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해외동향기술

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최소형 3-D 트랜지스터 생산 ndsl 상세보기

과학기술분류

전기/전자;재료

저자

KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

키워드

1. 트랜지스터,열적 원자층 식각,핀펫,리간드 교환,인듐 갈륨 비소 2. transistor,thermal ALE,FinFET,ligand exchange,InGaAs

등록일

20181211

NDSL OPENAPI

초록
MIT와 콜로라도 대학의 연구원들은 오늘날 가장 작은 상업용 모델의 절반 크기보다 작은 3-D 트랜지스터를 제작했다. 그렇게 하기 위해, 그들은 반도체 원자를 원자 단위로 변형시키는 새로운 미세 가공 기술을 개발했다. 이 연구의 영감은 무어의 법칙 (1960 년대에 집적 회로상의 트랜지스터의 수가 약 2 년마다 2 배가 된다)을 따라 잡는 것이었다. 전자 공학의 이러한 '황금률'을 고수하기 위해 연구자들은 가능한 한 많은 트랜지스터를 마이크로 칩에 쌓는 방법을 끊임없이 찾고 있다. 가장 최근 트렌드는 핀처럼 세로로 세워진 3 차원 트랜지스터이며, 인간의 머리카락보다 수만 배나 얇은 약 7 나노 미터 크기이다. 이러한 수십억 개의 트랜지스터는 손톱만한 크기의 단일 마이크로 칩에 들어갈 수 있다. 최근 IEEE 국제 전자 장치 회의에서 발표된 논문에서 연구원들은 원자 수준에서 반도체 재료의 정밀한 수정을 가능하게 하기 위해 열적 원자 수준 에칭 (열적 ALE)이라고 불리는 최근 발명된 화학적 에칭 기술을 개선했다. 이 기술을 사용하여 연구자들은 상업용 제품보다 2.5 나노 미터나 좁은 3 차원 트랜지스터를 제작했다. 오늘날에도 유사한 원자 수준의 에칭 방법이 존재하지만 새로운 기술은 보다 정확하고 고품질의 트랜지스터를 생산한다. 또한, 재료에 원자 층을 증착하는데 사용되는 일반적인 마이크로 제작 도구를 재사용한다. 즉, 신속하게 통합될 수 있다. 이것은 훨씬 더 많은 트랜지스터와 더 높은 성능을 가진 컴퓨터 칩을 가능하게 할 것이다. 이 연구 결과가 실제로 큰 영향을 줄 것이다. 무어의 법칙이 트랜지스터 크기를 계속해서 축소시키면서 나노 크기의 디바이스를 제조하기가 더 어렵다. 더 작은 트랜지스터를 설계하려면 원자 수준의 정밀도로 재료를 조작할 수 있어야 한다. 미세 가공은 증착 (기판 상에 필름을 성장 시킴) 및 에칭 (표면 상에 패턴을 조각 함)을 포함한다. 트랜지스터를 형성하기 위해, 기판 표면은 트랜지스터의 모양 및 구조로 포토 마스크를 통해 빛에 노출된다. 빛에 노출된 모든 물질은 화학 물질로 에칭될 수 있으며 포토 마스크 뒤에 숨겨진 물질은 남아 있다. 미세 제작을 위한 최첨단 기술은 원자층 증착 (ALD) 및 원자층 에칭 (ALE)으로 알려져 있다. ALD에서 두 가지 화학 물질이 기판 표면에 증착되고 진공 반응기에서 서로 반응하여 원하는 두께의 필름을 한 번에 하나의 원자층으로 형성한다. 전통적인 ALE 기술은 재료의 표면에있는 개별 원자를 제거하는 고 에너지 이온으로 플라즈마를 사용한다. 그러나 이것은 표면 손상의 원인이 된다. 또한 이러한 방법은 재료가 공기에 노출되어 산화가 성능을 저해하는 추가 결함을 유발한다. 연구팀은 ALD와 매우 흡사하며 '리간드 교환 (ligand exchange)'이라는 화학 반응에 의존하는 열적 ALE를 발명했다.이 과정에서 금속 원자에 결합하는 리간드라고 불리는 화합물 하나의 이온이 다른 화합물의 리간드로 대체된다. 화학 약품이 제거되면 반응에 의해 대체 리간드가 표면의 개별 원자를 제거한다. 아직 초기 단계에 있지만 열 ALE는 산화물을 에칭하는데만 사용되어 왔다. 이 새로운 연구에서 연구자들은 ALD 용으로 준비된 동일한 원자로를 사용하여 열적 ALE를 반도체 재료로 작업하도록 수정했다. 그들은 인듐 갈륨 비소 (또는 InGaAs) 라 불리는 합금된 반도체 재료를 사용했는데, 이는 실리콘에 대한 보다 빠르고 효율적인 대안으로 높이 평가되고 있다. 연구자들은 표면에 금속 불소의 원자 층을 형성하는 원래의 열 ALE 작업에 사용된 화합물인 불화 수소에 이 물질을 노출시켰다. 그런 다음 디메틸 알루미늄 클로라이드 (DMAC)라고 불리는 유기 화합물에 넣었다. 리간드-교환 공정은 금속 불화물 층상에서 발생한다. DMAC가 제거되면 개별 원자가 노출된다. 실험에서 연구자들은 한 번에 물질의 표면에서 0.02 나노 미터 만 제거했다. 매 사이클마다 재료의 나노 미터의 2 % 만 제거할 수 있다. 그것은 프로세스의 초정밀하고 세밀한 통제를 제공한다. 이 기술은 ALD와 매우 유사하기 때문에 ALE를 열 증착과 동일한 원자로에 통합할 수 있다. 그것은 단지 에칭 후 즉시 증착을 하기 위해 새로운 가스를 처리하기 위한 '증착 도구의 작은 재 설계'를 필요로 한다. 이 기술을 사용하여 연구원들은 오늘날 상업용 전자 장치 중 많은 곳에서 사용되는 3-D 트랜지스터 인 FinFET을 제작했다. FinFET은 기판 위에 수직으로 서 있는 실리콘의 얇은 '핀'으로 구성된다. 게이트는 본질적으로 Fin 주위를 둘러 싼다. 수직형으로 인해 70 억 ~ 300 억 개의 FinFET이 칩에 집어 넣을 수 있다. 올 해 현재 Apple, Qualcomm 및 기타 기술 업체는 7 나노 미터 FinFET을 사용하기 시작했다. 연구자들의 FinFET의 대부분은 폭 5 나노 미터-산업 전반에 걸쳐 원하는 문턱- 및 높이 220 나노 미터로 측정되었다. 또한,이 기술은 트랜지스터의 효율성을 떨어 뜨리는 산소에 의한 결함에 대한 재료의 노출을 제한한다. 이 디바이스는 '트랜스 컨덕턴스'에서 전통적인 FinFET보다 약 60 % 우수한 성능을 보였다. 트랜지스터는 작은 전압 입력을 게이트에서 전달되는 전류로 변환하여 트랜지스터를 켜거나 꺼서 연산을 수행하는 1 (on) 및 0 (off)를 처리한다. 트랜스 컨덕턴스는 해당 전압을 변환하는데 필요한 에너지를 결정한다. 결함을 제한하면 온-오프 (on-off) 대비가 높아진다는 연구 결과가 나왔다. 이상적으로는, 트랜지스터가 켜져있을 때 고전류가 흐르고, 과중한 계산을 처리하고 에너지를 절약하기 위해 전류가 거의 흐르지 않게 해야 한다. 그 대비는 효율적인 로직 스위치와 매우 효율적인 마이크로 프로세서를 만드는 데 필수적이다.'