삼성전자 SAIT(Samsung Advanced Institute of Technology)가 차세대 반도체 소재로 주목받고 있는 강유전 물질을 기반으로 시스템 반도체를 구현하는 기술을 개발했다. 이 연구를 통해 성능과 전력 효율을 더 높인 차세대 시스템 반도체 구현이 가능할 전망이다.
최근 고성능의 AI 서비스 등이 확산됨에 따라 컴퓨팅 시스템에서 데이터의 연산·처리 기능을 하는 시스템 반도체의 성능이 더욱 중요해졌다. 반도체 업계는 시스템 반도체 성능을 향상시키기 위해, 계속해서 트랜지스터를 미세화하고 집적도를 높이고 있는 것.
트랜지스터의 게이트에는 전압이 걸리면 전하를 끌어 모으고 밖으로 빠져나가지 못하도록 하는, 즉 누설 전류를 막는 절연막이 있다. 절연막은 반도체 칩의 미세화가 지속적으로 진행됨과 함께 두께가 얇아져 왔다. 이로 인해 게이트 밖으로 전하가 터널링(tunneling) 되는 현상이 생기며 누설 전류가 증가하게 된다.
삼성전자 SAIT는 절연막에 활용되고 있는 고유전 물질을 신소재인 강유전 물질로 대체하는 아이디어에 주목했다. 강유전 물질이 가진 특성을 이용하면 고유전 물질을 활용할 때와 비교해 누설 전류의 증가 없이 동작 전압만 감소시킬 수 있다. 결과적으로 트랜지스터의 소비 전력을 크게 줄일 수 있다는 것이다.
연구진에 따르면, 강유전 물질의 자발적 분극이 일어나지 않도록 조절하면 강유전 물질이 음의 전기용량 특성(Negative Capacitance, 이하 NC)을 가지게 된다. 이렇게 NC 특성을 가지는 강유전 물질을 트랜지스터 게이트 구조에 이용하면, 정전 용량이 고유전 물질 기반 구조에서 얻을 수 있는 이론적인 최대 값보다도 커진다. 이를 통해 전력 효율을 크게 높일 수 있게 된 것.
또한 누설 전류의 증가 없이 동작 전압만 감소시키는 것도 가능해 졌다. 이 때문에 저전력으로도 높은 성능을 구현하는 트랜지스터를 구현할 수 있는 것이라는 설명이다.
이번 연구를 통해 삼성전자 SAIT는 “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 검증했다.”고 밝혔다.
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 찾아냈다. 또한 1,000조 회 이상의 테스트를 통해 안정적인 동작을 확인함으로써 세계 최고 수준의 신뢰성을 증명했다.
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”고 말했다.
이번 연구 논문에는 삼성전자 SAIT 임직원들이 제1저자와 교신저자, 공저자로 참여하였으며, DS부문 반도체연구소에서도 공저자로 임직원들이 참여했다. 이들의 연구 결과는 우수성을 인정받아 세계적인 학술지 Nature Electronics에 게재됐다.
