[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

기존 반도체 주류 소자인 실리콘 전계효과트랜지스터(field-effect transistor, FET)는 저비용으로 소형화 및 고집적이 가능하여 PC, 노트북 및 모바일 스마트폰 등 대중화된 전자제품에 주로 활용되어왔다. 하지만, 고집적도를 위해 소형화가 지속되는 과정에서 핀(Fin) 등의 미세구조를 도입하여, 게이트가 더 많은 채널 면을 더욱 가까운 거리에서 컨트롤함에 따라 게이트 전계효과에 의한 채널 전자이동도가 열화 되는 문제가 발생한다. 또한 소형화에 의한 기생저항의 증가로 인해, 현재 14 nm FinFET까지 극소형화 되었음에도 불구하고, 그 구동 전류가 고성능의 척도인 밀리암페어(mA) 급에 여전히 도달하지 못하고 있어 고성능 FET 구현이 힘든 상황이다.

한편, 고비용의 화합물 반도체는 물질 고유의 전자이동도가 높아 고전자이동도 트랜지스터(high-electron mobility transistor) 구현이 가능한 반면, 게이트와 채널 사이의 거리가 멀어 소형화 및 고집적 반도체 칩 구현이 힘들고, 구동전류는 높은 반면 누설전류 또한 상대적으로 높아 전력소모는 크지만 고성능 반도체가 필요한 군용 및 방송용 칩 등의 특정 응용에 제한되며 가격이 비싼 것이 단점이다.

이에, 본 연구는 기존 주류 소자인 저비용 실리콘 FinFET과 비싸지만 고성능인 화합물 HEMT의 각각의 장점을 모두 취하면서도 단점은 모두 개선할 수 있는 실리콘 기술 기반 신개념 고성능 저전력 소자를 개발하고자 하였다.

특히, 실리콘 기반 초미세 채널의 전자이동도를 넓은 벌크 실리콘에서의 전자이동도 수준으로 향상시킬 수 있다면, 저비용의 실리콘 기술로 화합물 수준의 고성능을 얻을 수 있고, 이러한 고이동도의 실리콘 채널을 기반으로 본 연구진이 개발한 플라즈마파 트랜지스터의 동작원리를 적용하면 현재 기가헤르츠(GHz) 수준에 머무르고 있는 동작주파수를 100~1000 배 높은 초고주파 테라헤르츠(THz) 대역 동작이 가능하게 된다. 따라서, 고성능 저전력의 디지털/아날로그 반도체 칩 응용뿐만 아니라 미개척 주파수 대역인 THz 전자기파 발진-검출 기를 실리콘 기술로 구현할 수 있는 핵심 소자를 개발하고자 하는 것이 본 연구의 배경이다. 

2. 연구내용

기존 주류 소자인 저비용 실리콘 FinFET와 비싸지만 고성능인 특화된 화합물 HEMT 각각의 장점(실리콘은 극소형화 가능, 화합물은 고전자이동도 구현이 가능)을 모두 취하면서 각각의 단점 (실리콘은 전자이동도 열화, 화합물은 높은 누설전류로 집적도 저하)은 모두 개선할 수 있는 새로운 스트레인드 실리콘 기반 FinHEMT 소자를 개발했다.

본 연구에서는 기본적으로 저비용으로 고집적이 가능한 실리콘 물질을 기반으로 화합물의 장점인 고성능을 구현하는 방향을 취하여, 기존의 고성능 화합물 기반으로 게이트 누설전류를 막기 위한 산화막을 도입하여 실리콘의 장점을 취하는 방향과는 차별화 된다.

구체적으로, 스트레인드 실리콘 물질을 채널로 해 양자 우물을 만들고, 전자가 많이 도핑된 실리콘게르마늄(SiGe) 층을 게이트 산화막과 채널 사이에 삽입하여, 채널에 전자를 전달하는 공급층 역할을 하게 함으로써, 기존의 게이트 전계효과에 의한 전자이동도 열화를 원천적으로 차단하여, 수십 나노미터의 극소 채널에서도 물질의 최대 전자이동도 수준인 1200 cm^2/Vs 의 전자이동도가 구현되었으며, 이는 기존 FinFET 채널의 전자이동도인 250 cm^2/Vs 대비 5배 향상된 혁신적인 결과이다. 또한, 추가되는 SiGe 공급층을 소스/드레인 영역으로 동시에 활용할 수 있는 독창적인 제조 방법 창안을 통해 공정을 단순화하면서도, Fin 구조에서 필연적으로 발생하는 기생저항을 줄임과 동시에 추가적인 듀얼 채널로 동작하게 하여 구동전류의 향상을 도모하였다.

이에, 14 nm FinHEMT에서의 구동 전류가 4 mA/um 이상으로 기존 14 nm FinFET (~0.8 mA/um) 의 5배 이상인 혁신적인 성능 향상을 확인하였다. 특히, SiGe 공급층의 두께 최적화를 통해, 누설전류 또한 기존 실리콘 FinFET 수준으로 억제되어, 10^9 이상의 on/off 전류 비를 구현할 수 있기에 초고성능과 극저전력 특성을 동시에 확보하는 세계 최초의 결과로서, 나노 기술 관련 세계적인 권위의 국제학술대회인 IEEE NANO 2015 학회에서 영국 왕립 화학회가 수여하는 “Nanoscale Horizons” Poster Prize (총 200편 중 1편)를 수상하였다.

3. 기대효과

상용 실리콘 기술을 기반으로 새로운 채널 구조 도입 및 공정 단순화를 통해 초미세 채널에서의 전자이동도가 벌크 실리콘 수준으로 향상된 고이동도 채널 및 기생저항이 최적화된 고성능 저전력의 신개념 FinHEMT를 세계 최초로 구현함으로써, 저비용의 실리콘 기술로 전력소모는 기존 저전력 실리콘 반도체 수준을 유지함과 동시에 값비싼 화합물 반도체 수준의 고성능을 확보하였기 때문에, 삼성, 인텔 등 반도체 산업체의 메인 소자 플랫폼으로 채택된다면, 현재 대중화된 반도체 주류 시장인 저전력 모바일 실리콘 반도체 칩 성능의 혁신적인 향상뿐만 아니라, 특화된 고성능 화합물 반도체 시장까지 확장할 수 있는 원천기술로서 매우 큰 경제적 파급효과가 기대된다.

또한, 기존 대비 5배인 1000 cm^2/Vs 이상의 고이동도를 갖는 실리콘 채널에 본 연구진이 보유한 플라즈마파 트랜지스터의 동작원리를 적용할 경우, 현재 이미 상용화된 32 nm 급 반도체 패터닝 기술로도 기존 기가헤르츠(GHz)의 동작주파수 대비 100~1000 배 높은 초고주파 테라헤르츠(THz) 대역 동작이 가능하게 되어 THz 기술의 상용화 가능성을 제시하였으며, 고성능 저전력의 디지털 및 아날로그 시스템 반도체 시장의 확장뿐만 아니라 상용 실리콘 기술로 미개척 주파수 대역인 THz 대역의 전자기파 신호원 및 검출기 구현이 기대되어, 새로운 THz 소자 기술 개발 등의 원천기술 확보 및 상용 실리콘 시스템 반도체 시장을 미개발 잠재 시장인 THz 이미징, 분광 및 초고속/대용량 통신 등으로 광범위하게 확장할 수 있을 것으로 기대된다.