[더테크 뉴스] 한국광기술원은 4일 AI에너지연구센터 손명우 박사팀이 저온 합성공정 기술을 이용, 반도체 전극의 물리적 손상을 방지하는 고성능 그래핀-구리 적층 배선 제작 기술을 세계 최초로 개발했다고 밝혔다. 

그래핀 저온 대면적 합성 기술을 기반으로 한 이 기술은 반도체와 디스플레이 분야에 폭넓게 적용이 가능하다. 그래핀은 전기·화학적 특성이 우수해 반도체 분야 '꿈의 신소재'로 불리는 물질이다.

지금까지 그래핀-구리 배선은 800℃ 이상의 고온에서 저압 화학 기상 증착법을 활용, 구리 호일 위에 그래핀을 합성하고 구리 배선에 전사해 제작하지만, 고온으로 인해 배선 기판이나 반도체에 물리적 손상이 발생하는 문제를 안고 있다.

최근 저온의 화학기상증착법에 플라즈마를 적용해 그래핀을 구리 배선에 직접 합성하는 방식을 사용하지만 플라즈마의 높은 에너지로 그래핀의 물리적인 손상은 여전히 해결되지 않고 있다.

손 박사팀은 이러한 문제 해결을 위해 벤젠이나 피리딘 등의 액상 탄소소스를 그래핀 공정에 사용, 400℃ 이하의 저온 상압 화학기상증착법으로 기판이나 반도체의 물리적 손상 없이 그래핀-구리 배선 제작에 성공했다.

또 아르곤 가스를 주입하는 정화공정을 새롭게 개발해 저온합성공정 시스템 내부의 오염 요소를 제거함으로써 저온합성 그래핀의 저품질 문제까지도 해결했다.

개발된 그래핀‧구리 적층 배선의 그래핀에 대한 라만 스펙트럼을 분석한 결과, 기존 대비 결정성이 우수한 고품질의 다층 그래핀 합성임을 확인했으며 전류밀도나 평균수명도 우수한 성능을 보였다.

비저항은 구리 배선 대비 약 3.5% 감소했으며 전류밀도는 약 24.1% 개선됐고 평균수명(MTTF)은 10배 이상 늘었다.

이에 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 기대했다. 

연구팀은 일체형 반도체 사업화로 세계 반도체 시장의 약 10%를 차지하는 전력반도체 및 마이크로집적회로 분야에서 약 10조원 규모 이상의 경제적 파급효과가 있을 것으로 예상한다고 덧붙였다. 

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.

이 연구 결과는 관련 학술지인 '엔피제이 2D 머티리얼스 앤 어플리게이션스(npj 2D Materials and Applications)'에 최근 게재됐다.