[대학저널 이선용 기자] 성균관대학교는 기계공학부 김태성 교수 연구팀, 삼성전자 AVP 공정개발팀, 파크시스템스 R&D센터 공동연구진이 원격 터널링 기반 ‘차세대 나노 탐침 소자’를 개발했다고 11일 밝혔다.
현재 반도체 공정 기술력이 가장 앞선다고 평가받는 삼성전자와 TSMC가 3nm 공정 양산에 돌입했지만, 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.
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 성공했다.
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 구성했다.
이렇게 구성된 탑침-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 성공했다.
또한, 연구진은 실험적으로 관측한 계면 터널링 현상의 이질성을 밀도 범 함수 이론(Density functional theory, DFT) 시뮬레이션을 통해 이론적으로도 검증했다.
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.
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