'반도체가 자라는 시작점까지 설계한다'… 국내 연구진, 고집적·저전력 AI 반도체 구현 위한 2차원 반도체 결정 위치 제어 기술 세계 최초 개발

국내 연구진이 인공지능(AI) 시대의 핵심 과제인 고집적·저전력 반도체 구현을 앞당길 수 있는 혁신적인 원천기술을 개발했다. 과학기술정보통신부(장관 배경훈)는 한국과학기술원(KAIST) 강기범 교수, 울산과학기술원(UNIST) 김병조 교수, 한양대학교 김우희 교수, 티디에스이노베이션 등의 공동 연구팀이 반도체 결정이 생성되는 시작 위치를 지정하고 단일 결정으로 자라도록 제어하는 데 성공했다고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 개인기초연구 사업과 나노소재기술개발 사업 등의 지원으로 수행되었으며, 세계 최고 권위의 학술지 '네이처(Nature)'에 10월 8일 자로 게재되며 그 우수성을 공인받았다.

1. 연구 배경 및 개발 과정

• 기존 기술의 한계 : 원자층 수준으로 얇은 '2차원 반도체 소재'는 기존 연산 회로 위에 반도체를 수직으로 쌓아 올려 AI 칩의 성능을 극대화하고 전력 소모를 줄일 수 있는 차세대 소재로 주목받아 왔다. 그러나 기존에는 미리 정한 영역(선택성장) 안에서 결정핵이 정확히 어디에 생길지가 확률에 맡겨져 있어, 여러 곳에서 자라난 결정들이 만나 원자 배열이 어긋나는 경계(다결정)가 생기고 반도체 품질이 떨어지는 치명적인 한계가 있었다.

• 새로운 제어 원리 (EF-SCN 기술) : 연구팀은 성장 영역을 둘러싼 산화물 장벽(산화하프늄 등)에서 방출되는 산소 성분(에칭 플럭스)이 2차원 반도체(이황화몰리브덴)의 결정 형성을 억제한다는 점에 착안했다. 장벽 가까운 가장자리는 핵생성이 억제되고, 장벽에서 먼 중앙에서만 하나의 핵이 생성되도록 유도하는 '에칭 플럭스 매개 단일 중심 핵생성(EF-SCN)' 기술을 완성했다.

2. 주요 내용

• 결정론적 위치 제어 성공 : 연구팀은 성장 영역 크기, 공정 시간 등에 따른 핵생성 거동을 분석해 0, 1, 다중 핵생성을 제어하는 디자인 원리를 정립했다. 이를 통해 400개의 실험 패턴 중 99% 이상에서 패턴 중앙에 단 하나의 단결정을 형성하는 데 성공했다.

• 공간적 분리를 통한 품질 향상 : 핵생성과 성장 영역을 공간적으로 분리함으로써 삼각형 형태의 한계를 넘어선 직선형 단결정 제작을 실현했으며, 트랜지스터 소자의 성능 지표인 전계효과 이동도의 표준편차를 7.8%까지 낮춰 균일성을 극대화했다.

3. 성과 및 기대 효과

• 차세대 적층형 AI 반도체 공정 기반 마련 : 이번 성과는 반도체 소재가 자라는 영역을 정하는 데서 나아가 '성장이 시작되는 시작점까지 설계'할 수 있게 했다는 점에서 획기적이다.

• 연산과 메모리의 수직 집적 : 연산 처리 부분과 메모리를 수직으로 가깝게 배치하는 적층형 반도체 구현이 가능해져, 데이터 이동에 드는 시간과 에너지를 대폭 줄일 수 있다. 이를 통해 데이터센터의 전력 부담을 완화하고 AI 서비스의 응답 시간을 단축하는 데 크게 기여할 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부 김성수 연구개발정책실장은 "이번 성과는 반도체 소재의 형성 원리를 탐구하는 기초연구와 원천기술 개발을 통해 반도체 제조 공정의 새로운 해법을 제시한 사례"라며, "핵심 기술이 미래 산업에 적극적으로 활용될 수 있도록 지원을 아끼지 않겠다"고 밝혔다.