이달의 과학기술자상 10월 수상자 경북대학교 이종호 교수 선정
이 교수는 과학기술부의 지원을 받는 21세기프론티어연구개발사업을 지원받아 나노 CMOS 소자 연구를 수행하였다.
3차원 나노 CMOS 소자는 실리콘 반도체를 기반으로 한 나노 크기 전자소자로 소자의 핵심 부분이 3차원 구조로 되어 있는 차세대 소자이다.
기존의 평탄채널 구조를 갖는 CMOS 소자의 축소화에 따른 많은 문제를 보여왔다. 이를 해결하기 위해 미국 캘리포니아 버클리대학을 중심으로 유수 기업에서 SOI 기판에 물고기 지느러미 형태를 닮은 FinFET이란 3차원 구조의 소자(이하 SOI FinFET)를 집적도가 우수한 소자로 발표하였으나, SOI 기판이 갖는 높은 가격, 높은 결함 밀도, 낮은 열전도 특성 등이 문제가 되었다. 이 교수팀은 SOI FinFET 구조의 우수성을 유지하면서 실용성과 용도를 확대하기 위해 낮은 가격의 벌크 기판에 3차원 CMOS 소자인 벌크 FinFET을 세계 최초로 개발하였다.
2003년에 40nm 벌크 FinFET을 개발하였고, 개발한 소자가 산업체에서 유용하도록 하기 위해 이론적으로 3차원 구조가 갖는 특이성과 물리를 고려한 독자적인 모델링을 수행하여 발표하였다.
이 교수는 벌크 FinFET을 다양한 관점에서 세계 최초로 특허화 하였고, 해당 연구결과를 전자소자 분야에서 세계 최정상 학회인 IEDM과 Symposium on VLSI Technology에 발표하였다. 또한 세계 정상급 학회 및 저널에 다수의 논문을 발표하여 이 분야의 선두 그룹을 형성하고 있으며, 이 분야의 연구를 인정받아 국내외 학회에서 초청논문을 발표하였고, 관련 기업에서 세미나를 통해 관련 기술을 전수하였다.
3차원 나노소자인 벌크 FinFET의 개발은 실용성, 진보성 및 독창성에서 기존의 기술을 한 단계 발전시킨 것으로 판단된다. 현재 관련 기업에서 많은 연구를 수행하고 있으며, 로직 및 각종 메모리 기술에 적용 가능하여 그 연구가 점차 증가하고 있다.
1. CMOS 소자 : 상보형(Complementary) 금속-산화막-반도체 (MOS: Metal Oxide Semiconductor) 소자라 불리는데, 실리콘 반도체 소자기술에서 전력소모를 줄이기 위해 p-형과 n-형 MOS 소자를 같은 실리콘 기판에 집적하여 제작한 MOS 소자로 현재 및 미래의 실리콘 소자 기술의 핵심이 되는 소자이다.
2. 비휘발성 메모리(Nonvolatile Memory) : DRAM처럼 전원이 꺼지면 저장된 정보가 사라지는 메모리와는 달리, 전원이 꺼져도 저장된 정보가 지워지지 않고 그대로 남아있는 기억장치를 비휘발성 메모리라 한다. 대표적인 비휘발성 메모리 장치의 예는 하드디스크 이다. 차세대 비휘발성 메모리로 예상되는 것들에는 Flash memory, PRAM, MRAM, ReRAM, FeRAM 등이 있다.
3. 채널(channel) : MOS 소자는 평탄한 실리콘 기판에 게이트 산화막을 형성하고 그 위에 게이트라는 전극을 형성하며, 게이트 전극의 양쪽 측면에 소스와 드레인을 형성하여 구성된다. MOS 소자에서 게이트 전압에 따라 게이트 산화막 아래에 전하층이 생겨 소스와 드레인을 연결하게 되는데 이 전하층이 형성되어 흘러가는 곳이 채널이다.
4. SOI 기판 : Silicon-On-Insulator의 약자로 실리콘 기판에 형성된 얇은 박막형태의 산화막 위에 얇은 필름 형태의 단결정 실리콘 막이 형성되어 있는 웨이퍼를 말하며, 소자의 기생 용량성분을 줄일 수 있으나 얇은 실리콘 박막은 보통의 실리콘 웨이퍼에 비해 결함이 많고 산화막으로 인한 열전도가 잘 되지 않으며, 가격이 보통의 웨이퍼에 비싸다.
5. 벌크 기판 : 통상의 실리콘 웨이퍼를 말하며, 얇은 디스크 형태의 실리콘 단결정으로 구성된 웨이퍼이다. 이 웨이퍼의 표면에 소자가 제조된다.
6. FinFET : Fin은 물고기의 등지느러미를 말하며, FET는 전계효과 트랜지스터를 말한다. 실리콘 기판에 나노 크기의 Fin 모양으로 돌출된 구조물에 전류가 흐르는 채널이 형성되어 구성된 전계효과소자를 FinFET이라 한다. 게이트 전극이 Fin 구조물의 상부 및 양쪽 측벽에 형성되어 채널에 대한 제어능력이 증대되어 소자의 특성 및 축소화 특성이 개선되는 3차원 MOS 소자 구조이다.
수 상 업 적
□ 수상업적 : 실용적인 고집적/고성능 3차원 나노 CMOS 소자 개발
□ 업적요지
전류가 흐르는 채널이 평탄면에 형성된 기존의 MOS 소자는 100 nm 이하로 계속 줄어들면서 축소화 특성이 문제되고 있다. 이를 해결하기 위한 여러 가지 소자 중에서 3차원 구조인 Fin (지느러미) 모양의 채널을 가진 전계효과 트랜지스터(FET)가 2000년 UC Berkely에서 발표되어 관련기업에서 연구를 진행했으나, 절연체 위에 형성된 실리콘 박막을 가진 소위 SOI 기판에서 개발되어 가격이나 결함밀도 및 열전도 특성이 문제가 되었고 응용분야도 제한적이었다.
이 교수는 과거 15년 이상의 이 분야 연구경험을 토대로 SOI 기판에서 구현된 FinFET의 문제점을 개선하기 위해 저가격의 벌크 기판에서 구현된 벌크 FinFET을 개발하여 2003년에 세계 최초로 40 nm 급 소자를 발표하였다. 또한 독창적인 방법을 적용하여 그 소자에 대한 이론적 모델을 최초로 발표하였다. 이 벌크 FinFET 소자 관련 연구결과를 세계 최고의 전자소자 학회인 IEDM과 Symposium on VLSI Technology에 발표하였고, 다수의 논문을 유명 국제 학회 및 학술지에 발표하였으며, 다수의 특허를 출원/등록하였다.
그의 연구는 학술적으로나 산업적으로 반도체 나노 소자에 대한 연구를 한 단계 발전시키는 계기를 마련한 것으로 인정되어, 다수의 국내외 학회에서 초청발표를 하기도 하였다. 개발된 소자는 실용성이 있고 구조적으로 다양하게 변화될 수 있어 로직 기술 뿐 만 아니라 다양한 메모리 소자기술에도 적용되고 있다.
□ 업적내용
이 교수의 대표연구개발 업적은 실용성이 뛰어나고 성능과 집적도가 우수한 3차원 나노 CMOS 소자인 40 nm 벌크 FinFET를 세계 최초로 개발하였고 이 소자에 대한 다양한 특성 분석과 이론적 모델링을 수행한 것이다.
실리콘 반도체 기반의 나노 CMOS 소자는 반도체 산업의 핵심이며, 차세대 반도체 기술에서도 필수적인 소자이다. 현재 우리가 사용하고 있는 각종 정보기기 핵심 부품으로, 미래에 요구되는 높은 사양을 만족하기 위해 패턴의 최소 크기가 이미 100 nm 이하로 축소화되어 있다.
거듭된 축소화로 기존의 CMOS 소자는 응용분야에 따라 이미 물리적 축소화 한계에 도달했거나 한계에 다가가고 있다. 소자에서 전류가 흐르는 채널의 구조가 물고기 등지느러미 (Fin) 형태를 닮은 돌출된 채널구조를 가진 전계효과 트랜지스터(FET)가 기존 소자의 문제를 해결할 것으로 알려져 있다. 실리콘 기판에 산화막이 형성되고 그 위에 박막의 실리콘 층을 갖는 SOI 기판에 Fin 구조의 전계효과 소자가 제작되고 있으나 SOI 웨이퍼가 갖는 단점으로 인해 실용성이 낮았다.
이 교수는 기존의 개발된 실리콘 집적공정과 쉽게 양립할 수 있고, 값싼 벌크 실리콘 기판에 제작되는 40 nm 크기의 Fin 채널 구조의 FET를 2003년에 개발하고 벌크 FinFET이라 명명하였다. 우리 머리카락 단면이 대략 0.01 cm (=105 nm)이면, 40 nm는 머리카락 단면의 2,500배 작은 크기이다. 메모리 용량으로 환산하면 수십 Gb에 해당한다. 이 소자는 최소 선폭의 크기가 10 nm 급도 가능하기 때문에 현재 1Gb 메모리 스틱 용량에 비해 천배인 테라비트 급의 메모리 용량도 가능하다.
벌크 FinFET가 실용화되기 위해서는 소자 제조기술 뿐 만 아니라 소자에 대한 이론적 모델이 있어야 가능하다. 이 교수는 3차원 구조의 FinFET에 대한 독창적인 접근으로 3차원 구조의 특이성과 물리를 고려한 모델링을 20 nm 급 소자까지 수행하여 정확도가 90% 이상인 결과를 발표하였으며, 또한 고주파에 대한 창의적 모델링을 수행하여 발표하였다. 기존의 모델과 유사한 부분에서는 기존의 모델보다 개선된 정확도를 보였으며, 이론적 모델을 통해 3차원 소자의 핵심 부분의 모양이나 설계에 대한 올바른 방향을 제시하였다. 이 소자에 대한 내구성 분석까지 수행하여 조속히 실용화될 수 있는 토대를 마련하였다.
벌크 FinFET에 대한 설계, 시뮬레이션, 제작, 측정/분석, 모델링 등을 수행하여 세계 최정상 학회인 IEDM 및 Symposium on VLSI Technology에 논문을 발표하였으며, 세계 유수 학회 및 저널에 많은 논문을 발표하여 이 분야 연구의 선두 그룹을 형성하고 있다. 이 분야에 대한 연구를 인정받아 유명 학회인 SSDM을 포함하여 다수의 국내외 학회에서 초청논문을 발표하였다.
관련 기업에서는 이 교수팀이 발표한 논문을 토대로 하여 양산을 고려한 연구를 활발하게 수행하고 있으며, 이 소자를 다양한 관점에서 연구하고 있다. 국내의 삼성전자 및 Hynix, 일본의 도시바, 대만의 TSMC 등 세계 유수의 기업에서 이 교수팀이 발표한 소자를 근간으로 하여 제품개발 연구를 추진하고 있다. 특히, 이 교수는 국내 기업 및 연구기관에서 세미나를 통해 3차원 소자에 대한 올바른 이해와 연구방향을 제시하는 등 학문 및 산업 발전에 큰 기여를 하였다.
이 교수는 2003년 이후 짧은 기간 동안 총 100건 이상의 국내외 논문을 발표하였고, 25 편의 SCI 논문을 발표하였으며, 특히, 20건의 실용성과 창의성이 있는 특허를 출원/등록하였다. 외부 기관의 검토결과 이들 특허 중에는 실용가능성이 높고 창의적인 것이 상당수 인 것으로 평가되기도 했다.
3차원 나노 크기 전자소자에 대한 실용적이고 창의적인 접근을 통하여 학문발전 및 산업발전에 기여한 공로를 인정받아 2005년 제 1회 한국반도체 기술대상에서 KETI 원장상을 수상하는 등 불과 최근에 3건의 학술적 우수, 공로 및 우수 연구에 따른 수상을 하였다.
이 교수는 벌크 FinFET 그 자체를 산업화시킬 수 있는 계기를 만들었고, 벌크 FinFET 구조를 응용한 각종 비휘발성 메모리 연구에 대한 새로운 장을 열었다. 벌크 FinFET은 기존의 2차원 소자구조로는 불가능한 50 nm 급 또는 그 이하의 DRAM (Dynamic Random Access Memory) 및 SRAM에 현실적으로 적용되고 있으며, 그 성능도 우수한 것으로 보고되고 있다. 또한 벌크 FinFET의 기본구조가 비휘발성 메모리 소자 셀에도 응용될 수 있음을 실험을 통해 세계 최초로 보였고, 50nm 이하의 기술에서 실용화의 가능성이 높기 때문에 조만간 이를 응용한 수십 Gb 이상의 용량을 가진 메모리칩이 등장할 것으로 예상된다. 이 연구의 결과로 앞으로도 우리나라는 메모리 강국으로서의 위상을 떨칠 것으로 예상된다.
웹사이트: http://www.most.go.kr
연락처
과학기술부 과학기술문화과 사무관 황영욱 031) 436-8614
