삼성이 자금 부은 MIT팀, 차세대 반도체 기술 개발…네이처 게재

김지환 MIT 교수 연구팀, 반도체 위에 반도체 키우는 기술 개발

25일 서울 강남구 코엑스에서 열린 반도체대전에서 관람객들이 반도체 웨이퍼를 살펴보고 있다. 오는 27일까지 열리는 이번 행사에는 삼성전자와 SK하이닉스 등 국내 주요 반도체 기업들과 시스템 반도체 기업 및 소재·부품·장비 업체들이 참여한다. 2023.10.25/뉴스1 ⓒ News1 신웅수 기자

(서울=뉴스1) 김승준 기자 = 3차원 고집적 반도체를 만드는 기술이 개발됐다. 이번에 개발된 차세대 반도체 기술은 3차원 구조가 하나의 회로처럼 작동해 연산 장치, 메모리 등 다양한 활용이 가능하다.

김지환 매사추세츠 공과대학교(MIT) 교수 연구팀은 19일 국제학술지 네이처에 3D 반도체 제작 기술을 발표했다.

반도체 소자를 작게 만드는 기술 난도는 점점 높아져 평면이 아닌 입체로 집적도를 올리려는 시도가 이어지고 있다.

고대역폭 메모리(HBM)가 대표적인 입체 반도체다. 평면 반도체를 층층이 쌓고 각 층에 구멍을 뚫어 층간 연결 회로를 연결하는 방식이다. HBM은 높은 대역폭과 에너지 효율성 등의 장점이 있다. 다만 구조적으로 개별 반도체층 사이에 절연층과 연결 회로가 들어가는 등 복잡한 구조 때문에 공정이 어렵고 비용도 많이 든다.

HBM은 기존 DRAM에 비해 매우 빠르지만 구조적으로 층간 통신 과정을 거쳐야 하므로층간 통신에 따른 미세한 지연이 발생한다. 또 회로 연산에 사용되지 않는 절연층 등의 존재로 회로 집적 측면에 근본적 제약이 있다.

이번에 개발된 기술은 표면 위에 새로운 2차원 반도체를 성장시키는 기술이다. 반도체 표면 위에서 반도체 구조가 바로 성장할 수 있기 때문에 3차원 소자 전체가 하나 회로처럼 작동하게 만들 수 있다. HBM에서 발생하는 근본적인 층간 통신 문제를 해결할 수 있는 것이다.

구체적으로 연구팀은 이황화몰리브덴(MoS₂), 텅스텐디셀레나이드(WSe₂) 같은 2차원 반도체 물질을 기존 회로 위에서 성장시키는 데 성공했다. 이황화몰리브덴과 텅스텐디셀레나이드는 차세대 반도체 소자로 각광받는 소재다.

이런 방식으로 반도체 위에 반도체를 성장시킬 때 너무 높은 온도가 필요하면 기존 회로에 손상을 가할 수 있다. 이번 연구에서는 비교적 저온인 385도(℃)에서 3차원 반도체를 성장시켰다. 기존 기술에서는 700~900도의 환경이 필요했다.

김지환 교수는 "이 소재들은 400도 이하에서 성장시켜야 한다. 그렇지 않으면 기존 회로가 완전히 익어버리게 된다"고 설명했다.

메모리 기술로 개발된 HBM과 달리 이번에 개발된 기술은 연산 장치, 메모리, 시스템 온 칩(SoC) 등 다양한 전자 회로의 3차원 집적에 활용될 수 있다. 다만 생산을 대규모로 할 수 있도록 추가 연구가 필요하다.

이번 연구는 김지환 MIT 교수 연구팀을 비롯한 삼성종합기술원, 성균관대학교, 댈러스 텍사스대학교의 협력으로 이뤄졌다. 연구 자금은 삼성종합기술원, 미국 공군과학연구실(AFOSR), 한국연구재단, 한국산업기술진흥원 등이 지원했다.

김지환 교수는 "이번 기술을 활용하면 수십에서 수백 개의 층을 쌓을 수 있으며 이들은 매우 잘 통신할 수 있다"며 "이번 기술로 인공지능(AI), 메모리 분야 컴퓨팅 성능이 엄청나게 향상될 수 있다"고 했다.

연구팀은 이러한 적층형 칩 설계 상용화를 하려고 최근 FS2(Future Semiconductor 2D Materials)라는 회사를 만들기도 했다.

seungjun241@news1.kr

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