플라즈마 기반 4인치 웨이퍼 개발, AI 반도체 혁신 가능성 제시

한국기계연구원 자율제조연구소 반도체장비연구센터 김형우 선임연구원 팀과 성균관대학교 기계공학부 김태성 교수 연구팀이 공동 연구를 통해 플라즈마 기술을 활용해 4인치 크기의 대면적 반도체 웨이퍼를 세계 최초로 제작했다. 이 기술은 저전력으로 고성능을 발휘하는 AI 반도체 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원은 PECVD(Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition)라는 플라즈마 기반 장비를 사용해 서로 다른 두 가지 구조를 결합한 이종구조 반도체 웨이퍼 제작에 성공했다고 밝혔다. 이는 차세대 반도체 재료로 주목받는 전이금속 칼코겐 화합물(TMDc)을 사용한 점에서 그 의의가 있다. TMDc는 전도성과 스위칭 속도가 우수해 AI 반도체에 적합한 물질로 꼽힌다.

연구팀은 두 가지 이종구조 제작 방법을 통해 각각의 구조가 가진 장점을 결합했다. 첫 번째 구조는 이황화텅스텐(WS₂)과 그래핀을 결합한 것으로, 텅스텐 금속층을 웨이퍼에 입힌 후 황화수소 플라즈마 처리를 통해 대면적 구조를 구현했다. 두 번째로, 이황화몰리브덴(MoS₂)을 활용해 ‘금속-반도체’ 결합을 가진 구조를 제작했으며, 금속성 구조(1T)와 반도체성 구조(2H)의 조합을 안정화해 대면적 제작이 가능하게 했다. 기존에는 소규모로만 제작이 가능했던 이종구조 웨이퍼를 대면적으로 구현한 것이다.

플라즈마 기술로 제작한 이 반도체 웨이퍼는 전력 손실을 줄이고 열 발생을 최소화하는 특징을 가져 AI 반도체에 필수적인 저전력·고성능 요건을 충족한다. 또한, 3D 통합구조를 적용해 기존의 ‘스태킹’ 방식이 가진 크기 및 재현성 문제를 극복했다.

김형우 선임연구원은 "이종구조 연구가 산업적 수준으로 확대된 사례로, 반도체 산업에 실질적 영향을 줄 것으로 보인다"며 “AI 반도체와 관련된 기술 경쟁력 강화를 위해 대량 생산 가능성도 높이 평가된다”라고 전했다.