박진홍 교수, MIT·삼성종합기술원과 함께 1나노급 단결정 2D 반도체 채널 3D C-FET 기술 개발

- 세계 최초 1나노미터 이하 기술 기반으로 무어의 법칙을 옹스트롬 스케일까지 지속할 청사진 제시

- 연구결과 국제학술지 네이처(Nature)에 게재

▲ (왼쪽부터) 박진홍 교수, 김기석 박사(공동 1저자), 서승환 박사(공동 1저자),
전종욱 교수(참여저자), 안호근 연구원(참여저자), 정항교 연구원(참여저자)

전자전기공학부 박진홍 교수 연구팀은 MIT의 김지환 교수 연구팀, 삼성종합기술원(SAIT)의 김상원·설민수 박사 연구팀과 함께 10옹스트롬(1나노미터) 이하 기술 노드에 고려되고 있는 단결정 2D 반도체* 채널 기반 3D C-FET** 반도체 소자 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 기존 2D 평면 반도체의 집적도 한계를 저온 집적 공정을 통해 극복한 3D C-FET 반도체 소자 기술에 관한 것으로, 반도체 집적 기술의 혁신적인 도약을 이루었다는 평가를 받고 있다.

  * 2D 반도체: 두께가 원자 단위 수준으로 매우 얇은 2차원 형태의 반도체 물질. 뛰어난 전기적 특성과 초박형 구조로 인해 1나노미터 이하의 고성능 및 고밀도 집적 소자 구현에 유리한 특징을 가짐.

** 3D C-FET: 3차원으로 적층된 n-FET과 p-FET을 전기적으로 연결한 구조의 트랜지스터. 기존 2D 평면 소자보다 집적도를 크게 높이고 전력 효율을 개선할 수 있는 기술. 2031년 10옹스트롬 기술 노드에 도입될 핵심 기술로 예상됨.

▲ 기존 3D 반도체 집적 기술 및 본 연구팀이 개발한 3D 반도체 집적 기술의 비교

기존의 3D 반도체 기술은 실리콘 웨이퍼를 관통하는 TSV(Through-Silicon Via)를 이용한 방식이 주류를 이루었으나 TSV 방식은 웨이퍼 간 정렬 오류, 높은 공정 비용, 그리고 TSV가 차지하는 칩 면적 손실 등 여러 가지 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 웨이퍼 간 물리적 연결 없이 단결정 전이금속 디칼코제나이드(TMD) 채널을 직접 성장시키는 ‘모노리식(Monolithic) 3D 집적 방식’으로 접근하였다. 이 방식은 소자의 성능을 극대화하면서 물리적 연결을 최소화해 공정 효율성과 집적도를 동시에 개선할 수 있다.

▲ 단결정 2D TMD 저온 성장 기술 모식도 및 단결정 3D C-FET 반도체 소자

특히 이번 연구에서는 상부 단결정 2D 반도체 소자 제작에 있어 기존의 700℃ 이상의 고온 공정 대신 385℃ 이하의 저온 공정을 적용하였다. 이러한 저온 공정은 이미 제작된 소자나 배선의 손상을 방지하면서도 상부 소자를 3D 모노리식 방식으로 제작할 수 있는 환경을 제공했다. 연구팀은 이를 통해 단결정 n-FET 소자를 이미 제작된 단결정 p-FET 위에 직접 집적하는 데 성공하였다. 개발된 수직 CMOS 소자는 기존 2D 평면 CMOS 소자에 비해 집적 밀도를 2배 이상 향상시켰으며, TSV 기술을 대체할 수 있는 새로운 접근 방식을 제시하였다.

박진홍 교수는 “이번 연구는 기존 TSV 기술을 넘어서는 혁신적인 기술적 진전을 이뤄낸 사례”라며, “모노리식 3D 집적 방식으로 저온 공정에서 단결정 소자를 직접 성장시켜 3D C-FET 반도체 집적 기술을 실현한 것은 반도체 산업에서 중요한 기술적 도약”이라고 밝혔다. 또한 그는 “이 기술은 차세대 반도체 소자의 집적도 향상뿐만 아니라, 에너지 효율을 극대화하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다”며 “향후 인공지능, 데이터 센터, IoT 등 다양한 첨단 기술 분야에서 이 기술이 중요한 역할을 할 것”이라고 덧붙였다.

이번 연구 결과는 지난 18일 네이처(Nature)에 게재되었으며, 해당 기술은 반도체 소자의 집적도 향상과 제조 공정 혁신을 통해 무어의 법칙(Moore's Law)의 한계를 극복할 수 있는 중요한 열쇠가 될 전망이다.

※ 논문명: Growth-based monolithic 3D integration of single-crystal 2D semiconductors

※ 저널: Nature(IF: 50.5)

※ 논문링크: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08236-9