초소형 화합물 반도체 트랜지스터, 실리콘에 도전할 수 있을까?? 에메랄드 통찰력

초소형 화합물 반도체 트랜지스터가 실리콘의 지배력에 도전할 수 있다.

기사 유형: 업계 뉴스 출처: Microelectronics International, Volume 30, Issue 2

MIT 연구진이 지금까지 제작된 것 중 가장 작은 인듐 갈륨 비소 트랜지스터를 개발했습니다.

실리콘의 왕좌가 위협받고 있습니다. 경쟁 소재인 인듐갈륨비소(IGA)로 만든 초소형 트랜지스터의 개발로 컴퓨터와 스마트 기기용 마이크로칩의 왕좌를 차지해 온 실리콘의 시대가 저물어갈 수도 있습니다.

MIT 마이크로시스템 기술 연구소 연구팀이 개발한 이 복합 트랜지스터는 길이가 22나노미터(10억분의 1미터)에 불과함에도 불구하고 뛰어난 성능을 보여줍니다. 공동 개발자인 헤수스 델 알라모 MIT 전기공학 및 컴퓨터과학부(EECS) 도너 석좌교수는 이 트랜지스터가 궁극적으로 컴퓨팅 기기에서 실리콘을 대체할 유력한 후보라고 말합니다. 델 알라모 교수는 EECS 대학원생인 젠첸 린, 그리고 전기공학과 레이 앤 마리아 스타타 석좌교수인 디미트리 안토니아디스와 함께 이 트랜지스터를 개발했습니다.

더욱 빠르고 스마트한 컴퓨팅 장치에 대한 수요에 발맞춰 트랜지스터의 크기는 지속적으로 축소되고 있으며, 이를 통해 마이크로칩 하나에 더 많은 트랜지스터를 집적할 수 있게 되었습니다. 델 알라모는 "칩에 더 많은 트랜지스터를 집적할수록 칩의 성능은 더욱 강력해지고 더 많은 기능을 수행할 수 있게 됩니다."라고 말합니다.

하지만 실리콘 트랜지스터가 나노미터 크기로 축소됨에 따라 소자가 생성할 수 있는 전류량 또한 줄어들어 작동 속도가 제한됩니다. 이로 인해 인텔 창립자 고든 무어가 마이크로칩의 트랜지스터 수가 2년마다 두 배로 증가할 것이라고 예측한 무어의 법칙이 곧 끝날 수 있다는 우려가 제기되고 있다고 델 알라모는 말합니다.

무어의 법칙을 유지하기 위해 연구자들은 오랫동안 실리콘을 대체할 수 있는 소재를 연구해 왔습니다. 이러한 소재는 더 작은 크기에서도 더 큰 전류를 생성할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 델 알라모 교수에 따르면, 그러한 소재 중 하나가 인듐 갈륨 비소(IGA) 화합물입니다. IGA는 이미 광섬유 통신 및 레이더 기술에 사용되고 있으며, 매우 우수한 전기적 특성을 가진 것으로 알려져 있습니다. 그러나 실리콘과 유사한 방식으로 트랜지스터를 형성할 수 있도록 IGA를 처리하는 기술이 최근 발전했음에도 불구하고, 미래의 마이크로칩에 더욱 많이 집적될 수 있을 만큼 작은 소자를 아직 만들어내지 못했습니다.

델 알라모, 안토니아디스, 린은 이제 이 소재를 사용하여 나노미터 크기의 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 제작하는 것이 가능하다는 것을 보여주었습니다. MOSFET는 마이크로프로세서와 같은 논리 회로에 가장 일반적으로 사용되는 유형입니다. 델 알라모는 "우리는 뛰어난 논리 특성을 가진 매우 작은 인듐 갈륨 비소 MOSFET를 만들 수 있다는 것을 보여주었으며, 이는 무어의 법칙을 실리콘의 한계를 넘어 확장할 수 있게 해 줄 것입니다."라고 말했습니다.

트랜지스터는 게이트, 소스, 드레인의 세 전극으로 구성되며, 게이트는 나머지 두 전극 사이에서 전자의 흐름을 제어합니다. 이처럼 작은 트랜지스터 내부의 공간은 매우 협소하기 때문에 세 전극은 서로 극도로 가까운 위치에 배치되어야 하는데, 아무리 정교한 장비라도 이러한 정밀도를 달성하는 것은 불가능합니다. 이에 연구팀은 게이트가 다른 두 전극 사이에서 스스로 정렬되도록 하는 방법을 개발했습니다.

연구팀은 먼저 반도체 산업에서 널리 사용되는 분자빔 에피택시(MBE) 공정을 이용하여 얇은 물질층을 성장시킵니다. 이 공정에서는 진공 상태에서 증발된 인듐, 갈륨, 비소 원자들이 서로 반응하여 단결정 화합물을 형성합니다. 그런 다음, 연구팀은 소스 및 드레인 접촉 금속으로 몰리브덴 층을 증착합니다. 마지막으로, 전자빔 리소그래피라고 알려진 또 다른 잘 확립된 제조 기술인 집중된 전자빔을 사용하여 이 기판 위에 매우 미세한 패턴을 "그려냅니다".

그런 다음 불필요한 부분을 에칭하여 제거하고 미세한 틈에 게이트 산화막을 증착합니다. 마지막으로, 증착된 몰리브덴을 표면에서 소성하여 게이트를 형성하는데, 이 게이트는 다른 두 전극 사이에 단단히 밀착된다고 델 알라모는 설명합니다. 그는 "에칭과 증착 공정을 조합하여 게이트를 전극 사이에 미세한 틈을 두고 끼워 넣을 수 있습니다."라고 말합니다.

연구팀이 적용한 기술 중 상당수는 이미 실리콘 제조에 사용되고 있지만, 화합물 반도체 트랜지스터를 만드는 데에는 거의 사용되지 않았습니다. 이는 광섬유 통신과 같은 응용 분야에서는 공간 제약이 덜하기 때문이기도 합니다. 델 알라모는 "하지만 수십억 개의 미세 트랜지스터를 칩에 집적해야 하는 경우, 화합물 반도체 트랜지스터의 제조 기술을 실리콘 트랜지스터와 훨씬 더 유사하게 재구성해야 합니다."라고 말합니다.

다음 단계는 소자 내부의 불필요한 저항을 제거하여 트랜지스터의 전기적 성능, 즉 속도를 더욱 향상시키는 것입니다. 이 목표를 달성하면 소자 크기를 더욱 줄여 궁극적으로 게이트 길이를 10나노미터 미만으로 낮추는 것을 목표로 할 것입니다.

이 연구는 DARPA와 반도체연구협회의 자금 지원을 받았습니다.