기계공학부 김태성 교수, 물리적 접촉 없이

원격으로 전자 이동 제어하는 차세대 나노 탐침 소자 개발

기계공학부 김태성 교수 연구팀은 삼성전자 AVP 공정개발팀, 파크시스템스 R&D센터와 공동 연구를 통해 원격 터널링 기반 ‘차세대 나노 탐침 소자’를 개발했다고 밝혔다.

현재 반도체 공정 기술력이 가장 앞선다고 평가받는 삼성전자와 TSMC가 3nm 공정 양산에 돌입하였지만, 이러한 공정 선폭 1㎚(10억분의 1ｍ) 감소에 2~3년이 걸리는 등 반도체 공정 및 소자 고집적화의 물리적인 한계에 도달한 상황이다. 따라서, 차세대 반도체 소자 후보인 분자 전자소자(Molecular electronics)는 나노미터(nm) 스케일의 매우 작은 분자를 기반으로 전자소자의 핵심 구성요소로 사용하는 방식으로, 반도체 고집적화의 물리적 한계를 극복할 기술로 관심받고 있다. 대표적인 분자 전자 소자인 단일 분자 접합 구조는 나노미터 크기의 미세간극을 가진 전극 사이에 분자가 위치한 구조로 차세대 분자 전자소자 응용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만, 분자와 전극 간의 직접적인 접촉에 의해 계면에서 발생하는 전하 트랩(Charge trap)이라는 치명적인 물리적인 한계로 상용화가 어려웠다.

이에 연구팀은 원자력 힘 현미경(Atomic Force Microscopy)을 기반으로 자가 조립 단분자막 위로 나노 탐침을 위치시킨 뒤, 5nm의 간격을 통해 터널링 접합을 구성하여 금속-유기물 계면에서 계면 전하 이동 및 전자 터널링의 원격 능동 제어와 동시에 고해상도(Sub-10nm resolution) 이미징에 성공하였다.

연구진은 질소 원자와 황 원자를 고정 그룹으로 갖고 있는 유기물로 구리 표면 위에 자가 조립 단분자막을 형성한 뒤, 제작된 시료와 나노 탐침을 기반으로 비접촉식 분자 접합을 구성하였다. 이렇게 구성된 탐침-터널링 간격-시료 접합에 국소적으로 형성된 탐침 증강 전기장과 근접장을 각각 변조해가며 전하 밀도가 낮은 고정 그룹으로 구성된 공유 결합을 통해서만 계면 전하 이동 및 터널링이 발생함을 관측하는 데 성공하였다. 또한, 연구진은 실험적으로 관측한 계면 터널링 현상의 이질성을 밀도 범 함수 이론(Density functional theory, DFT) 시뮬레이션을 통해 이론적으로도 검증하였다. 더 나아가 연구팀은 4인치 웨이퍼에 수직 구조 축전 소자를 대면적으로 제작하여 탐침으로 계면 터널링을 유도함과 동시에 실제 소자 성능을 측정 및 분석함으로써, 원격 계면 터널링 기반 접합 구조의 신뢰성 및 재현성을 검증하였다.

▲ 탐침 유도 전기장  근접장 기반으로 구현된 차세대 나노 탐침 계면 터널링 현상 능동 제어 플랫폼

김태성 교수는 “기존 분자 접합의 구조적인 한계점을 뛰어넘으며, 금속-유기물 계면의 전자 이동을 소자의 구조적 관점에서 바라볼 수 있는 연구로, 향후 반도체 초미세 공정에서 계면 및 표면의 전기·화학적 특성을 정확하게 제어 및 관측하여 반도체 소자 성능 향상에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

본 연구는 한국연구재단에서 지원하는 리더연구(NRF-2022R1A3B1078163)의 연구결과로 나노미터(nm) 수준의 반도체 초미세 공정에 다양하게 적용 가능함에 따라 향후 국내 반도체 초격차를 이어갈 주요 기술이 될 것으로 기대된다.

이번 연구 성과는 재료과학 및 나노과학 기술 분야의 세계적인 학술지인 어드밴드스 사이언스(Advanced Science, IF: 17.521, JCR 상위 6% 이내)지에 12월 6일 온라인 게재됐다.

※ 논문명: Remote-Controllable Interfacial Electron Tunneling at Heterogeneous Molecular Junctions via Tip-Induced Optoelectrical Engineering

※ 논문링크: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202305512

※ 저자명: Taesung Kim (교신저자), Jinhyoung Lee, Eungchul Kim, Jinill Cho (제1저자) Hyunho Seok, Gunhoo Woo, Dayoung Yu, Gooeun Jung, Hyeon Hwangbo, Jinyoung Na, Inseob Im (공동 저자)