중국, 2D 반도체 웨이퍼 기술 큰 도약

Jun 24, 2023

포니왕/iStock

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사우스차이나모닝포스트(SCMP)는 중국 과학자들이 반도체 세계에서 획기적인 발전을 이루었다고 보도했다. 단 하나의 원자 두께("2D"라고 함)인 새로운 12길이(30.5cm) 웨이퍼는 저렴하고 잠재적으로 반도체 산업에 혁명을 일으킬 수 있다고 제작자들은 주장합니다. 이를 사용 가능한 마이크로칩으로 전환하려면 더 많은 작업이 필요하지만 새로운 웨이퍼는 기존 실리콘 칩을 보완하고 심지어 도전할 수도 있습니다.

새로운 2D 소재는 얇기 때문에 우수한 반도체 특성을 나타냅니다. 그러나 과학자 팀은 웨이퍼 크기를 확장하고 대량으로 생산하는 데 어려움을 겪었습니다. “우리는 이것이 과학적으로 실현 가능하고 자신감을 심어주었다는 것을 업계에 입증했습니다. 미래에 산업 수요가 있다면 이 분야의 발전은 비약적으로 발전할 것입니다.”라고 연구를 주도한 북경대학교 Liu Kaihui 교수는 SCMP와의 독점 인터뷰에서 말했습니다.

Science Bulletin에 발표된 연구에 따르면, 새로운 웨이퍼는 기존 실리콘 칩에 비해 몇 가지 중요한 개선 사항을 제공합니다. “실리콘 트랜지스터를 더 얇게 만들면 [전압 제어]가 더 나빠집니다. 장치가 작동하지 않는 경우에도 전류가 존재합니다. 이로 인해 추가 에너지 비용과 열 발생이 발생합니다.”라고 Liu는 설명했습니다.

새로운 2D 재료는 하나 또는 여러 개의 원자층을 가진 결정질 고체로 구성됩니다. 자연적으로 원자 수준의 두께로 인해 웨이퍼는 고유한 물리적 특성을 가지며 고성능 전자 장치에 잠재적으로 응용될 수 있습니다. Liu는 “두께가 약 1나노미터인 MoS2(일반적인 2D 재료)의 단일 층으로 제작된 트랜지스터는 동일한 두께의 실리콘으로 제작된 트랜지스터보다 여러 번 성능이 뛰어납니다.”라고 덧붙였습니다.

“일부 2D 재료는 1nm 이하 집적회로에 필수적인 재료 시스템으로 간주됩니다. 또한 업계에서는 집적 회로의 트랜지스터 수가 약 2년마다 두 배로 증가한다는 무어의 법칙을 이어가거나 심지어 그 이상으로 유지할 수 있는 것으로 인정받고 있습니다.”라고 그는 말했습니다.

그러나 지금까지 과학자들은 2D 재료가 각 레이어에 별도로 존재할 수 있음에도 불구하고 높은 균일성과 장치 성능을 갖춘 2D 재료 웨이퍼를 제조하는 데 어려움을 겪었습니다. 새로운 웨이퍼는 그래핀이나 이황화 몰리브덴, 이황화 텅스텐, 이셀레나이드 몰리브덴, 이셀레나이드 텅스텐과 같은 전이금속 디칼코게나이드(TMD)와 같은 재료를 포함하여 층별로 적층될 수 있습니다.

"우리는 균일한 성장을 보장하는 표면 간 공급 방식을 활용하는 새로운 접근 방식을 개발했습니다."라고 Ph.D. 논문의 제1저자인 Xue Guodong 후보는 이렇게 말했습니다. "MoS2 웨이퍼를 제조하는 동안 용액 분산된 용융염(Na2MoO4)과 협력하는 칼코게나이드 결정판(ZnS)이 원소 공급원으로 사용됩니다"라고 Guodong은 덧붙였습니다.

“Songshan Lake Materials Laboratory의 엔지니어링 팀은 이 방법을 기반으로 장비를 설계했습니다. [우리의] 장비는 이제 기계당 연간 10,000개의 2D 웨이퍼를 생산할 수 있습니다.”라고 Liu는 말했습니다.

Science Bulletin 저널에서 직접 연구 내용을 볼 수 있습니다.

연구 개요:

2차원(2D) 전이금속 디칼코게나이드(TMD)는 원자 수준의 두께, 높은 캐리어 이동도 및 초고속 전하 이동으로 인해 차세대 장치의 중추적인 반도체 후보로 간주됩니다. 전통적인 반도체 산업과 유사하게, 웨이퍼 규모 TMD의 일괄 생산은 집적 회로 발전을 진행하기 위한 전제 조건입니다. 그러나 TMD 웨이퍼의 생산 능력은 일반적으로 성장 중 여러 전구체의 효과적인 대량 운송에 필요한 엄격한 조건으로 인해 배치당 단일 및 작은 조각(주로 2~4인치 범위)으로 제한됩니다. 여기에서 우리는 웨이퍼 규모 TMD의 일괄 생산을 위한 모듈화된 성장 전략을 개발하여 2인치 웨이퍼(배치당 15개)부터 최대 크기의 12인치 웨이퍼(배치당 3개)까지 제조할 수 있게 되었습니다. 견고한 개별 TMD 웨이퍼 성장을 위한 자급자족형 로컬 전구체 공급 장치로 구성된 각 모듈은 다른 모듈과 수직으로 적층되어 통합 어레이를 형성하므로 일괄 성장이 가능합니다. 광학 분광학, 전자 현미경 및 전송 측정을 포함한 포괄적인 특성 분석 기술은 준비된 단층 필름의 높은 결정성과 대면적 균일성을 명확하게 보여줍니다. 또한 이러한 모듈화된 장치는 생산된 웨이퍼 규모의 MoS2를 MoSSe의 야누스 구조, MoS2(1-x)Se2x의 합금 화합물 및 MoS2-MoSe2의 평면 내 이종 구조와 같은 다양한 구조로 변환할 수 있게 하여 다용성을 보여줍니다. . 이 방법론은 고품질 및 고수율 웨이퍼 출력을 보여주며 잠재적으로 실험실 규모에서 실리콘 기술을 보완하는 산업 규모의 2D 반도체로 원활하게 전환할 수 있게 해줍니다.