국내 연구진이 차세대 반도체 기술의 난제였던 열처리 공정의 한계를 극복하고, 레이저를 활용한 혁신적인 기술을 개발해 반도체 성능을 획기적으로 높이는 데 성공했다.

과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원을 받은 고려대학교 및 대구경북과학기술원 공동 연구팀이 최신 반도체 기술인 ‘모놀리식 3차원(Monolithic 3D, M3D)’ 적층 구조에서 고성능 트랜지스터를 구현하는 ‘완전 레이저 기반 공정’ 기술 개발에 성공했다.

이번 연구 결과는 반도체 소자 분야 최고 권위의 학술대회인 ‘VLSI 기술 심포지엄 2025’에서 발표될 예정이다.

VLSI 기술 심포지엄은 국제전자소자학회(IEDM)와 함께 대학 논문 채택률이 25% 미만으로 매우 낮아 최고 수준의 연구만이 발표되는 권위 있는 학회로 꼽힌다.

최근 인공지능(AI), 빅데이터 등 고성능 연산이 요구되는 분야에서 반도체 성능 향상이 중요한 과제가 되고 있다. 이에 따라 칩을 3차원으로 쌓아 집적도를 높이는 M3D 기술이 주목받고 있지만, 기존 공정에서 필수적인 고온 열처리 과정이 아래층 반도체 소자에 손상을 입히는 문제가 있었다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 반도체 제작 과정의 모든 공정을 레이저로 대체하는 혁신적인 접근 방식을 도입했다. 기존의 열처리 방식 없이 레이저를 이용해 고품질 실리콘 채널을 구현함으로써, 소자의 성능을 대폭 향상시킬 수 있음을 실험으로 입증했다.

연구팀은 패턴 기반 시드리스 레이저 결정화(PSLC) 기술을 적용해 단결정 시드를 사용하지 않고도 고품질 실리콘 채널을 형성하는 데 성공했다. 이를 통해 25마이크로미터(μm) 이상의 대형 결정립 크기를 확보하여 전자 이동 속도를 극대화했다.

또한 트랜지스터의 소스/드레인(S/D) 활성화 공정에도 레이저를 적용해 400℃ 이하의 낮은 온도에서도 불순물을 효과적으로 활성화했다.

이 기술은 기존 방식보다 더욱 정밀한 ‘초얕은 접합(Ultra-shallow Junction)’을 구현하여 소자의 전력 효율을 극대화하는 결과를 가져왔다.

실험 결과, 연구팀이 개발한 완전 레이저 기반 공정으로 제작된 M3D 트랜지스터는 기존 연구 결과를 뛰어넘는 성능을 보였다.

특히, 전류 온/오프 비(ION/IOFF) 1억대 1 이상, 전자의 이동도(NMOS) 521cm²/Vs, 정공의 이동도(PMOS) 163cm²/Vs를 기록하며 기존 기술 대비 월등히 높은 성능을 달성했다.

이번 연구를 주도한 고려대학교 유현용 교수와 DGIST 권혁준 교수는 “완전 레이저 기반 공정 기술은 M3D 기술의 상용화를 앞당기는 핵심 동력이 될 것”이라며 “6G 이동통신, 고성능 인공지능 칩 등 다양한 차세대 반도체 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

한편 본 연구는 차세대지능형반도체기술개발(소자)사업의 지원을 받아 수행됐다. 차세대지능형반도체기술개발사업은 과학기술정보통신부와 산업통상자원부의 범부처 R&D 사업으로 2020년부터 10년간 1조96억원이 투자되는 중장기 사업으로써 인공지능 반도체 설계 및 소자, 장비 개발을 목표로 하고 있다.