박진홍 교수 연구팀은 MIT의 김지환 교수팀, 삼성종합기술원(SAIT) 김상원 박사팀과 함께 10옹스트롬(1나노미터) 이하 기술 노드에 고려되고 있는 단결정 2D 반도체* 채널 기반 3D C-FET** 반도체 소자 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 지난해 네이처(Nature) 저널에 ‘비에피택셜(non-epitaxial) 방법을 이용하여 2D 단일결정 물질을 성장시키는 새로운 기술’을 발표한 데 이어, 이번에는 ‘저온 집적 공정을 통해 기존 2D 평면 반도체의 집적도 한계를 극복한 3D C-FET 반도체 소자 기술’을 선보였다. 이 기술들은 모두 차세대 2D 반도체를 기반으로 하며, 파운드리 반도체 집적 기술의 혁신적인 도약을 이뤘다는 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.

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.

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.

이번 연구결과 (2024년 12월)

※ 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

지난 연구결과 (2023년 2월)

※ 논문명: Non-epitaxial single-crystal 2D material growth by geometric confinement

※ 저널: Nature (IF: 50.5)

※ 논문링크: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05524-0

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

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