고성능 CFET 및 양자컴퓨터용 반도체 소자 개발

- 초저전력 소자 개발로 기존 반도체 전력한계 극복

한국연구재단(이사장 이광복)은 KAIST 김상현 교수팀(전기 및 전자공학부)이 기존 CMOS1) 기반 로직 소자2)의 한계를 극복할 3차원 로직 소자와 극저온에서 동작하는 초저전력 반도체 소자 및 회로기술을 개발하였다고 지난달 1일 밝혔다. 연구 성과는 차세대 반도체인 저전력 CMOS 로직회로와 극저온에서 작동하는 대형 양자컴퓨터의 핵심 소자로 사용 가능할 전망이다.
  로직 반도체 소자는 소자 소형화 공정 기술 개발을 통해 집적도와 성능을 높여왔지만, 물리적인 한계로 더 이상 소형화 실현이 어려운 상황이다. 또한 소자 소형화에 따른 배선의 선폭 감소와 이로 인한 배선의 저항, 전력 소모 증가로 성능 향상에 이중고를 겪고 있다.
  이 같은 한계를 극복할 차세대 반도체 기술로 모놀리식 3차원 집적기술(M3D)3)이 주목 받고 있다. 기존의 적층기술과 달리 단일 회로를 3차원으로 적층하여 집적도를 높이면서도 소자를 연결하는 배선 저항을 획기적으로 줄일 수 있고, 상부 채널에 고성능 신규 소재를 도입할 수 있기 때문이다. 하지만 적층 및 상부 소자 공정에서 열을 계속 가하게 되어 낮은 층의 소자가 쉽게 손상되기 때문에 공정이 매우 까다로운 한계가 있다.
  한편, 초전도체 혹은 실리콘(Si) 양자점을 사용하는 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터와 달리 극저온에서 동작하며 수만 개의 회로로 연결돼 있다. 따라서 양자컴퓨터에 사용되는 저잡음 증폭기 소자는 극저온 작동하면서 열 발생이 최대한 적어야 하므로 초저전력 소자로 구현되어야 한다.
  연구팀은 모놀리식 3차원 집적 기술을 통해 고성능 게르마늄/실리콘(Ge/Si) 하이브리드 CFET4)와 더불어 극저온에 동작하면서 집적도가 높고 초저전력으로 동작하는 반도체 소자 및 회로를 개발하였다. 연구팀은 적층공정 및 소자 제작 시 필요한 높은 공정온도를 억제하는 독자적인 저온공정을 개발하여 기존 모놀리식 3차원 집적기술의 한계를 극복하였다. 더불어 공정 및 Ge 고유의 밴드 구조 엔지니어링을 통해서 반도체 소자의 성능을 나타내는 정공이동도를 세계 최고 수준으로 구현하는 데 성공하였다. 또한 대형 양자컴퓨터가 필요로 하는 수만 개의 큐비트를 적은 수의 소자 및 배선으로 제어, 판독하기 위해서 극저온에서 동작하는 저저항, 초저전력 저잡음 증폭 소자 및 라우팅 소자를 구현하였다.
  연구팀이 구현한 반도체 소자 및 공정 기술은 앞으로 양자컴퓨터용 소자 개발에 광범위하게 활용되고 기존의 로직소자 등에서 기술적 성능을 크게 향상하는데 활용될 것으로 기대된다.
  김상현 교수는 “이번 연구성과는 기존 반도체의 기술적 한계를 극복하여 성능을 극대화한 차세대 반도체 기술을 개발한데 의의가 있다”며 “미래 과학기술 변화를 주도할 차세대 로직 및 양자컴퓨터의 핵심 소자로 광범위하게 사용될 수 있도록 후속 연구에 힘쓰겠다”고 밝혔다.
  이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 지능형반도체기술개발사업의 지원받아 수행하였으며, 연구결과는 국제전자소자학회(International Electron Device Meetings, IEDM)에 2편의 논문으로 발표됐다.

[주요 연구 내용]

1. 연구의 필요성

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 인하여 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.
  먼저 CMOS 로직 반도체 분야에서는 최근 FinFET 및 MBCFET (Multi-bridge channel FET) 등의 3차원 구조가 활용되고 있는데 각 구조에 따라서 전자와 정공의 수송 (transport) 특성 차이가 발생하여 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 두 가지 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 인하여 큐비트의 성능이 크게 열화되기 때문이다.

<그림 1> 3차원 수직 적층형 차세대 로직소자(CFET) 단면 및 소자 특성
왼쪽 그림은 Si bulk nFET과 Ge thin film pFET이 수직으로 적층된 단면을 나타내면 매우 균일하게 본딩되어 3D구조가 형성됨을 알 수 있다. 가운데 두 그림은 해당 소자의 transfer curve 및 두 소자를 연결하여 제작한 인버터의 특성을 보여준다. 오른쪽 그림은 상부 소자인 Ge pFET의 채널 두께에 따른 이동도 특성을 보여주고 있으며 본 연구 결과가 세계 최고 특성을 가짐을 알 수 있다. (자료제공 : 김성광 박사과정)

<그림 2> 3차원 큐비트 신호제어/해독 소자의 단면 및 특성
왼쪽 그림은 큐비스 신호제어/해독에 사용될 수 있는 InGaAs로 만들어진 HEMT소자의 단면 투과현미경 사진을 나타내며 박막 채널이 산화막 위에 3차원 적층된 모습을 보여준다. 가운데 그림은 전력 소모량에 따른 소자의 고주파 특성(fT)를 나나태고 있으며 본 연구 성과의 소자가 같은 성능일 때는 가장 낮은 전력소모를 같은 전력 소모일때는 가장 높은 고주파 특성을 가짐을 알 수 있다. 제일 오른쪽 그림은 InGaAs를 활용한 초저저항 라우팅 회로의 모식도를 보여주고 있으며 Sx 부의 바이어스에 따라서 신호의 방향을 바꿀 수 있음을 본 연구성과에서 발표하였다.(자료제공 : 김성광 박사과정)

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