이관형 교수 연구팀, 나노미터 두께 전자회로 생성 기술 개발

원자 그래핀을 이용한 선택적 에칭 통해 직접회로 구현

이관형 교수(신소재공학) 연구진이 2차원 소재로 알려진 그래핀을 이용해 초정밀 전자회를 만드는 데 성공했다.

그래핀과 다른 2차원 물질들 간의 선택적 에칭(etching)을 활용하여 매우 얇은 구조 안에서도 초정밀도를 갖는 에칭을 가능케 하고 이를 이용한 그래핀 소자의 집적화를 구현한 것이다. 에칭이란 식각이라는 표현으로도 사용되며 반도체 산업에서는 일반적으로 포토 레지스터에 피복되어 있지 않은 부분을 제거하는 것을 말한다.

2차원 물질은 두께가 원자단위로 매우 얇아 가로, 세로 두 가지 차원만 존재하는 물질이다. 대표적으로는 최근 활발한 연구를 통해 잘 알려진 그래핀이 있다. 그래핀은 밴드갭이 없어 금속에 가까운 물질이지만, 반도체나 절연체 등 다양한 밴드갭을 갖는 물질들이 차례로 발견되어 이들을 적층하게 되면 2차원 물질들로만 이루어진 전기 소자를 구현할 수 있다. 이렇게 만들어진 소자는 매우 얇아서 투명하고 유연하며, 외부의 전계제어를 통해 전하 밀도를 쉽게 조절하여 현재 널리 사용되고 있는 실리콘 반도체의 한계를 뛰어넘을 수 있는 후보로 손꼽히고 있다.

다기능성을 갖는 고집적 반도체 회로에 응용되려면 수평 구조에서의 집적도 중요하지만, 수직 구조를 구성하는 것이 매우 중요하다. 기존 실리콘 산업에서는 원하는 깊이만큼 에칭하여 위 아래 층을 전기적으로 연결하여 주는 비아(*via : 반도체 산업에서 구멍을 열어 금속을 채워 상하의 소자들을 접속하는 통로 혹은 그 기술)가 수직 구조 형성에 절대적인 역할을 하지만 2차원 구조에서는 매우 얇은 두께 때문에 비아의 형성이 거의 불가능하다고 여겨져 왔다.

연구진은 반응성이 매우 좋은 이불화 제논 가스(Xenon difluoride, XeF2)에 다양한 2차원 물질을 노출시키면, 대부분의 2차원 물질은 에칭되어 없어지지만 그래핀만은 손상 없이 불화(fluorination)된다는 사실을 발견했다. 그래핀과 다른 2차원 물질이 순서대로 적층된 이종접합구조를 이 기체에 반응시키면 노출된 다른 2차원 물질은 에칭되어 없어지는 반면, 그래핀 아래에 존재하고 있는 물질은 그래핀에 막혀 완벽히 보존된다. 즉, 원자 단위의 정밀도를 가지면서 완벽한 선택적 에칭이 가능하기 때문에 그래핀을 에칭 마스크 (etch mask) 또는 에칭 스탑(etch stop)으로 사용할 수 있다.

이러한 성질을 이용하여 연구팀은 매우 얇은 2차원 물질의 접합구조에서 비아를 성공적으로 형성했다. 먼저 전자빔 리소그래피(e-beam lithography)를 통해 일부만 노출시킨 뒤 기체에 반응시키면 그래핀이 위치하고 있는 곳까지만 에칭이 진행되고, 그래핀은 불화되면서 반응이 멈추게 된다. 이렇게 형성된 구조에 바로 전극으로 사용되는 금속을 증착하면 비아가 형성된다. 불화된 그래핀은 전도성이 떨어져 접촉저항이 낮을 것으로 예상되었지만, 놀랍게도 모서리에서의 전하 주입으로 인해 이론적 한계에 거의 근접한 매우 낮은 접촉저항을 가짐을 확인했다. 

본 공동연구팀은 이 via를 이용하여 각각 다른 층에 존재하는 그래핀을 전기적으로 연결하는 것을 시도하여 성공했으며, 두 그래핀 중 하나를 게이트 전극, 하나를 채널 전극으로 사용하는 집적 소자를 구현하는 데에 성공했다. 이는 수직 방향으로 집적된 그래핀 소자의 연결뿐 아니라 그래핀을 배선으로 사용하는 회로에서 그래핀 배선을 연결할 수 있는 필수 기술로서 활용될 수 있다.  

이 발견으로 인해 차세대 물질인 2차원 물질의 수직적층 이종접합구조에서 고집적 회로 구성이 매우 용이해졌으며 그래핀의 새로운 물리적 현상 관측을 위한 소자 제작에도 큰 역할을 할 수 있을 것으로 예상된다.

한편, 본 연구는 미국 일리노이 대학교(University of Illinois, Urbana-Champaign) 아렌드 반 더 잔데 교수 연구진과의 공동연구를 통해 진행됐으며, 손장엽 박사와 권준영 박사과정 학생이 공동 1저자로서 연구를 수행했다. 삼성미래기술육성센터가 주관하는 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 이뤄진 본 연구 결과는 저명한 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 지난 9월 29일 게재되었다. 

[그림] 그래핀을 에치 스탑으로 활용한 2차원 구조의 에칭 기술의 모식도와 단면 TEM 이미지. 그래핀이 보호하고 있는 물질은 전혀 손상을 입지 않음을 확인할 수 있음. 이에 따른 비아 전극 형성과 응용 소자 구조.