한양대 전기공학과 정진욱 교수 연구팀이 원자 수준의 반도체 공정을 가능케 하는 혁신적인 기술인 ‘극저온 전자 온도의 무손상 플라즈마 소스’를 개발했다고 26일 밝혔다. 이 기술은 기존 플라즈마 공정의 한계를 극복하고, 차세대 반도체 초미세 공정의 새로운 지평을 열 것으로 기대된다.

반도체 소자 제조 공정에서는 식각/증착 공정에서 플라즈마가 주로 이용된다. 하지만, 최근 반도체 소자가 소형화, 고집적화로 인해 원자 수준의 정밀도가 요구되면서, 기존 플라즈마 공정 기술의 한계가 드러나고 있다. 기존 플라즈마의 전자는 2 ~ 5 만도의 매우 고온으로, 공정 중 기판에 물리적 손상과 전하 축적, 진공 자외선 방사에 의한 웨이퍼 손상을 유발하여 원자 수준 반도체 제조가 어려운 현실이다.

토토사이트 마루한 정진욱 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 전자 온도가 매우 낮은(<0.5 eV) 극저온 전자 온도 (Ultra-low electron temperature, ULET) 플라즈마의 무손상 플라즈마 소스를 개발했다.

이러한 플라즈마에서는 전자와 이온의 에너지가 매우 작고, 이온의 에너지를 정밀하게 제어할 수 있어 이온 포격, 전하 축적, 진공 자외선 방사에 의한 손상을 원천적으로 방지할 수 있다. 연구팀은 극저온 전자 온도 플라즈마에 탄소 원자 한 층으로 이루어진 그래핀을 노출시켜도 플라즈마로 인한 손상이 전혀 발생하지 않음을 확인하였다.

연구를 주도한 정진욱 교수는 “이번 연구 결과는 플라즈마를 이용한 반도체 공정의 한계 극복에 중요한 통찰을 제공할 것”이라며, “반도체 미세화의 한계를 넘어 원자 수준의 반도체 소자 구현을 위한 초석이 될 수 있을 것”이라고 설명했다.

또한 이번 연구를 통해 기존 플라즈마 손상 때문에 사용할 수 없었던, 다른 공정에도 플라즈마를 광범위하게 적용할 수 있을 것으로 기대되며, 기존 플라즈마 기술의 한계를 극복할 수 있는 혁신적인 기술로 평가받고 있다.

연구 결과는 미국 과학기술 분야 최상위등급 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 9월 6일자로 게재됐다. 한양대학교 혁신연구센터(IRC)와 삼성미래기술육성센터의 지원으로 수행된 해당 논문 「Damage-Free Plasma Source for Atomic-Scale Processing」은 한양대학교 전기공학과 박준영 박사과정이 제1저자, 전기공학과 정진욱 교수가 교신저자로 참여했다.