라 매우 높은 열전성능지수를 갖고 있어 열전소재 등의 다양한 분야에 활발히 응용되고 있다. 이에 따라, 이들의 유망한 특성을 차세대 소자구조, 웨이퍼수준으로 확장으로 성공적으로 구현하기 위해서는 기존의 수 마이크로단위의 성장크기에 그치고, 물질상이 혼합되거나, 개별의 순수상이 구현되기 어려운 물리적증착법이나 용액공정보다 정밀제어에 용이한 유기금속화학기상증착법착법이 더욱 유리하다. 하지만 현재까지는 고체상의 전구체를 활용한 전통적인 화학기상증착법 기반의 셀렌화주석화합물의 성장이 주로 이루어졌고, 이들은 수 마이크로단위의 작은 성장규모 및 성장되는 물질의 크기와 두께가 균일하지 못하고 조절이 어려운 한계점을 갖고 있다.

2. 연구내용

UNIST 서준기 교수 연구팀은 유기금속화학기상증착법을 이용하여 200도의 저온에서 웨이퍼단위의 대면적 SnSe2 박막을 수 나노단위의 얇은 두께에서도 높은 결정성과 균일도를 가지며 성공적으로 구현하였다. 이때의 성장되는 박막은 성장온도 및 전구체의 유량 비율로 증착되는 물질상의 조절이 가능하며 알곤 운반기체의 유량 조절을 통해 두께 조절 또한 가능하다. 물질 고유의 성장거동 특성으로 대면적 직성장이 어려운 SnSe 박막의 경우, 성장시킨 SnSe2 박막을 모체로 310도의 저온에서의 부드러운 열처리를 통해 동일한 웨이퍼단위 수 나노두께의 박막을 높은 결정성을 가지며 순수상으로 상변화시킬 수 있다. 이를 통하여 2종의 셀렌화 주석 박막은 모두 유기금속화학기상증착법의 장점을 가져가며 높은 제어성과 함께 대면적의 고결정성 박막을 구현할 수 있다.

3. 기대효과

본 연구 결과는 2차원 물질의 대면적 소재군 확보가 추가적으로 되었으며, 유기금속화학기상증착법으로도 고품질 저온 박막성장이 가능한 응용성을 보여주었다. 또한 각 셀렌화 주석 물질상의 성장거동을 시뮬레이션을 통해 분석함으로서 구체적으로 왜 두 물질군의 성장양상이 달라지는지를 알아내고, 이에 그치지 않고 이를 상변화를 통해 극복함으로서 두 물질군 모두의 대면적 박막 구현을 한 것에 큰 의의가 있다. 이를 통해 향후 다상계의 유기금속화학기상증착법을 활용한 상 중심의 대면적 고품질 박막 증착법의 토대를 다지는 연구를 달성하였다.

[붙임] 용어설명

1. 2차원 물질 (Two-dimensional van der Waals materials)

원자 1층 혹은 그 이상으로 이루어진 소재로 층 사이에 반데르발스(van der Waals) 상호작용으로 결합되어 있는 구조이다. 기존의 3차원 물질보다 매우 얇은 두께에서도 열화되지 않고 유지되는 전기적 특성으로부터 차세대 전자소재로 주목을 받고 있으며 많은 연구가 진행되고 있다.

2. 유기금속화학기상증착법 (Metal-organic chemical vapor deposition)

금속과 유기리간드가 공유결합을 하고 있는 화합물 형태의 유기금속전구체들이 질량유량조절계를 통해 그 유량이 정밀하게 기체상으로 제어되어 챔버 안으로 주입되고, 챔버 내에 설정된 공정온도 내에서 주입된 유기금속전구체들의 유기리간드가 분해되고 반응물이 서로 반응하여 원하는 물질군의 합성이 이루어지는 화학기상증착법을 말한다. 기존의 고체상 전구체를 주로 활용하는 전통적인 화학기상증착법과 사용되는 전구체에 큰 이점을 보인다. 기체상으로 정밀히 제어가 가능한 전구체 유량 덕분에 정교하게 성장역학을 조절할 수 있어 대면적으로의 균일한 성장 뿐만이라 성장되는 물질군의 상과 두께 조절에도 큰 장점이 있다.

3. 전이후금속칼코게나이드 (Post-transition metal chalcogenides)

2차원 물질군 중 전이후 금속(Post-transition metal)과 칼코겐(chalcogen) 원소가 서로 반응하여 만들어지는 화합물을 일컫는다. 2차원 물질군 중 대표적으로 잘 알려져 있는 전이금속칼코게나이드 화합물과 다르게 상태도 내에 존재하는 물질상이 훨씬 종류가 많고 다양하며, 물질 구조 또한 hexagonal structure 뿐 아니라 orthorhombic structure, tetragonal sturucture 등 그 종류가 훨씬 복잡하고 많다. 잘 알려진 전이후금속으로는 Ga, Ge, In, Sn, Pb 등이 있으며, 칼코겐으로는 주로 S, Se, Te 원소가 쓰인다.

4. 질량유량조절계 (Mass flow controller)

질량유량조절계는 보통 기체상의 물질을 cc/min의 단위로 그 유량을 정밀 제어하기 위해서 사용되며, 이러한 기체상의 전구체를 사용하는 유기금속화학기상증착법, 원자층 증착법 등에 주로 활용되고, 정밀하게 전구체의 유량을 조절할 수 있어 이로 인해 기인되는 성장역학을 제어하는 데에 큰 도움이 된다.

[붙임] 연구결과 개요, 용어설명