3차원 수직 적층형 차세대 로직 소자(CFET) 단면 및 소자 특성 / 사진. 한국연구재단
한국연구재단은 KAIST 김상현 교수팀(전기 및 전자공학부)이 기존 CMOS 기반 로직 소자의 한계를 극복할 3차원 로직 소자와 극저온에서 동작하는 초저전력 반도체 소자 및 회로기술을 개발했다고 밝혔다. 이 기술은 차세대 반도체인 저전력 CMOS 로직회로와 극저온에서 작동하는 대형 양자컴퓨터의 핵심 소자로 사용이 가능할 전망이다.
기술 개요
모놀리식 3차원 집적 기술은 기존의 평면형 2차원 집적 기반의 반도체 기술의 집적도 및 전력 소모의 한계를 극복할 수 있는 기술로 주목받고 있다.
특히 기존 로직용 반도체 산업에서는 소자 소형화 공정 기술 개발을 통해 집적도와 성능을 높여왔다. 하지만 물리적인 한계로 인해 더 이상 소형화 실현이 어려우며 소자의 소형화와 맞물려 줄어들어 왔던 배선의 선폭 감소로 배선의 저항, 전력 소모 증가로 인해 성능 향상에 이중고를 겪고 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해서 모놀리식 3차원 기술이 차세대 핵심 기술로 주목을 받고 있다. 소자를 3차원으로 쌓으면서 소자 간을 연결하는 배선 저항을 획기적으로 감소시킬 수 있으며 적층 공정의 도입으로 채널 소재 선택의 자유도가 증가하면서 다양한 응용 분야가 창출되어 전 세계적으로 활발하게 연구되면서 경쟁이 치열한 분야이다. 그 중 대표적인 분야가 3D CMOS 로직 반도체 및 양자컴퓨팅 분야이다.
우선 CMOS 로직 반도체 분야에서는 최근 FinFET 및 MBCFET 등의 3차원 구조가 활용되고 있는데 각 구조에 따라서 전자와 정공의 수송 특성 차이가 발생해 이를 매칭시키기 위한 엔지니어링이 필요해지는 기술적 이슈가 있고 특히 정공의 이동도가 낮은 점이 기술적인 문제점이라 할 수 있다. 더불어 상술한 바와 같이 배선에서의 전력 소모 방지를 위해 모놀리식 3차원 집적 기술이 점점 더 중요해지고 있다. 이러한 2가지 문제점을 해결하기 위해서는 정공의 이동도를 향상 시킬 수 있는 기술과 3차원 집적공정에서 상부 소자 제작을 위한 저온 공정기술 개발이 필수적이다. 저온 공정이 가능해야만 하부 소자의 열화 없이 M3D 집적이 가능해지기 때문이다.
한편, 모놀리식 3차원 집적 기술은 로직 반도체뿐만이 아니라 대규모 양자컴퓨터 개발을 위한 핵심 기술 중 하나로 주목받고 있다. 기존 컴퓨터와 다르게 초전도체 및 스핀을 큐비트로 사용하는 양자컴퓨터는 극저온에서 동작해야 하며 큐비트 하나당 최소 하나의 제어와 해독 회로/소자의 연결이 필요하다.
현재는 큐비트 수가 많지 않아 극저온에서 동작하는 큐비트와 상온의 측정 장비를 긴 동축케이블로 연결해 제어/해독하는 방식을 사용하고 있지만, 수천 혹은 수만 개 이상의 큐비트를 활용하는 대규모 양자컴퓨터 개발을 위해서는 극저온 동작이 가능한 고집적/저전력 큐비트 제어/해독 시스템 구성이 매우 중요하다. 특히 기존의 트랜지스터보다도 더 많은 터미널을 가지는 큐비트 구조를 고려하면 소자/회로 간의 연결 관점에서 M3D 집적 기술의 응용이 필요한 분야라고 할 수 있다. 더불어 큐비트의 특성 열화를 방지하기 위해서는 제어/해독을 위해 활용되는 소자의 전력 소모 또한 매우 낮아야 한다. 전력 소모가 높은 경우, 소자 동작 시의 발열로 인해 큐비트의 성능이 크게 열화되기 때문이다.
연구 내용
연구팀은 저온 공정이 가능하고 정공 이동도가 높은 Ge 상부 채널을 Si 하부 채널 위에 전사해서 고성능 M3D 적층 소자를 설계/구현했다. 특히, 이번 연구를 통해 Ge 채널의 기판 방향과 채널 방향에 따라 변화하는 정공의 수송 특성을 활용해 M3D에 적합한 소자 배치 방안을 제시해 M3D집적 소자에서 세계 최고 정공 이동도를 가지는 Ge p-MOSFET를 개발했다. 이러한 기술을 바탕으로 산업적으로 성숙한 Si n-MOSFET을 하부소자로 사용하고 웨이퍼 본딩 기술로 상부 Ge p-MOSFET을 적층해 3차원 수직 적층형 CMOS를 개발했다.
연구팀은 이러한 문제 해결을 위해 큐비트 회로 위에 저전력, 저잡음 초고속 특성이 매우 뛰어난 III-V 화합물 반도체 고전자 이동 트랜지스터 기반의 저잡음 신호 증폭 소자 및 라우팅 회로를 3차원으로 집적해 수천 혹은 수만 개의 큐비트를 적은 수의 채널로 아주 짧은 거리에서 제어/해독 가능한 구조를 제시했다. 특히 극저온 동작에 적합하도록 기생저항을 감소시켜 세계 최저 수준의 전력 소모를 달성했다.
기대성과
모놀리식 3차원 집적 기술이 로직 소자, 양자 컴퓨팅용 해독/제어 소자와 같은 다양한 분야에서 기존 기술의 한계를 극복하고 성능을 극대화하는 방법의 하나임을 입증한 연구로, 향후 다양한 분야에 응용이 가능할 것으로 보인다.