Selectively Demarcating and Modifying Defects in Two-Dimensional Semiconductors in a 300 mm Fab

미래 전자 제품의 세계는 현재 우리의 기기를 구동하는 실리콘 칩보다 더 얇고, 더 빠르며, 더 에너지 효율적인 재료를 찾고 있습니다. 과학자들은 원자 한 층의 두께만을 가진 매우 얇은 원자 시트인 '2차원 반도체'라고 불리는 유망한 물질군을 식별해 냈습니다. 사람의 머리카락보다 백만 배 더 얇은 종이 한 장을 상상해 보십시오. 이 재 liệu들은 그보다 훨씬 더 섬세합니다. 이들 중 이황화 몰리브데넘(molybdenum disulfide)이라는 물질은 차세대 트랜지스터, 즉 컴퓨터에서 전기의 흐름을 제어하는 아주 작은 스위치를 구축하는 데 큰 잠재력을 보여주었습니다. 그러나 이러한 재료를 실제 사용을 위해 제조하는 것은 어려운데, 이는 성장 과정에서 결함이 남는 경우가 많기 때문입니다. 이러한 결함은 원치 않는 추가 층, 원자 구조 내의 미세한 구멍, 또는 서로 다른 결정립(crystal grains)이 만나는 경계 등의 형태로 나타날 수 있습니다. 렌즈의 흠집이 사진을 흐릿하게 만드는 것처럼, 이러한 결함은 전자를 산란시켜 이를 기반으로 만들어진 전자 기기의 성능을 망가뜨립니다. 이 재료들이 실험실의 실험 단계를 넘어 공장 현장으로 이동하기 위해서는, 엔지니어들이 섬세한 원자 시트에 손상을 주지 않으면서 이러한 결함을 찾아내고 수정할 방법이 필요합니다.

IMEC과 펜실베이니아 주립대학교의 연구진은 반도체 공장에서 흔히 사용되는 가스를 사용하여 이러한 원자 시트를 정화하는 방법을 개발했습니다. 연구팀은 대량 생산을 향한 중요한 단계인, 산업 표준 웨이퍼 위에 성장시킨 이황화 몰리브데넘 박막에 집중했습니다. 연구진은 제조 챔버에 특정 양의 염소 가스를 도입함으로써, 완벽한 부분은 그대로 둔 채 원치 않는 결함만을 선택적으로 표적 삼아 제거할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이 과정은 염소 가스가 마주치는 대상에 따라 다르게 반응하기 때문에 작동합니다. 염소 가스는 '바이레이어 아일랜드(bilayer islands)'로 알려진 추가 층의 가장자리와 서로 다른 결정립 사이의 경계를 공격하여 효과적으로 깎아냅니다. 동시에, 박막의 매끄러운 단일 층 영역은 무시합니다. 이러한 선택성은 엔지니어들이 전기 흐름을 방해할 수 있는 돌출부와 요철을 제거하여 재료의 표면을 매끄럽게 만들 수 있게 해주므로 매우 중요합니다.

연구진은 처리를 할 때 온도가 이 과정의 정밀한 제어 노브(control knob) 역할을 한다는 것을 발견했습니다. 재료를 섭씨 500도에서 600도 사이의 특정 범위로 가열하면, 염소 가스는 추가 층을 제거하지만 그 아래의 단일 층을 갉아먹기 직전에 멈춥니다. 이를 통해 완벽하게 평평한 단일 원자 두께의 표면을 만들어냅니다. 만약 온도를 더 높이거나 처리를 다르게 적용하면, 가스를 사용하여 결정립 사이의 경계를 강조하여 표준 공장 카메라에 보이도록 할 수도 있습니다. 이처럼 눈에 보이지 않는 재료의 구조를 볼 수 있는 능력은 중요한 돌파구인데, 이는 제조업체가 느리고 비용이 많이 드는 실험실 기술에 의존하는 대신 생산 과정 중에 박막의 품질을 빠르고 정확하게 확인할 수 있게 해주기 때문입니다.

이 처리는 단순히 추가 층을 제거하는 것을 넘어, 재료 내부의 미세한 구멍과 누락된 원자들을 치유하기도 합니다. 연구는 염소 가스가 단순히 지우개 역할만 하는 것이 아니라, 치유제 역할도 한다는 것을 보여주었습니다. 가스가 재료와 반응할 때, 가스는 누락된 지점을 채워 넣어 원자 격자의 손상을 효과적으로 복구할 수 있습니다. 이 치유 과정을 더욱 효과적으로 만들기 위해 연구진은 혼합물에 두 번째 가스인 황화수소를 추가했습니다. 이 조합은 화학적 균형을 변화시켜, 가스가 재료를 너무 많이 깎아내는 것을 방지하면서 결함을 채우도록 유도했습니다. 그 결과, 재료는 더 매끄러워졌을 뿐만 아니라 전자가 갇히는 지점이 줄어들고 전체 웨이퍼에 걸쳐 일관된 성능을 보이는 등 전기적으로 더 우수해졌습니다.

이러한 변화의 영향은 처리된 재료로 아주 작은 트랜지스터를 제작함으로써 측정되었습니다. 결과는 놀라웠습니다. 처리된 박막으로 만든 소자들은 처리되지 않은 재료로 만든 것보다 전기를 훨씬 더 잘 전도했습니다. 트랜지스터를 흐르는 전류는 최대 80%까지 증가했으며, 전자가 재료를 통과하는 속도도 크게 개선되었습니다. 아마도 똑같이 중요한 점은 결과의 일관성입니다. 처리되지 않은 샘플에서는 트랜지스터의 성능이 하나하나 다르게 나타났는데, 이는 대량 생산을 어렵게 만드는 문제입니다. 처리 후에는 변동성이 급격히 감소하여, 소자들이 서로 거의 동일하게 작동했습니다. 이러한 균일성은 수십억 개의 트랜지스터가 완벽한 조화를 이루며 작동해야 하는 신뢰할 수 있는 컴퓨터 칩을 만드는 데 필수적입니다.

또한 연구진은 단순한 가열만으로는 이러한 문제들을 해결할 수 없다는 점을 입증했습니다. 연구진이 염소 가스 없이 재료를 가열했을 때는 결함이 그대로 남아 있었고 추가 층도 사라지지 않았습니다. 이는 염소와의 화학 반응이 개선의 핵심이지, 단순히 열 때문이 아니라는 것을 확인시켜 주었습니다. 나아가 연구진은 이 공정이 현대 반도체 공장에서 사용하는 대규모 장비와 호환된다는 것을 입률했습니다. 연구진은 고용량 칩 제조의 표준 크기인 직경 300mm의 웨이퍼 위에서 박막을 성공적으로 처리했습니다. 이는 이 기술이 단순한 실험실의 호기심이 아니라 산업적 채택을 위한 실행 가능한 경로임을 증명합니다.

추가 층의 제거와 원자 결함의 치유를 결합함으로써, 이 새로운 접근 방식은 2차원 반도체의 품질을 높이기 위한 완전한 솔루션을 제공합니다. 이는 추가 층의 존재, 보이지 않는 결정립 경계의 존재, 그리고 원자 결함에 의한 전자 산란이라는 세 가지 주요 장애물을 해결합니다. 이미 반도체 산업에 친숙한 가스를 사용하여 이러한 문제들을 선택적으로 겨냥할 수 있는 능력은 연구에서 생산으로의 매끄러운 전환을 시사합니다. 더 빠르고 효율적인 컴퓨팅에 대한 수요가 증가함에 따라, 이러한 초박형 재료를 높은 정밀도와 낮은 결함률로 제조하는 능력은 매우 중요해질 것입니다. 이 연구는 그 목표를 달성하기 위한 명확하고 제조 가능한 경로를 제공하며, 부서지기 쉬운 원자 시트를 미래 전자 제품의 견고한 토대로 바꾸어 놓았습니다.