삼성전자 SAIT, 차세대 소재 적용한 시스템 반도체 구현 기술을 개발하다

삼성전자 SAIT(Samsung Advanced Institute of Technology)가 차세대 반도체 소재로 주목받고 있는 강유전 물질을 기반으로 시스템 반도체를 구현하는데 성공했습니다. 이 연구를 바탕으로 성능과 전력 효율을 더 높인 차세대 시스템 반도체 구현이 가능할 것으로 기대되는데요.

연구 논문에는 SAIT 임직원들이 제1저자와 교신저자, 공저자로 참여하였으며, DS부문 반도체연구소에서도 공저자로 여러 임직원들이 참여하였습니다. 이들의 연구 결과는 우수성을 인정받아 세계적인 학술지 Nature Electronics에도 게재되었습니다. 이 기술 개발의 배경은 무엇인지, 어떠한 의미를 갖는지에 대해 삼성전자 반도체 뉴스룸이 연구진을 만나 들어봤습니다.

Q. 이 기술을 연구하시게 된 이유는 무엇인가요?

최근 고성능의 AI 서비스 등이 확산됨에 따라 컴퓨팅 시스템에서 데이터의 연산·처리 기능을 하는 시스템 반도체의 성능이 더욱 중요해졌습니다. 반도체 업계는 시스템 반도체 성능을 향상시키기 위해, 계속해서 트랜지스터*를 미세화하고 집적도를 높이고 있는데요.

*트랜지스터: 반도체 칩을 이루는 기본 요소로 전류가 흐르는 ‘채널’과 채널에 흐르는 전류의 흐름을 제어하는 ‘게이트’로 구성됨. 전류를 증폭하거나 스위치 역할을 해 이진법의 데이터를 만들어 냄.

트랜지스터의 게이트에는 전압이 걸리면 전하를 끌어 모으고 밖으로 빠져나가지 못하도록 하는, 즉 누설 전류를 막는 절연막이 있습니다. 절연막은 반도체 칩의 미세화가 지속적으로 진행됨과 함께 두께가 얇아져 왔는데, 이로 인해 게이트 밖으로 전하가 터널링(tunneling) 되는 현상이 생기며 누설 전류가 증가하게 되었습니다.

이번에 공개한 SAIT의 연구는 절연막에 활용되고 있는 고유전 물질을 신소재인 강유전 물질로 대체하는 아이디어에 주목했습니다. 강유전 물질이 가진 특성을 이용하면 고유전 물질을 활용할 때와 비교해 누설 전류의 증가 없이 동작 전압만 감소시킬 수 있고, 결과적으로 트랜지스터의 소비 전력을 크게 줄일 수 있습니다.

Q. 강유전, 고유전 물질이란 무엇인가요? 그리고 강유전 물질의 어떤 특성이 이용되었나요?

고유전(high-κ) 물질은 유전 상수(전압을 걸었을 때 물질 내에 얼마나 많은 전하가 유도되는지를 나타내는 값)가 큰 물질을 말합니다. 따라서 트랜지스터의 게이트 절연막으로 고유전 물질을 이용하면, 저유전 물질을 이용할 때 보다 소자를 동작시키는데 필요한 전압을 줄일 수 있기 때문에 소자의 소비 전력을 줄이고 성능을 향상시킬 수 있습니다.

강유전(ferroelectric) 물질은 고유전 물질을 비롯한 일반적인 유전 물질과 다르게, 특정 전압(coercive voltage) 이상을 걸어주게 되면 물질 내에 자발적 전하 분극**이 발생하여, 걸어준 전압을 0 V 로 만들더라도 물질 내에 유도된 전하가 0 이 아닌 자발적 전하 분극만큼 그대로 남아 있게 됩니다. 이렇게 분극 상태가 유지되면 전원이 끊어져도 데이터를 보존할 수 있으며, 이러한 특성 때문에 그동안 비휘발성 메모리(non-volatile memory) 소자에 강유전 물질을 활용하는 연구들이 많이 있어왔습니다.

그런데 강유전 물질의 자발적 분극이 일어나지 않도록 조절하면, 강유전 물질이 음의 전기용량 특성(Negative Capacitance, 이하 NC)을 가지게 됩니다. 이렇게 NC 특성을 가지는 강유전 물질을 트랜지스터 게이트 구조에 이용하면, 정전 용량***이 고유전 물질 기반 구조에서 얻을 수 있는 이론적인 최대 값보다도 커져, 전력 효율을 크게 높일 수 있습니다. 또한 앞서 언급한 바와 같이 누설 전류의 증가 없이 동작 전압만 감소시킬 수 있습니다. 이 때문에 저전력으로도 높은 성능을 구현하는 트랜지스터를 구현할 수 있는 것입니다.

** 분극: 전기적 부도체 혹은 유전체에 외부에서 전기장을 걸어주었을 때, 물질 내부의 전하 분포가 전기장 방향으로 재배열 되는 현상

*** 정전 용량: 절연된 도체 간에서 전위를 주었을 때 전하를 축적할 수 있는 능력

Q. 이 기술이 적용되면 어떤 영향이 있을까요?

이번 연구에서는 앞서 설명한 강유전 물질의 음의 전기용량(NC) 효과를 실험적으로 측정하는데 성공했을 뿐 아니라, 이 효과를 활용한 트랜지스터인 NCFET(Negative Capacitance Field Effect Transistor)의 상용화 가능성을 세계 최초로 검증했습니다.

기존의 고유전 물질을 사용한 반도체와 비교할 때, 동일한 구조에서 소비 전력을 최대 33%까지 낮출 수 있음을 확인했고, NCFET이 동작하는 영역을 조절할 수 있는 방법도 최초로 찾아냈습니다. 또한, 1,000조 회 이상의 테스트를 통해 안정적인 동작을 확인함으로써 세계 최고 수준의 신뢰성을 증명했습니다. 이렇게 개발된 NCFET 기술은 FinFET과 GAA와 같은 3D 구조의 트랜지스터를 포함해, 모든 구조의 트랜지스터에 널리 활용될 수 있습니다. 또한 이번 NCFET을 구현할 때 기존의 반도체 공정에 많이 쓰이고 있는 물질들을 이용했기 때문에, 큰 비용의 증가 없이 기존의 반도체 기술과 접목할 수 있습니다.

삼성전자 SAIT 조상현 연구원(공동 1저자)은 “이번 연구는 강유전 물질의 NC 효과를 실험적으로 검증한 것과 더불어, 두께 미세화, 신뢰성 확보 및 NC 동작 범위 조절이 가능함을 동시에 확인하면서 차세대 저전력·고성능 시스템 반도체 소자에의 상용화 가능성을 확인했다는데 의미가 크다”며, “강유전체 박막 성장 및 소자 기술을 더욱 개선하여 당사 파운드리 사업에 핵심 미래 기술이 되기를 기대한다” 라고 말했습니다.

활발한 연구 활동과 혁신 기술 개발로 더 나은 미래를 열어가는 삼성전자의 모습, 계속 지켜봐주세요.