반도체를 ‘레고’처럼 원자 단위에서 조립해 절연막과 전극을 한 번에 형성하는 기술이 소개됐다. 아시아경제의 과학을읽다 코너는 최근 원자층을 선택적으로 치환하는 방식으로 반도체 소재를 구성하는 연구 동향을 전했다. 이 기술은 기존의 복잡한 증착·식각 공정을 단순화할 수 있어 차세대 반도체 제조 공정으로 주목받는다.
원자 단위 조립 기술이란 무엇인가요?
원자 단위 조립 기술은 반도체 소재를 구성하는 원자를 선택적으로 바꿔 원하는 물질을 원하는 위치에 형성하는 방법이다. 예를 들어 절연막이 필요한 부분에는 산소나 질소 원자를 도입하고, 전극이 필요한 부분에는 금속 원자를 배치하는 식이다. 이는 마치 레고 블록을 조립하듯 원자를 하나씩 쌓아 올리는 개념이다.
기존 공정과 무엇이 다른가요?
기존 반도체 공정은 포토리소그래피로 패턴을 만든 뒤 증착과 식각을 반복해 절연막과 전극을 따로 형성한다. 반면 이 기술은 한 번의 공정으로 절연막과 전극을 동시에 형성할 수 있어 공정 단계를 크게 줄일 수 있다. 또한 계면의 원자 배열을 정밀하게 제어할 수 있어 소자의 전기적 특성을 향상시킬 가능성이 있다.
어떤 장점이 있나요?
공정 단계가 줄어들면 제조 비용과 시간이 절감되고, 불순물 혼입 가능성도 낮아진다. 또한 원자 수준에서 계면을 제어할 수 있어 누설 전류를 줄이고 소자 신뢰성을 높일 수 있다. 이는 특히 3나노 이하 미세 공정에서 중요한 요소로 작용할 수 있다.
상용화 전망은?
현재 이 기술은 연구 단계에 있으며, 구체적인 상용화 시점은 확인되지 않았다. 다만 반도체 업계는 3D 적층 구조와 이종 소재 집적이 중요해지면서 원자 단위 조립 기술에 대한 관심을 높이고 있다. 삼성전자와 TSMC 등 주요 파운드리 업체도 관련 연구를 진행 중인 것으로 알려졌다.
국내 연구 동향은?
국내에서는 한국과학기술원(KAIST)과 한국전자통신연구원(ETRI) 등이 원자층 증착과 선택적 치환 기술을 연구하고 있다. 특히 KAIST는 원자층을 이용한 2차원 소재 합성 기술을 발표한 바 있다. 또한 ETRI는 반도체 소재 원자층 제어 기술에 대한 특허를 출원했다.
“원자 단위 조립은 반도체 공정의 궁극적인 방향 중 하나다. 다만 대면적 균일도와 생산성 확보가 관건이다.” – 반도체 공정 전문가
앞으로 지켜볼 점은?
이 기술이 상용화되기 위해서는 대면적 기판에서 원자층을 균일하게 형성하는 기술과 공정 시간을 단축하는 방법이 필요하다. 또한 기존 공정과의 호환성도 중요한 과제다. 관련 연구 결과는 향후 학술지와 국제 학회를 통해 공개될 것으로 보인다.