다양한 특성 분석과 이론적 모델링 수행
서울경제신문과 과학기술부, 한국과학재단은 실용적인 고집적·고성능 3차원 나노 CMOS 소자를 세계 최초로 개발한 공로로 경북대학교 이종호 교수를 이달의 과학기술자상 10월 수상자로 선정했다.
이 교수는 과학기술부의 지원을 받는 21세기프론티어연구개발사업을 지원받아 나노 CMOS 소자 연구를 수행했다.
3차원 나노 CMOS 소자는 실리콘 반도체를 기반으로 한 나노 크기 전자소자로 소자의 핵심 부분이 3차원 구조로 되어 있는 차세대 소자이다.
기존의 평탄채널 구조를 갖는 CMOS 소자의 축소화에 따른 많은 문제를 보여왔다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 미국 캘리포니아 버클리대학을 중심으로 유수 기업에서 SOI 기판에 물고기 지느러미 형태를 닮은 FinFET이란 3차원 구조의 소자(이하 SOI FinFET)를 집적도가 우수한 소자로 발표했지만 SOI 기판이 갖는 높은 가격, 높은 결함 밀도, 낮은 열전도 특성 등은 또다른 문제점으로 남아있는 상황이었다.
이에 이 교수팀은 SOI FinFET 구조의 우수성을 유지하면서 실용성과 용도를 확대하기 위해 낮은 가격의 벌크 기판에 3차원 CMOS 소자인 벌크 FinFET을 세계 최초로 개발했다.
이 교수는 기존의 개발된 실리콘 집적공정과 쉽게 양립할 수 있고, 값싼 벌크 실리콘 기판에 제작되는 40 nm 크기의 Fin 채널 구조의 FET를 2003년에 개발하고 벌크 FinFET이라 명명했다.
우리 머리카락 단면이 대략 0.01 cm (=105 nm)이면, 40 nm는 머리카락 단면의 2,500배 작은 크기이다. 메모리 용량으로 환산하면 수십 Gb에 해당한다. 이 소자는 최소 선폭의 크기가 10 nm 급도 가능하기 때문에 현재 1Gb 메모리 스틱 용량에 비해 천배인 테라비트 급의 메모리 용량도 가능하다.
이 교수는 벌크 FinFET을 다양한 관점에서 세계 최초로 특허화 했고, 해당 연구결과를 전자소자 분야에서 세계 최정상 학회인 IEDM과 Symposium on VLSI Technology에 발표했으며, 이를 통해 이 분야의 선두 그룹을 형성하고 있다.
3차원 나노소자인 벌크 FinFET의 개발은 실용성, 진보성 및 독창성에서 기존의 기술을 한 단계 발전시킨 것으로 판단된다. 현재 관련 기업에서 많은 연구를 수행하고 있으며, 로직 및 각종 메모리 기술에 적용 가능하여 그 연구가 점차 증가하고 있다.
특히 이 교수의 벌크 FinFET의 연구결과로 향후 50 nm 또는 그 이하의 DRAM 시장에서 국내 기업이 지속적으로 세계 1위를 고수할 것으로 예상되며, 상대적으로 시장점유율을 증대시킬 것으로 예상된다. 고속/고집적 플래시 메모리 기술에도 매우 적합하기 때문에 수십 Gb 급 이상의 용량을 가진 메모리가 가능할 것으로 예상되며, 이 분야의 시장 점유율을 점차 높이게 될 것으로 기대되고 있다.
구본혁기자nbgkoo@sed.co.kr
1. CMOS 소자
상보형(Complementary) 금속-산화막-반도체 (MOS: Metal Oxide Semiconductor) 소자라 불리는데, 실리콘 반도체 소자기술에서 전력소모를 줄이기 위해 p-형과 n-형 MOS 소자를 같은 실리콘 기판에 집적하여 제작한 MOS 소자로 현재 및 미래의 실리콘 소자 기술의 핵심이 되는 소자이다.
2. 비휘발성 메모리(Nonvolatile Memory)
DRAM처럼 전원이 꺼지면 저장된 정보가 사라지는 메모리와는 달리, 전원이 꺼져도 저장된 정보가 지워지지 않고 그대로 남아있는 기억장치를 비휘발성 메모리라 한다.
대표적인 비휘발성 메모리 장치의 예는 하드디스크 이다. 차세대 비휘발성 메모리로 예상되는 것들에는 Flash memory, PRAM, MRAM, ReRAM, FeRAM 등이 있다.
3. 채널(channel)
MOS 소자는 평탄한 실리콘 기판에 게이트 산화막을 형성하고 그 위에 게이트라는 전극을 형성하며, 게이트 전극의 양쪽 측면에 소스와 드레인을 형성하여 구성된다. MOS 소자에서 게이트 전압에 따라 게이트 산화막 아래에 전하층이 생겨 소스와 드레인을 연결하게 되는데 이 전하층이 형성되어 흘러가는 곳이 채널이다.
4. SOI 기판
Silicon-On-Insulator의 약자로 실리콘 기판에 형성된 얇은 박막형태의 산화막 위에 얇은 필름 형태의 단결정 실리콘 막이 형성되어 있는 웨이퍼를 말하며, 소자의 기생 용량성분을 줄일 수 있으나 얇은 실리콘 박막은 보통의 실리콘 웨이퍼에 비해 결함이 많고 산화막으로 인한 열전도가 잘 되지 않으며, 가격이 보통의 웨이퍼에 비싸다.
5. 벌크 기판
통상의 실리콘 웨이퍼를 말하며, 얇은 디스크 형태의 실리콘 단결정으로 구성된 웨이퍼이다. 이 웨이퍼의 표면에 소자가 제조된다.
6. FinFET
Fin은 물고기의 등지느러미를 말하며, FET는 전계효과 트랜지스터를 말한다. 실리콘 기판에 나노 크기의 Fin 모양으로 돌출된 구조물에 전류가 흐르는 채널이 형성되어 구성된 전계효과소자를 FinFET이라 한다. 게이트 전극이 Fin 구조물의 상부 및 양쪽 측벽에 형성되어 채널에 대한 제어능력이 증대되어 소자의 특성 및 축소화 특성이 개선되는 3차원 MOS 소자 구조이다.
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