성균관대(총장 유지범) 박진홍 교수 연구팀은 23일 MIT의 김지환 교수팀, 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.
기존의 3D 반도체 기술은 실리콘 웨이퍼를 관통하는 TSV(Through-Silicon Via)를 이용한 방식이 주류를 이뤘으나 TSV 방식은 웨이퍼 간 정렬 오류, 높은 공정 비용 그리고 TSV가 차지하는 칩 면적 손실 등 여러 가지 문제가 있었다.
이에 이를 해결하기 위해 연구팀은 웨이퍼 간 물리적 연결없이 단결정 전이금속 디칼코제나이드(TMD) 채널을 직접 성장시키는 ‘모노리식(Monolithic) 3D 집적 방식’으로 접근했다. 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 적용했다. 연구팀은 이를 통해 단결정 n-FET 소자를 이미 제작된 단결정 p-FET 위에 직접 집적하는 데 성공했다. 개발된 수직 CMOS 소자는 기존 2D 평면 CMOS 소자에 비해 집적 밀도를 2배 이상 향상시켰으며, TSV 기술을 대체할 수 있는 새로운 접근 방식을 제시했다.
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.
그러면서 “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.
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