프린스턴 대학이 주도한 새로운 연구에 따르면 특정 2차원 재료의 표면에 미량의 산소 또는 불소 코팅을 도입하면 플라즈마 에칭 공정의 제어성이 크게 향상될 수 있으며, 이는 더 작고 빠르며 에너지 효율적인 차세대 컴퓨터 칩의 제조를 촉진할 것으로 예상됩니다. 이 획기적인 성과는 전통적인 실리콘 공정을 기반으로 한 초박형 신소재 도입을 위한 핵심 공정 수단을 제공합니다.

오늘날의 상용 칩에는 평방 인치당 수십억 개의 실리콘 트랜지스터가 통합되어 있지만 실리콘 소재는 크기 감소 및 성능 향상 측면에서 점차 물리적 한계에 접근하고 있습니다. 무어의 법칙의 진화를 계속하기 위해 과학 연구 커뮤니티는 초박형 전이금속 디칼코게나이드(TMD) 유형에 관심을 돌렸습니다. 이는 실리콘과 함께 작동하여 미래의 트랜지스터 구조를 구축할 수 있기를 희망합니다. 이러한 후보 물질 중에서 이황화 몰리브덴(MoS2)은 두께가 3개의 원자층(중앙에 몰리브덴 원자 층, 위와 아래에 황 원자 층)에 불과하기 때문에 특히 관심을 끌고 있습니다.

이러한 유형의 TMD 재료를 칩 구조에 효과적으로 통합하려면 제조 공정에서 "단 하나의 층만 벗겨내는 것"이 ​​필요한 경우가 많습니다. 즉, 하부 몰리브덴 층과 하부 황 층은 그대로 유지하면서 표면에 있는 황 원자의 최상층을 정확하게 제거하는 것입니다. 현재 업계에서 흔히 사용하는 방식은 플라즈마 기반 식각 공정으로, 태양이나 별의 물리적 상태와 유사한 고에너지 전하 입자를 이용해 물질 표면에 충격을 가해 원자를 하나씩 녹아웃시키는 방식이다.

어려운 점은 플라즈마에 이온 에너지의 분포가 있고, 바로 아래의 몰리브덴 원자를 손상시키지 않고 표면의 황 원자를 제거하기에는 공정 창이 매우 좁다는 것입니다. 에너지가 약간 낮으면 황 원자를 완전히 제거할 수 없습니다. 에너지가 약간 높으면 몰리브덴 층이 손상되어 전체 재료가 고성능 채널 층으로서의 가치를 잃을 수 있습니다. 수년 동안 첨단 제조 공정에서 TMD 재료의 대규모 적용을 제한해 온 것은 바로 이러한 "약간의 차이" 공정 제어 문제입니다.

대규모 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 프린스턴 및 기타 기관의 연구팀이 수행한 이 작업은 겉으로는 간단하지만 매우 효과적인 "화학적 보조" 솔루션을 발견했습니다. 즉, 플라즈마 처리 전에 이황화 몰리브덴의 표면을 산소 또는 불소로 기능적으로 코팅하는 것입니다. 시뮬레이션 결과에 따르면 이 추가 단계는 안전 프로세스 창을 크게 넓혀 기본 몰리브덴 층을 손상시키지 않고 황 원자의 최상층만 제거하는 것을 더 쉽게 만듭니다.

연구에 따르면 처리되지 않은 이황화 몰리브덴 표면에서 황 원자 1개를 제거하려면 약 30전자볼트의 입사 에너지가 필요합니다. 일단 불소로 사전 코팅되면 이 에너지 임계값은 약 10전자 볼트로 감소될 수 있습니다. 산소 코팅을 하면 약 14전자볼트까지 줄일 수 있다. 이에 비해 원래 상황에서 '황 제거'와 '몰리브덴층 관통' 두 가지 결과에 해당하는 에너지는 매우 가까워 실제 가공 시 소재 본체의 손상을 피하기 어렵다.

산소 또는 불소 코팅을 사용하면 황 원자를 분리하는 데 필요한 에너지가 크게 줄어들어 "손상 임계값"에서 더 먼 거리가 생성됩니다. 이렇게 더 넓은 작동 범위에서는 플라즈마의 이온 에너지에 특정 변동이 있더라도 구조 코어의 몰리브덴 층을 손상시키지 않고 표면의 황 원자를 선택적으로 제거할 가능성이 여전히 더 높습니다. 이러한 차이는 반도체 제조에서 원자 수준의 정밀도를 추구하는 데 매우 중요합니다.

연구팀은 새로운 전략의 핵심은 플라즈마 입자의 물리적 영향에 전적으로 의존하기보다는 '화학반응이 도움이 되도록 하는 것'이라고 지적했다. 고속 이온이 산소로 미리 덮인 MoS2 표면에 부딪히면 근처에 있는 두 개의 산소 원자가 황 원자와 결합하여 이산화황 가스 분자를 생성하는 경향이 있습니다. 이 분자는 열역학적으로 매우 안정적이며 물질 표면에서 자발적으로 분리되기가 더 쉽습니다. 이는 "화학 반응을 통해 황을 제거하는 것"과 같습니다.

마찬가지로, 불소 코팅을 사용하면 황-불소 결합을 포함하는 중간 화합물이 생성되며, 이는 원래 S-Mo 결합보다 깨지기 쉽기 때문에 부드럽고 선택적인 표면 에칭이 가능합니다. 논문의 첫 번째 저자이자 프린스턴 대학교 화학과 대학원생이자 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소(PPPL)의 2025년 여름 회원인 Yury Polyachenko는 재료 내부의 가장 강한 화학 결합을 직접 끊지 않았지만 먼저 기능화를 통해 "더 나은" 중간 생성물을 생성한 다음 더 낮은 에너지로 제거했다고 말했습니다.

이 결과는 Journal of Physical Chemistry Letters에 게재되었으며 다양한 표면 기능화 방법이 에너지 장벽 및 손상 위험에 미치는 영향을 자세히 논의했습니다. 현재 시뮬레이션 작업은 주로 '손상될까?'라는 질문에 답하는 데 중점을 두고 있습니다. 다음 단계에서 팀은 다양한 공정 조건에서 생성된 특정 결함 유형과 밀도를 더욱 정량화하여 업계에 더 많은 운영 매개변수 지침을 제공할 계획입니다.

연구원들은 또한 이 아이디어를 몰리브덴을 텅스텐으로 대체, 황을 셀레늄으로 대체하는 등 더 넓은 범위의 재료 시스템으로 확장하여 이러한 산소/불소 기능화와 플라즈마 선택적 에칭의 조합도 적용 가능한지 확인할 계획입니다. 다양한 TMD 재료에서 유사한 효과를 재현할 수 있다면 향후 초박형 채널 재료 선택 및 다중 재료 스택 구조 설계를 위한 더 많은 공간이 열릴 것입니다.

이 연구는 미국 에너지부 산하 과학국의 자금 지원을 받았으며 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소(Princeton Plasma Physics Laboratory)가 수행한 익스트림 리소그래피 및 재료 혁신 센터 마이크로 전자공학 연구 프로젝트의 틀 하에서 수행되었습니다. 관련 대규모 수치 시뮬레이션은 주로 NERSC(National Energy Research Scientific Computing Center)와 Princeton University의 Stellar, Della 및 Tiger 고성능 컴퓨팅 클러스터에서 완료되었습니다.