국내 연구진, 2차원 반도체 결정 생성 위치 제어…고집적·저전력 AI 반도체 새 길 열었다

국내 연구진이 반도체 결정이 어디에서 자라기 시작할지를 설계하는 기술을 개발했다. 차세대 적층형 AI 반도체 구현의 기반이 될 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부는 한국과학기술원(KAIST) 강기범 교수와 울산과학기술원(UNIST) 김병조 교수, 한양대학교 김우희 교수, 티디에스이노베이션(TDS Innovation) 등이 참여한 공동연구팀이 2차원 반도체 결정의 생성 위치를 정밀하게 제어하는 소재 성장 기술을 개발했다고 8일 밝혔다. 연구 성과는 세계적 학술지인 「네이처」에 10월 8일 자로 게재됐다.

원자층 수준으로 얇은 2차원 반도체 소재는 기존 연산 회로 위에 반도체를 쌓아 올려 AI 칩의 성능을 끌어올리고 전력 소모를 줄일 수 있는 차세대 소재로 주목받는다. 다만 실제 칩에 쓰려면 필요한 위치에 품질이 균일한 반도체를 형성해야 한다.

문제는 결정이 자라는 시작점이었다. 원자들이 모여 만든 결정핵에서 결정이 자라나는데, 여러 곳에서 제각각 자란 결정이 서로 만나면 원자 배열이 어긋나는 경계가 생긴다. 이 경계는 전자 이동을 방해해 반도체 전체의 품질과 성능을 떨어뜨린다. 성장 영역을 미리 정하는 선택성장 기술이 있었지만, 그 안에서 결정핵이 어디에 생길지는 확률에 맡겨져 있었다.

연구팀은 성장 영역을 둘러싼 산화하프늄(HfO) 등 산화물 장벽에서 나오는 산소 성분이 이황화몰리브덴(MoS₂) 결정핵 형성을 억제한다는 점에 주목했다. 이 억제 작용이 장벽에 가까운 가장자리에서는 강하고 중앙에서는 약하게 나타나는 차이를 이용해, 중앙에 하나의 결정핵만 생기도록 유도한 것이다. 이렇게 자란 결정은 여러 결정이 맞닿는 경계 없이 하나로 이어지는 단결정이 된다.

실험 결과는 400개의 실험 패턴 가운데 99% 이상에서 성장 영역 중앙에 하나의 이황화몰리브덴 단결정을 형성하는 것으로 나타났다. 연구팀은 소재가 자라는 영역을 정하는 데 그치지 않고 성장이 시작되는 위치까지 설계할 수 있게 됐다는 점을 이번 성과의 의미로 꼽았다.

강기범 한국과학기술원(KAIST) 교수는 "이번 연구를 통해 2차원 반도체 성장 과정에서 결정이 어디에서 시작될지를 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 가능성을 확인했다"며 "앞으로는 이러한 원천기술을 바탕으로 2차원 반도체를 실제 반도체 제조 공정에 적용하고, 궁극적으로는 연산과 메모리를 수직으로 집적하는 차세대 AI 반도체 기술로 발전시키고자 한다"고 밝혔다.

이번 기술은 회로 설계에 맞춰 필요한 위치에 고품질 반도체를 직접 성장시키는 제조 기술로 발전해, 반도체 소자를 여러 층으로 쌓는 적층 공정의 기반이 될 것으로 기대된다. 특히 연산 처리 부분과 메모리를 수직으로 가깝게 배치하면 데이터 이동에 드는 시간과 에너지를 줄일 수 있어 데이터센터의 전력 부담을 완화하고 AI 서비스 응답 시간을 단축하는 데 도움이 될 전망이다.

김성수 과학기술정보통신부 연구개발정책실장은 "이번 성과는 반도체 소재의 형성 원리를 탐구하는 기초연구와 이를 활용한 원천기술 개발을 통해 반도체 제조 공정의 새로운 해법을 제시한 사례"라며 "연구자들의 창의적인 연구를 이어가고, 그 성과를 미래 산업에 필요한 핵심 기술로 발전시킬 수 있도록 지원을 아끼지 않을 것"이라고 밝혔다. 이번 연구는 과기정통부의 개인기초연구 사업과 나노소재기술개발 사업 등의 지원으로 수행됐다.