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KAIST, 빠르고 저렴한 탄소나노튜브 반도체 개발 실리콘 반도체보다 속도 5배 빠르고, 소비전력 5배 낮아 KAIST(총장 강성모) 전기 및 전자공학부 최양규 교수 연구팀이 탄소나노튜브를 위로 쌓는 3차원 핀(Fin) 게이트 구조를 이용해 대면적의 탄소나노튜브 반도체를 개발했다. 이번 연구는 국민대학교 최성진 교수와 공동으로 진행하고, KAIST 이동일 연구원이 제 1저자로 참여했다. 또한, 나노 분야 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’12월 27일자에 논문명(Three-Dimensional Fin-Structured Semiconducting Carbon Nanotube Network Transistor)으로 게재됐다. 자료 : KAIST(한국과학기술원)
탄소나노튜브로 제작된 반도체는 실리콘 반도체보다 빠르게 동작하고, 저전력이기 때문에 성능이 훨씬 뛰어나다. 그러나 대부분의 전자기기는 실리콘 재질로 만들어진 반도체를 이용한다. 높은 순도와 높은 밀도를 갖는 탄소나노튜브 반도체의 정제가 어렵기 때문이다. 탄소나노튜브의 밀도가 높지 않아 성능에 한계가 있었고, 순도가 낮아 넓은 면적의 웨이퍼(판)에 일정한 수율을 갖는 제품을 제작할 수 없었다. 이러한 특성들은 대량생산을 어렵게 해 상용화를 막는 걸림돌이었다. 연구팀은 문제 해결을 위해 3차원 핀 게이트를 이용해 탄소나노튜브를 위로 증착하는 방식을 사용했다. 이를 통해 50나노미터 이하의 폭에서도 높은 전류밀도를 갖는 반도체를 개발했다. 3차원 핀 구조는 1마이크로미터당 600개의 탄소나노튜브 증착이 가능해 약 30개 정도만을 증착할 수 있는 2차원 구조에 비해 20배 이상의 탄소나노튜브를 쌓을 수 있다. 연구팀은 이전 연구를 통해 개발된 99.9%이상의 높은 순도를 갖는 반도체성 탄소나노튜브를 이용해 고수율의 반도체를 미리 확보했다. 연구팀이 개발한 반도체는 50나노미터 이하의 폭에서도 높은 전류밀도를 갖는다. 실리콘 기반의 반도체보다 5배 이상 빠르면서, 5배 낮은 소비전력으로 동작 가능할 것으로 예상된다. 또한, 기존의 실리콘 기반 반도체에 쓰이는 공정 장비로도 제작 및 호환이 가능해 별도의 비용이 발생하지 않는다. 제 1저자인 이동일 연구원은 “차세대 반도체로서 탄소나노튜브 반도체의 성능개선과 더불어 실효성 또한 높아질 것”이라며, “실리콘 기반 반도체를 10년 내로 대체하길 기대한다”고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어사업 스마트IT융합시스템 연구단과 미래유망융합파이오니아 사업의 씨모스 THz 기술융합연구단의 지원을 받아 수행됐다.
8인치 웨이퍼 공정 이용, CNT FinFET개발
반도체 특성 보유한 3차원 삼면 게이트 지속적인 실리콘 트랜지스터의 소형화에 기인한 공정 및 특성의 한계를 극복하기 위해, 혁신적인 대체 물질에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 중에서도 우수한 전기적 특성과 열적·기계적 안정성을 가지는 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)는 고집적 컴퓨터의 구현 및 극한의 게이트 선폭(Sub-10 nm) 기반의 CNT FET 실현에 관한 연구결과에 힘입어, 2차원 채널 물질기반의 실용적인 차세대 FET를 위한 유력한 물질로 각광받고 있다. 그러나 고순도 반도체 특성을 보유한 고밀도 CNT 채널의 확보를 위해 요구되는 고난이도의 정제방법 및 전반적인 제조공정의 가변성에 기인한 불안정한 전기적 특성들은 CNT FET의 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 고순도 반도체 특성 기반의 CNT FET의 개발 및 높은 전류밀도를 갖는 CNT채널의 형성방법에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그럼에도 불구하고, 상용화의 전제조건인 높은 완성도와 신뢰성이 보장되는 제작 공정의 확보는 여전히 난제로 지적되어 왔다.
[그림 1] 3차원 구조의 탄소나노튜브 전자소자의 모식도 및 실제 SEM 이미지
이번 연구에서 실리콘 CMOS 공정과 완벽히 호환 가능한 8인치 웨이퍼 공정을 이용해 99.9%의 고순도 반도체 특성을 보유한 3차원 삼면 게이트(tri-gate) CNT Fin FET이 세계최초로 개발됐다. 실리콘 CMOS 공정의 높은 완성도는 개발된 CNT FinFET의 전반적인 제작공정에 관한 신뢰도를 높일 수 있고, 이것은 2차원 평면구조 기반의 CNT FET 대비 현저히 개선된 전류 구동능력과 스위칭 특성의 향상을 통해 뒷받침되고 있다.
더욱이 기존에 시도되지 않았던 CNT와 8인치 웨이퍼 공정의 결합은 단순히 고성능 FET의 개발을 넘어서 상용화를 위한 실제적인 차세대 FET의 실현 가능성을 앞당길 것으로 기대된다. 따라서 본 연구결과는 극한의 소형화로 인해 물리적 한계에 봉착할 것으로 예상되는 실리콘 FET 이후의 세대를 대비한 차세대 신소재/신구조 기반의 FET 실현 가능성을 위한 청사진을 제시한다.
[그림 2] 개발된 8인치 기반의 대면적 3차원 탄소나노튜브 트랜지스터 전자소자의 사진 및 단면을 관찰한 투과 전자현미경 사진용어설명
<용어 설명>
3차원 핀-게이트 구조(Fin-Structure) 게이트 전극이 전류가 지나는 통로인 채널의 전면을 감싸는 구조. 초창기 트랜지스터의 2차원 평면 구조에서 더 진화된 3차원 핀 게이트 구조임. 계속된 트랜지스터의 소형화로 인해 게이트의 선폭이 좁아짐에 따라 스위치를 꺼도 전자의 이동으로 인해 원치 않는 대기상태에서의 누설전류가 증가하고 있는 상황에서, 이러한 누설전류의 차단을 위한 구조 중 가장 진화된 구조로 평가받고 있다. 탄소 나노튜브(Carbon nanotube) 탄소나노튜브의 형태는 탄소 6개로 이루어진 육각형 모양이 서로 연결되어 관 형태를 보이는 신소재. 관의 지름은 수 나노미터(10억 분의 1미터)이다. 탄소나노튜브는 전기 전도도가 구리와 비슷하고, 열전도율은 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같으며, 강도는 철강보다 100배나 뛰어나 차세대 전자소자 및 센서(감지기) 등에 응용이 가능한 차세대 첨단 소재로 주목받는 물질이다. 트랜지스터(Transistor) ‘Trans’와 ‘resistor’의 줄임말로, 3개 이상의 전극을 가진 반도체 능동소자이다. 한 단자의 전압, 또는 전류에 의해 두 단자 사이에 흐르는 전류, 또는 전압을 제어하여 전기신호의 증폭, 전자스위치 역할을 한다. <Energy News>
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