- NT-IT 융합시대를 개척해갈 초고성능·초저잡음의
차세대 반도체 기술의 3대 보유국으로 급부상 -

 - 차세대 유무선 통신부품, 고성능 GSI 기술, 나노·바이오
소자개발 등에 응용, 3조 3천억 원대 시장형성 전망 -

실리콘 반도체의 터보엔진이라 불리우는 꿈의 차세대 반도체 기술이 국내 `기술진에 의해 개발되었다.

한국전자통신연구원(ETRI, http://www.etri.re.kr) SiGe소자팀은 정보통신부 지원의 나노기술 관련 개발과제인 "실리콘 미래-신소자 기술 개발"(연구책임자 심규환 박사)의 일환으로 실리콘-게르마늄 SS-HMOS(SS-H모스, Strained-Silicon Heterostructure MOS) 반도체소자를 개발하였다.

종래의 통상적인 실리콘MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)소자에 비해 잡음이 현격히 적어진 ETRI의 SS-HMOS칩 개발로, 디지털회로와 아날로그회로, 그리고 혼성신호회로의 고속동작 특성이 크게 개선될 수 있을 것으로 기대된다.

● 새로운 패러다임 : 21세기 세계 반도체산업의 재편을 준비

실리콘 기판에 실리콘-게르마늄 이종접합의 채널을 에피 성장(특정 소재를 원자단위의 박막으로 기판에 적층·성장시키는 기술)하여 기존 실리콘 MOS에 비해 동작속도를 20% 증가, 잡음을 1/100배로 감소, 동작전압의 불안정성(단채널효과)을 30% 이상 감소시키는 성과를 달성했다. 또한 이 소자는 게이트에 전압이 인가될 때 발생되는 터널링에 의한 열화현상도 감소하여 신뢰성도 우수한 것으로 나타났다.

SS-MOS는 실리콘-게르마늄 이종접합층과 산화막을 고품질로 형성하고, 두께를 수 nm(나노미터, 머리카락 굵기의 10만분의 1)급으로 제어하며, 불순물을 수 원자층 단위의 이차원으로 도핑(첨가)해야 하므로, 현재의 실리콘 MOS에 비해 매우 난해한 나노기술이 적용된다.

SS-HMOS 트랜지스터 기술은 소자구조와 정밀한 원자층의 제어를 통해 잡음감소효율을 월등히 개선시킬 수 있어 세계적으로 개발경쟁이 한창인데, 독일 다임러-크라이슬러와 미국의 IBM, 인텔에 이어 ETRI가 개발함으로써 우리 나라는 세계 3번째의 SS-HMOS 트랜지스터 기술 보유국이 되었다.

지난 10 년간 SiGe 반도체의 원천기술을 집중 개발, 소재기술(에피 성장)부터 SiGe 공정, 소자, 회로설계에 이르는 총괄적 기술을 축적해 온 ETRI였기에 가능했던 쾌거라고 할 수 있다.

이번 트랜지스터의 개발성과로 인해 실리콘 기반의 초고속 나노집적회로에 대한 개발이 본격화될 것으로 전망된다.

● 실리콘 반도체에 터보엔진을 달았다.

이번에 개발된 SS-HMOS는 실리콘반도체가 진입하기 시작하는 30~70나노(10-9 미터)급에서 회로응용에 큰 문제로 되는 단채널효과와 저주파잡음(1/f잡음 또는 Random Telegraph Signal) 성능을 파격적으로 개선시킬 수 있다.

특히 수 GHz로 동작하는 테라급 로직회로의 전력소모를 절반으로 줄일 수 있는 가장 실용적인 기술이므로 고속-저전력 CPU, 그리고 차세대 대용량 통신기술인 40Gbps 광네트워크, 50Mbps 무선랜, >100Mbps 초광대역(UWB) PAN(Personal Area Network)에 새로운 제품을 창출할 수 있을 전망이다.

실리콘-게르마늄 채널에서 움직이는 전자와 정공의 이동도는 정상 실리콘에 비해 3내지 8배 높다. 이러한 이유로 이 분야의 최고 전문가인 IBM의 Meyerson박사는 실리콘반도체의 터보엔진이라고 비유하였으며, 300GHz에서 동작하는 실리콘반도체 소자도 가능하다고 예측한다. 십만회 정도의 엄청난 회전으로 동작하면서도 소음이 극히 적은 터보엔진을 실리콘-게르마늄 반도체소자와 비유한 Meyerson 박사의 통찰은 이번의 연구결과와 너무나 정확하게 부합된다.

● 유무선 통신시스템 및 Wearable 컴퓨터용 나노집적회로 개발에 최적

이번 연구결과는 일본 나고야에서 열린 학술대회인 SSDM(9월 18일)에서 발표되었으며, 국제 학술지인 Solid-State Electronics에 게재되었고, IEEE Trans. Electron Devices에 게재예정이다. 그리고 ETRI는 SiGe 반도체에 관한 100여건의 특허를 보유하고 있는데, 그 중에 이 기술과 관련해서 국내특허 9건, 해외특허를 2건 출원하였다.

이번에 개발된 트랜지스터는 0.3~0.5미크론급 이지만 sub-100나노에 대한 연구가 진행되고 있고, 3년 이내에 50나노급도 구현될 예정이므로 초고속 동작이 가능한 나노집적회로의 상용화에 새로운 이정표가 될 것으로 기대된다.

 SS-HMOS트랜지스터는 실리콘-게르마늄이라는 변형된 고속채널이 있어서 전자와 정공이 움직이는 이동도를 3~10배 증가시켜 소자의 동작속도를 높이고, 전력소모를 절반 이하로 대폭 줄여서 고밀도회로의 방열문제를 경감시키므로 차세대 GSI(Gigabit Scale Integration)와 나노집적회로의 유력한 대안이 되고 있다. 특히 고속 데이터 통신시스템의 신호전달에 대한 에러의 발생율을 1/100배로 줄일 수 있어, 차세대의 테라-펜타(1초에 1~100조의 신호전달)급으로도 실리콘반도체를 중심으로 한 NT-IT 융합시대를 개척해갈 것으로 보인다.

예로서 SS-HMOS소자의 고속동작과 저전력소모의 장점을 이용하여 인텔에서는 90나노급 실리콘-게르마늄 소자기술로 52Mbit SRAM 회로를 개발하여 3GHz 펜티업프로세서에 적용할 계획이고, 마찬가지로 IBM은 65나노급 실리콘-게르마늄 소자를 적용한 칩을 2005년에 대량생산한다는 개발계획을 발표했다.

[ 용어설명 ]

1. SiGe

실리콘-게르마늄은 반도체임. 실리콘에 게르마늄을 혼합하여 만들어지는 물질로 실리콘과 게르마늄의 중간단계에 해당하는 물질특성을 보이게 됨. 실리콘의 에너지 밴드갭이 1.1eV인데 게르마늄의 에너지 밴드갭은 0.67eV 임. 실리콘-게르마늄의 에너지 밴드갭은 게르마늄의 양에 따라 변화하여 중간의 값을 가지게 됨. 순수한 실리콘과 게르마늄에서 전자이동도는 각각 1500 cm2/Vs, 3900 cm2/Vs 으로 게르마늄을 이용하면 더 빠른 반도체소자의 제작이 가능함. 단, 순수 게르마늄은 접합에서 누설전류가 높고, 안정한 산화막의 형성이 어렵기 때문에 이제까지 실리콘이 반도체 소자로 대거 사용되어 왔다.

2. SS-HMOS
SS-HMOSFET(Strained Silicon Heterostructure Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)를 줄인 것으로 반도체 트랜지스터의 한 종류이다. 정상적인 실리콘의 결정구조는 대략 정육면체의 꼭지점에 원자가 있는 형태인데, Strained silicon(SS)은 어느 축의 방향으로 압축 또는 인장응력을 가하여 직육면체의 모양으로 변형시킨 것을 의미한다. 외부의 힘에 의해 원자들이 위치하는 결정의 구조가 변형되어 전기적, 물리적 특성도 변형되게 된다. 이러한 물질구조의 조작에 의해 그 안에서 이동하는 전자의 속도를 높일 수 있으므로 고속으로 동작하는 소자의 제작에 응용할 수 있다.

3. 저주파잡음
생물을 포함하여 세상의 만물에서 신호는 잡음을 지니고 있다. 신호의 주파수로 보자면 대략 0~1MHz사이의 저주파수에서 존재하는 잡음을 저주파 잡음이라 부르고, 1GHz 이상의 고주파에 나타나는 잡음을 고주파 잡음이라 부르고, 그 주파수의 사이에는 열에 의한 White noise가 존재한다. 통신은 기본적으로 신호를 주고 받는 기능이 가장 근본인데 그 사이에 잡음이 끼어들면 정확한 신호전달이 불가능해진다.

따라서 모든 통신시스템에서 잡음문제는 신호의 이득과 함께 성능을 좌우하는 요소가 된다. 이런 잡음 중에서 저주파 잡음은 대략 1MHz 이하에서 주파수가 낮아질수록 f-1에 비례해서 증가하여 1/f 잡음이라고 부르기도 하는데, 회로에서는 신호가 도달하는 시간이나 강도를 불규칙하게 하는 악 영향을 미친다. 이런 저주파잡음은 고속동작하는 신호의 순수성을 떨어뜨리게 되어, 고속디지털소자나 라디오파 소자에서 신호의 정확도에 해를 미친다.

예를 들어 현재의 공진기회로에는 대부분 쌍극자(bipolar) 소자가 사용되는데, 그 이유는 저주파 잡음특성이 가장 우수하기 때문이다. 대체로 실리콘 MOS소자의 경우 저주파잡음 특성이 특히 나빠서 RF 통신용 회로에 적용하는데 심각한 문제로 되어있다.

4. 고주파잡음
앞에서 설명된 바와 같이 고주파잡음은 대체로 1GHz 부근에서 시작하여 주파수가 높을 수록 증가하는 잡음성분을 의미한다. 요즘 유선과 무선통신용 소자의 동작속도가 각각 10Gbps, 2GHz 대역에서 많이 이루어지므로 고주파 잡음은 회로의 성능을 좌우하는 중요 요소가 된다. 특히 성능이 우수한 저잡음증폭기를 제작하기 위해서는 사용되는 소자의 고주파잡음을 줄이도록 고려해야 한다. 고주파 잡음의 주요 원인은 소자에 존재하는 저항과 기생하는 정전용량(capactance)이 대부분이다.

5. 전류잡음 스펙트럼 밀도
전류잡음 스펙트럼 밀도는 MOS소자의 경우 드레인에 흐르는 전류에서 1 Hz내에 존재하는 잡음성분만 뽑아내 값으로 단위가 A2/Hz로 표시된다. 따라서 단위 Hz에 존재하는 잡음의 전력(power)을 의미한다.

6. 단체널효과
실리콘 MOS소자의 기술개발로 게이트의 길이를 짧게 만들면서 소자의 전체 크기와 동작전압을 감소시킴으로써 소자의 집적도가 높아지고, 전력소모가 줄어들고, 동작속도가 빨라지는 성능의 향상이 얻어진다. 그런데 게이트의 길이를 짧게 만들면 (즉, 단채널로 만들면) 누설전류가 증가하거나 on/off를 조절하는 전압이 변동하는 비선형 특성들이 커져서 회로설계에 문제가 된다. 따라서 게이트 길이를 짧게 하면서 발생되는 단채널효과를 최소화하기 위해 채널의 형태를 바꾸거나, LDD(Lightly Doped Drain) 조건을 조절하거나, Fin 구조의 신소자를 적용하는 노력을 기울이고 있다. 특히 나노스케일로 들어서면서 단채널효과는 더욱 심각하므로 유용한 전류-전압특성을 얻기 위해서는 소자의 구조가 복잡해지는 문제를 감수할 수 밖에 없는 실정으로 보인다. 현재 이러한 이유로 실리콘반도체에서 많은 연구가 진행되고 있다.

7. DIBL(Drain Induced Barrier Lowering)
MOS 구조의 소자에는 전극이 소오스, 드레인, 게이트의 세 개로 구성된다. 게이트에 전압을 인가함으로써 소스에서 드레인으로 흐르는 전류를 조절하게 된다. DIBL은 드레인에 인가되는 전압의 크기에 따라 게이트의 아래에 전류의 흐름을 조절하는 barrier(장벽)의 높이가 바뀌는 현상을 말한다. 대체로 게이트 길이(소자의 크기)가 감소하면 DIBL이 증가하여 동작의 안정성이 떨어지게 된다. 즉, DIBL도 단채널효과 중의 하나이다.

8. 이종접합구조(Heterostreucture)
실리콘 기판 위에 실리콘-게르마늄을 성장하면 실리콘/실리콘-게르마늄과 같은 형태로 서로 다른 물질이 마주친 계면이 존재하게 되고 이를 이종접합구조라 한다. 실리콘/실리콘-게르마늄/실리콘과 같이 여러 개의 층이 차례로 형성된 이종접합 구조의 경우 중앙에 위치한 실리콘-게르마늄 층의 두께가 10nm 정도이면 양자화(Quantum)의 원리에 의해 물리적 특성이 변화하게 된다. 따라서 이러한 나노스케일의 이종접합구조는 새로운 양자현상을 이용하는 전자소자와 광소자를 개발하는데 응용된다.