AI 기술 발전에 따라 반도체의 고성능과 에너지 효율성 요구가 증가하는 가운데, 한국기계연구원이 세계 최초로 이종구조 4인치 웨이퍼 제작에 성공하며 반도체 기술 혁신의 새로운 지평을 열었다.

한국기계연구원(이하 기계연) 자율제조연구소 반도체장비연구센터 김형우 선임연구원과 성균관대학교 김태성 교수 연구팀이 플라즈마 화학기상증착법(PECVD)을 이용해 세계 최초로 TMDc 및 그래핀 기반 이종구조 4인치 반도체 웨이퍼 제작에 성공했다.

이 기술은 차세대 반도체 후보 물질로 주목받는 TMDc(전이금속 칼코겐 화합물)을 활용해 고성능 AI 반도체로의 적용 가능성을 입증했다.

기술적 난제 극복, 두 가지 형태의 이종구조 구현
연구팀은 이황화텅스텐(WS₂)과 그래핀을 결합한 이종구조를 개발했다. 텅스텐(W) 금속층을 1nm 두께로 증착한 후 플라즈마를 이용한 황화처리 공정을 통해 안정적인 구조를 확보했다.

또한, 이황화몰리브덴(MoS₂)의 금속성 구조(1T)와 반도체성 구조(2H)를 결합한 박막형 이종구조도 구현했다. 기존에는 구조적 불안정성 때문에 대면적 제작이 어려웠으나, 연구팀은 이를 극복해 4인치 크기의 웨이퍼를 제작했다.

3D 통합구조로 효율성 제고
기존 스태킹 방식의 한계를 넘어 4인치 대면적 이종구조를 구현한 이번 성과는 전력 손실 감소와 열 방출 최소화를 통해 AI 반도체의 저전력·고성능이라는 요구를 충족했다.


연구팀은 플라즈마 합성 장비를 이용해 웨이퍼 제작의 재현성을 확보, 상용화 가능성을 높였다. 이 기술은 뉴로모픽 시스템 등 AI 반도체 응용 분야에 폭넓게 활용될 전망이다.


기계연 김형우 선임연구원은 "이번 기술은 학술적 연구에서 실질적 산업화 가능성을 입증한 사례"라며, "대량생산 가능성이 높은 PECVD 장비를 활용해 AI 반도체 성능 향상과 산업화에 기여할 것"이라고 강조했다.

연구팀의 성과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 메터리얼즈(Advanced Materials)’와 ‘에너지 앤 인바이런먼탈 메터리얼즈(Energy & Environmental Materials)’ 표지논문으로 선정되며 세계적으로 주목받았다.

한편, 이번 연구는 기계연 기본사업인 '반도체·디스플레이 산업 핵심 공정용 플라즈마 장비 기반 원천 기술 개발'과 창의도전연구사업 및 산업통상자원부 인력양성지원사업의 지원으로 수행됐다. 기계연은 이 기술에 대해 미국과 국내 특허 등록을 완료하며 원천기술을 확보, AI 반도체 산업의 글로벌 경쟁력을 강화할 것으로 기대된다.