시스템 반도체 초격차 나서는 삼성, 저전력·고성능 트랜지스터 기술 개발

[이데일리 김응열 기자] 삼성전자가 차세대 반도체 소재로 주목받는 강유전 물질 기반으로 시스템 반도체 구현에 성공하며 기술 경쟁력을 한 단계 더 끌어올렸다.

삼성전자 SAIT(Samsung Advanced Institute of Technology)는 강유전 물질 기반의 시스템 반도체 구현 연구가 우수성을 인정받아 글로벌 학술지 네이처 일렉트로닉스에 게재됐다고 1일 밝혔다.

차세대 소재 강유전 기반 시스템 반도체를 구현한 삼성전자 SAIT 연구진. (사진=삼성전자)

SAIT와 삼성전자 DS부문 반도체연구소 임직원들은 미세화하는 트랜지스터에서 누설 전류를 최소화하면서 성능은 높이는 강유전 물질 기반의 시스템 반도체 상용화 가능성을 세계 최초로 검증한 성과를 올렸다.

최근 고성능의 인공지능(AI) 서비스 등이 확산되면서 컴퓨팅 시스템에서 데이터의 연산 및 처리 기능을 하는 시스템 반도체 성능이 중요해지고 있다. 반도체업계는 시스템 반도체 성능 향상을 위해 트랜지스터를 미세화하고 집적도를 높이고 있다.

트랜지스터에서 전류 흐름을 제어하는 게이트에는 전압이 걸리면 전하를 끌어 모으고 전류가 밖으로 빠져나가지 못하도록 하는 절연막이 있다. 절연막은 반도체 칩이 작아지면서 덩달아 두께도 얇아졌는데, 이에 누설 전류도 함께 증가하는 문제가 생겼다.

이를 해결하기 위해 SAIT는 절연막에 활용되는 고유전 물질을 신소재인 강유전 물질로 대체했다. 강유전 물질은 고유전 물질과 비교해 누설 전류 증가 없이 동작 전압만 감소시킬 수 있고 결과적으로 트랜지스터의 소비 전력을 크게 줄일 수 있다.

뿐만 아니라 전력 효율도 크게 높여 저젼력으로도 높은 성능을 내는 트랜지스터를 구현할 수 있다. 기존 고유전 물질 반도체 대비 소비 전력을 최대 33%까지 낮출 수 있고 큰 비용 증가 없이도 기존 반도체 기술과 접목 가능하다. SAIT는 1000조회 이상의 테스트를 거치며 안정적인 동작을 확인해 세계 최고 수준의 신뢰성도 증명했다.

조상현 삼성전자 SAIT 조상현 연구원(공동 1저자)은 “이번 연구는 강유전 물질의 음의 전기용량(NC) 효과를 실험적으로 검증한 것과 더불어 차세대 저전력·고성능 시스템 반도체 소자의 상용화 가능성을 확인했다는 데 의미가 크다”며 “강유전체 박막 성장 및 소자 기술을 더욱 개선해 우리 회사 파운드리 사업의 핵심 미래 기술이 되길 기대한다”고 말했다.