삼성전자 SAIT, 강유전 물질 기반 시스템반도체 구현

강유전 물질 기반 소비전력 최대 33% 절감
연구 논문, 네이처 일렉트로닉스 게재

▲차세대 소재 적용한 시스템 반도체 구현 기술 개발한 삼성전자 SAIT 연구진 (출처=삼성전자 반도체 뉴스룸)

삼성전자 SAIT(구 종합기술원)가 차세대 반도체 소재로 주목받는 강유전(ferroelectric) 물질을 기반으로 시스템반도체를 구현하는 데 성공했다.

1일 삼성전자 반도체 뉴스룸에 따르면 삼성전자 SAIT의 이 같은 성과가 최근 세계적인 학술지 '네이처 일렉트로닉스'에 게재됐다. 연구 논문에는 SAIT 임직원이 제1저자와 교신저자, 공저자로, 디바이스솔루션(DS)부문 반도체연구소 임직원이 공저자로 각각 참여했다.

반도체 업계는 최근 AI(인공지능) 기술 발달로 시스템반도체 성능 향상을 위해 트랜지스터를 미세화하고 집적도를 높이고 있다.

트랜지스터의 게이트에는 누설 전류를 막는 절연막이 있다. 절연막은 반도체 칩의 지속적인 미세화로 두께가 얇아져 왔는데 이로 인해 게이트 밖으로 전하가 터널링(tunneling) 되는 현상이 생기며 누설 전류가 증가한다.

SAIT 연구진은 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 있고, 결과적으로 트랜지스터의 소비 전력을 크게 줄일 수 있게 됐다.

삼성전자는 이번 연구가 강유전 물질의 음의 전기용량(NC) 효과를 실험적으로 측정하는 데 성공했으며 이 효과를 활용한 트랜지스터(NCFET)의 상용화 가능성을 세계 최초로 검증했다는 데 의미가 있다고 봤다.

SAIT 연구진은 기존의 고유전 물질을 사용한 반도체와 비교해 동일한 구조에서 소비 전력을 최대 33%까지 낮출 수 있음을 확인했다. 1000조회 이상의 테스트를 통해 안정적인 동작을 확인, 세계 최고 수준의 신뢰성을 증명했다.

삼성전자는 이 기술이 핀펫(FinFET)과 게이트올어라운드(GAA)와 같은 3D 구조의 트랜지스터를 포함해 모든 구조의 트랜지스터에 널리 활용될 수 있다고 밝혔다. 기존 반도체 공정에 많이 쓰이는 물질을 이용, 큰 비용의 증가 없이 기존 반도체 기술과 접목할 수 있다고 설명했다.