한국광기술원, '반도체 손상 막는' 배선 최초 개발
한국광기술원은 저온합성공정 기술을 이용해 반도체 전극의 물리적 손상을 방지할 수 있는 고성능 그래핀-구리 적층 배선 제작 기술을 세계 최초로 개발했다고 밝혔다.
한국광기술원 AI에너지연구센터 손명우 박사팀이 보유한 '그래핀 저온 대면적 합성 기술'을 기반으로 개발된 이 기술은 반도체 및 디스플레이 분야에 폭넓게 적용이 가능하다.
지금까지 그래핀-구리 배선은 800℃ 이상의 고온에서 저압화학기상증착법(화학기상증착시스템 내에서 그래핀 합성에 사용되는 촉매 금속과 기상의 탄소소스의 화학반응을 유도해 대면적으로 그래핀 박막을 합성하는 방법)을 활용해 구리 호일 위에 그래핀을 합성하고, 구리 배선에 전사해 제작해왔다.
하지만 이 방법은 고온으로 인해 배선 기판이나 반도체에 물리적 손상이 발생하는 문제를 안고 있다.
최근에는 저온의 화학기상증착법에 플라즈마(기체 중에 이온과 전자가 동일하게 고밀도로 공유하는 상태로 '이온화'된 상태의 기체)를 적용해 그래핀을 구리 배선에 직접 합성하는 방식을 사용하기도 했지만, 플라즈마의 높은 에너지로 인한 그래핀의 물리적인 손상은 여전히 해결되지 않아 배선 성능의 저하가 초래되기도 했다.
AI에너지연구센터 손 박사팀은 이런 문제를 해결하기 위해 벤젠이나 피리딘 등의 액상 탄소소스를 그래핀 공정에 사용해 약 400℃ 이하의 저온상압화학기상증착법으로 기판 또는 반도체의 물리적 손상 없이 그래핀-구리 배선 제작에 성공했다.
그리고 아르곤 가스를 주입하는 정화 공정을 새롭게 개발, 저온합성공정 시스템 내부의 오염 요소를 제거함으로써 저온합성 그래핀의 저품질 문제까지도 해결했다.
개발된 그래핀-구리 적층 배선의 그래핀에 대한 '라만 스펙트럼(물질에 단일 파장의 레이저나 가시광선, 자외선을 조사할 경우 분자 진동 중 분극률의 변화에 의해 입사광은 파장 변화를 일으켜 산란됨)'을 분석한 결과, 기존 대비 결정성이 우수한 고품질의 다층 그래핀 합성임을 확인했으며 전류밀도나 평균수명도 우수한 성능을 보였다.
이에 따라 저저항, 고전류밀도, 신뢰성이 높은 장점을 지닌 그래핀 기반 배선이 적용된 반도체 소자의 상용화에 가장 큰 걸림돌이던 고온합성공정을 저온합성공정으로 대체함과 동시에 반도체 표면에 직접 그래핀-구리 적층 배선을 적용한 배선 일체형 반도체 제품화가 가능할 것으로 기대된다.
본 연구로 개발된 기술을 활용한 그래핀 기반 배선 일체형 반도체 사업화로 세계 반도체 시장의 약 10%를 차지하는 전력반도체 및 마이크로집적회로 분야에서 100억 달러 (약 10조원) 규모 이상의 경제적 파급효과가 있을 것으로 예상된다.
손명우 박사는 "저온합성공정의 그래핀-구리 적층 배선 제작 기술로 반도체 성능과 신뢰성 향상이 가능함에 따라, 그래핀 기반 미래형 반도체 및 전자 소자의 상용화에 기여할 것으로 기대된다"며 "특히 고효율 배터리 음극제 소재 개발 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 하게 될 것"이라고 말했다.
한편 이번 기술 개발은 과학기술정보통신부의 '과학기술분야 기초연구사업', '나노소재원천기술개발사업'과 '산업통상자원부'의 '핵심소재원천기술개발사업'의 지원을 받아 수행됐다.
한국광기술원 내 AI에너지연구센터팀이 저온합성공정을 통해 개발한 건 뭐야
그래핀-구리 적층 배선 제작 기술