ETRI, 차세대 반도체 소자 원천기술 세계 최초 개발

- 반도체의 집적도 한계를 넘을 수 있는 차세대 기술로서 뛰어난 성능과 경제성 지닌 세계 최초의 상용화 단계 기술 -

반도체의 제작기간을 30% 단축시키고 원가는 20% 낮추면서 현존 기술의 한계를 뛰어넘는 고집적화로 반도체의 처리속도를 크게 향상시킬 수 있는 차세대 반도체 소자 원천기술이 세계 최초로 국내 기술진에 의해 개발되어, 반도체 주문생산(파운드리) 등 비메모리 산업 전반에 큰 파급효과가 예상된다.

한국전자통신연구원(ETRI, http://www.etri.re.kr) 나노전자소자팀(팀장 이성재 책임연구원)은 정통부 선도기반기술개발사업인 ‘정보통신용 고기능 반도체 나노신소자 기술 개발사업’의 일환으로, 기존의 반도체 소자 제조 공정을 대폭 단순화하여 제조 단가와 제작기간을 줄이고 신물질과 저온공정의 도입으로 고성능 소자를 구현하는 새로운 개념의 반도체 소자(트랜지스터) 제작기술인 ‘쇼트키 트랜지스터’(Schottky Transistor)를 2년간의 연구 끝에 세계 최초로 개발하였다.또한 소자의 작동특성 및 성능을 예측하고 제작된 소자로부터 설계변수를 추출할 수 있는 정확한 시뮬레이션 툴(simulation tool)까지 역시 세계최초로 개발하였다.본 기술은 기존 반도체 제조장비를 그대로 사용하면서 훨씬 뛰어난 경제성과 성능을 동시에 구현하고 시뮬레이션 툴이 함께 개발되어 당장 산업현장에서 상용화되어 국내 비메모리 산업을 융성시킬 기술적 호재로 평가된다.

◉ 기존의 불순물 이온 주입에 의한 반도체 소자 제조의 문제점

현재 사용되고 있는 반도체 소자의 주류는 인(원소기호 : ‘P’)이나 붕소(원소기호 : ‘B’)와 같은 불순물을 이온 주입하여 전극을 형성하는 형태로 구성되어 있다.전문가들은 2010년경이면 이들 재료로는 더 이상의 집적도 향상이 불가능한 0.02마이크론 크기의 소자 공정이 출현할 것으로 점치고 있다.한편 기존의 반도체 소자 제조공정에서는 섭씨 1,000도를 상회하는 고온 열처리 공정이 필요하기 때문에 소자의 성능저하를 막기 위한 복잡한 공정을 사용해야 했다.

◉ ETRI의 쇼트키 트랜지스터의 장점

ETRI의 쇼트키 트랜지스터는 기존 방식으로 제작된 반도체 소자와 대등한 성능을 실현한 세계 최초의 기술로서 ▲트랜지스터의 채널 영역에 복잡한 불순물층 형성 공정이 불필요해져서 생산 공정 단순화를 통하여 약 20% 이상의 원가 절감 및 30% 정도의 칩 제작시간(Turn-Around Time: TAT)의 단축이 가능하며 ▲기존의 트랜지스터 제조 장비와 동일한 장비를 사용하므로 장비의 신규 투자를 최소화할 수 있고 ▲저항값이 기존의 불순물의 이온주입에 의한 경우보다 약 1/100배 정도인 실리사이드를 트랜지스터의 전극으로 사용하여 트랜지스터의 전류 특성이 향상된다.▲열처리 온도를 약 500도 정도로 대폭 낮춘 저온 공정을 도입하여 소자에 사용될 재료선택의 폭이 넓어 IT용 고성능 소자 구현이 용이하다.때문에 향후 나노급의 반도체 생산현장에서 필수적으로 사용될 것으로 보이며 그 중요성이 크게 부각될 수 있을 것으로 예견된다.
역시 세계 최초로 개발된 ETRI의 ‘소자 시뮬레이션 툴’은 쇼트키 트랜지스터로 반도체 칩을 만들었을 때의 작동구조와 성능을 설계단계에서 예측할 수 있도록 소자 변수를 추출하는 S/W로서 설계에서 제조로 이어지는 반도체 일괄 공정의 실용화를 더욱 앞당기는 업적으로 평가된다.

◉ 개발 결과의 의미 및 향후 전망

ETRI의 쇼트키 트랜지스터 제조 기술이 개발됨으로써 국내의 반도체 제조 관련 산업의 시장 확장과 전 세계적으로 향후 전개될 나노급 반도체 제조 기술에 대한 선도적인 입장을 고수할 수 있을 것으로 기대된다.
현재 쇼트키 트랜지스터와 관련하여 국제특허 9건 국내특허 7건을 출원중에 있으며 지난 4월 이후 이 분야에서 세계적인 권위의 전문 학술지인 어플라이드 피직스 레터(Applied Physics Letter)와 국제 전기․전자 학회지(IEEE Transactions on Nanotechnology)에 각각 2편과 1편의 논문을 게재하는 등 지적재산권 확보에 나섰다.

연구 책임자인 나노전자소자팀의 이성재 팀장은, “ETRI의 본 기술의 개발로 국내의 취약한 비메모리 산업이 세계시장 경쟁에서 기술적인 우위를 차지할 수 있을 것”이라며, “특히 반도체의 집적도 한계를 극복할 수 있는 차세대 기술로서 향후 거의 모든 비메모리칩 제조사들이 사용해야 하는 기술이라는 점에서 그 원천기술을 확보한 이번 개발로 막대한 기술료 수입이 기대된다”고 말했다.

[ 용어설명 ]

● 나노미터 (Nanometer)

10억분의 1미터를 일컷는 용어. nm로 표기한다.

● 트랜지스터 (Transistor)

전기신호를 증폭, 제어, 발생하는데 사용하는 고체 소자.
트랜지스터는 1947년 미국 벨연구소의 3명의 물리학자 존 바딘, 월터 H. 브래튼, 윌리엄 B. 쇼클리에 의해 발명되었으며, 그동안 사용돼 왔던 진공관에 비해 훨씬 작고 내구성이 강하며 예열이 필요 없고 소비에너지도 적은 장점이 있음

● 쇼트키 장벽 (Schottky Barrier)

금속과 반도체 접합을 형성할 경우 이 사이에 존재하는 장벽. 1938년 W. Schottky가 F. Braun이 실험 결과로 밝혀낸 금속과 반도체 접합의 다이오드 정류 특성을 설명하고자 제안했던 물리적 모델.

● 단채널효과 (Short Channel Effect)

트랜지스터의 크기가 작아지면서 소자특성이 나빠지는 현상. 크게 세가지로 구분되며, 첫번째가 트랜지스터의 포화 전류영역이 없어지고 전압에 따라서 계속 증가하는 현상, 두 번째 누설전류의 증가 및 마지막 세번째로 문턱전압의 급격한 감소현상을 들 수 있다. 이 단채널효과를 억제하는 것이 트랜지스터 소형화의 핵심 기술이다.

● 설계 변수 (Model Parameter)

제조된 트랜지스터에서 추출한 다량의 변수 집합을 일컷는 용어. 이 설계변수를 기초로 하여 칩의 설계를 진행할 수 있음.

● SoC (System-on-a-Chip)

다양한 디지털 로직회로, 메모리 및 아날로그 회로등을 하나의 chip에 집적하는 기술로서 초소형화, 다기능화, 저전력화 및 고속화 등을 통해 통신, 멀티미디어등 많은 분야에 다양한 용도로 사용될 수 있는 반도체 집적화 설계 및 공정 기술.