[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

이황화몰리브덴(MoS2)은 원자 수준의 얇은 2차원 반도체로서, 댕글링 본드(원자가 결합하지 못하고 표면에 남아 있는 불완전한 결합한 상태)가 없어 단채널 효과에 강한 특성을 보이며, 차세대 전계 효과 트랜지스터의 n형 채널 물질로 주목받고 있다. 특히, BEOL과 호환되는 공정 기술과 결합될 경우, 실리콘 기반 반도체 소자의 성능을 향상시킬 수 있는 잠재력을 갖고 있다. 그러나 실제 제조 과정에서 황 원자의 손실이나 비이상적인 박막 증착으로 인해 황 결함이 필연적으로 발생하며, 이는 전자 트랩 상태를 형성하여 전기적 특성을 저하시키고 소자의 안정성을 저해하는 주요 요인으로 작용한다. 기존 연구에서는 다양한 결함 안정화 방법이 제안되었으나, 높은 공정 온도 요구 및 이종 원소 도입으로 인한 결정 구조 불안정성 문제로 실용화에는 한계가 있었다.

2.연구내용

UNIST 권지민 교수 연구팀은 전자를 끌어당기는 성질을 지닌 벤젠티올(Benzenethiol) 자가정렬 단분자를 활용하여 MoS2 내 황 결함을 선택적이고 효과적으로 회복 시키는 기술을 개발하였다. 벤젠티올의 티올기(-SH)는 선택적으로 황 결함에 분자를 흡착시키며, 불소 치환기는 이황화몰리브덴에 결합한 벤젠티올의 탄소-황 결합을 약화시켜 BEOL호환(<350°C)이 가능한 낮은 온도(200°C)에서 해당 결합이 끊어지는 반응을 통해 황 결함을 회복할 수 있도록 설계했다.

이러한 흡탈착 매커니즘은 라만 분광학, X-ray 광전자 분광학을 이용하여 검증되었으며, 분자 동역학 시뮬레이션으로 반응에 필요한 활성화 에너지를 통해 반응 메커니즘을 분석하였음. 이를 통해 MoS2 내 원자비를 이상적인 수준(1.98:1)으로 회복시키고, 전계 효과 트랜지스터에서 우수한 문턴전압 이하특성(62.5 mV·dec-1)을 확보하는 데 성공했다. 또한, 표면에서 전하 수송 특징은 DFT 계산을 통해 하부 층에서 DOS와의 분리를 검증하여 계면에 의한 특성 분석을 뒷받침하였다. 본 기술은 BEOL호환 환경에서 활용될 수 있는 장점을 가지고 특히 이러한 점은 여러 단계에서 반복적으로 적용될 수 있다는 특징을 가진다.

3.기대효과

이번 연구에서 개발된 저온 황 결함 회복 기술은 이황화몰리브덴 기반 전계 효과 트랜지스터의 성능과 신뢰성을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 200°C의 낮은 온도에서 결함을 복구할 수 있어 BEOL공정 과의 높은 호환성을 확보했으며, 이를 통해 실리콘 반도체 공정과의 융합이 용이해져 차세대 초소형·저전력 전자 소자 개발을 가속화할 것으로 기대된다. 또한, 본 기술은 공정 단계마다 반복 적용이 가능하여 대면적 웨이퍼 제조에서도 실용화될 수 있으며, 플렉서블 및 투명 전자소자 등 차세대 소자 개발에도 활용될 가능성이 크다. 특히, 황 결함 제어를 통해 고성능 트랜지스터뿐만 아니라 광전자 소자 및 센서 응용에서도 중요한 역할을 할 것으로 전망된다. 나아가, 본 연구에서 제시된 분자 설계 및 결함 제어 전략은 다른 2차원 반도체 소재에도 적용 가능하여, 차세대 반도체 산업 전반에 기여할 핵심 기술로 평가될 것이다.

[붙임]  용어설명

1.이황화몰리브덴 (MoS2)

이황화몰리브덴은 몰리브데넘과 황 원자로 이루어진 대표적인 층상 구조의 2차원 반도체 소재이다. 원자 두께 수준의 얇은 구조를 가지고 있으며 이론적으로 표면에 댕글링 본드가 존재하지 않아 이러한 표편 에너지 상태로 인해 야기되는 짧은 채널 효과(단채널효과)에 대한 내성을 가진 것으로 알려져 있다.

2.단채널효과(Short Chanel Effect)

소자의 채널이 짧아지면서 발생하는 반도체 성능 저하 현상. 채널은 반도체 소자 중 하나인 트랜지스터에서 전하가 흐르는 통로다. 칩 안에 소자 집적도를 높이기 위해서 소자의 크기를 나노 단위로 줄여가면, 이 채널이 짧아지게 되는데, 이러한 짧은 채널은 누설 전류 증가, 문턱 전압 불안정, 전류 제어력 감소 등을 유발해 전력 소모를 증가시키고, 칩의 성능을 떨어지게 만든다.

3.황 결함 (Sulfur vacancy)

황 결함은 전이금속황화합물에서 황 원자가 손실되면서 생기는 결정구조의 결함을 의미한다. 합성 과정, 전사, 금속 및 절연막 증착, 대기 중 노출 등의 요인으로 발생할 수 있다. 에너지 밴드 구조 내에서 주개(donor)와 유사한 에너지 레벨을 형성하거나 이와 비슷한 역할을 할 수 있는 원자 및 분자의 흡착 site로 작용될 수 있어 소재의 신뢰성을 저하시키는 원인이 된다.

4.벤젠티올 (Benzenethiol)

벤젠티올은 벤젠고리에 티올(-SH)작용기가 결합된 유기 화합물이다. 티올 그룹은 황 원자를 포함하고 있어 연구에서 필요한 황 결함을 회복하는데에 핵심적인 역할을 수행한다.

5.BEOL(Back-End-of-Line)

BEOL은 반도체 제조 공정에서 트랜지스터와 같은 기본 회로가 형성된 후, 금속 배선 및 절연층을 추가하여 칩을 완성하는 후공정 단계를 의미한다. 기존 회로의 손상을 방지하기 위해 BEOL 공정에서는 350-450°C 이하의 낮은 온도를 유지하는 것이 필수적이다. BEOL호환은 온도의 측면에서 해당 범위 내에 이뤄지는 것을 의미한다.

[붙임] 그림설명

그림 1. PFBT의 흡착과 탈착을 통한 저온 황 결함 회복 공정 및 전기적 성능 향상 티올의 높은 반응성을 이용하여 선택적으로 황 결함 site에 흡착되며 치환 원자 연구를 통해서 불소 치환이 탄소-황 결합을 약화시켜 200°C의 저온에서 화학 반응이 종결되는 반응 모식도이다. 전계효과 트랜지스터의 성능을 통해서 전하 이동도의 성능 증가와 문턱전압 이하 특성의 두드러진 개선 효과를 보여준다.

그림 2. 치환기 종류에 따른 벤젠티올 흡탈착 메커니즘 분석. (a) 흡착-전이상태-탈착 단계에 따른 상대 상태 에너지. (b) 치환기의 전자 흡입 효과 (electron-withdrawing) 특성 비교. 전자 흡입 효과가 클수록 황 원자 빈자리 결함으로 유도된다. (c) 흡착 원자에 따른 황 결함 회복 특성 X-선 광전자분광학 분석 결과 (4-ABT: para-위치에 아미노(-NH3) 치환, 4-MBT: para-위치에 메틸(-CH3) 치환, 4-FBT: para-위치에 불소(F) 치환, PFBT: orth-, meta-, para- 위치에 불소(F) 치환). 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 벤젠티올의 흡탈착 반응의 활성화 에너지를 분석하고 온도에 따른 X-선 광전자분광학 결과를 통해 저온에서 반응이 이뤄지는 것을 밝혀냈다.