3개 층으로 구성된 최초의 컴퓨터 칩
- 기술 / 문광주 기자 / 2024-01-16 12:00:23
3'30" 읽기
- 한 공정으로 조밀한 다층 칩을 생산할 수 있다.
- 2차원 반도체인 이황화 몰리브덴 또는 이셀레나이드 텅스텐을 사용해 가능
전자 부품의 점진적인 소형화는 한계가 있다. 적어도 일반적인 실리콘 트랜지스터의 경우에는 그렇다. 더 줄일 수 없다. 이것이 바로 게르마늄, 탄소 나노튜브 또는 유기 반도체뿐만 아니라 다층 마이크로칩으로 만들어진 새로운 트랜지스터의 형태를 포함해 전 세계적으로 새로운 개념이 모색되고 있는 이유다. "반도체 산업은 '무어 그 이상'을 달성하기 위해 3차원 적층으로 전환하고 있다"고 펜실베니아 주립 대학의 Darsith Jayachandran과 그의 동료들은 설명한다.
장점:
다층 3D 마이크로칩은 면적당 더 많은 트랜지스터를 갖기 때문에 더욱 소형화가 가능하다. “회로를 서로 쌓으면 그 사이의 거리가 줄어든다. 이는 또한 지연과 전력 소비를 줄여준다”고 공동 저자인 Rahul Pendurthi는 설명했다.
순차적으로 쌓는 것이 아닌 모놀리식
모놀리식 3D 칩은 특히 유망한 것으로 간주된다. 이는 이후에 서로 쌓이는 여러 층이 아니라 오히려 생산 중에 직접 단일 반도체 블록에 엠보싱 처리된 트랜지스터 층으로 구성된다. “모놀리식 3D 통합은 가장 높은 연결 밀도를 제공하고 정전기 결합을 줄인다”고 연구원은 설명했다.
그러나 실리콘의 경우 한 블록에 여러 개의 트랜지스터 층을 생산하는 것은 불가능하다. 하부 층이 생산되는 동안 실리콘 웨이퍼의 상부는 허용되는 최대 온도인 약 450도를 초과하게 된다. 그러나 더 적합한 대안은 그래핀, 이황화 몰리브덴(MoS2) 또는 이셀레나이드 텅스텐(WSe2)과 같은 2차원 반도체 재료가 될 수 있다. 이러한 재료는 원자층 두께가 1개에 불과하고 적층이 용이하며 이론적으로 특히 높은 트랜지스터 밀도를 가능하게 한다.
최초로 3개 층으로 구성된 트랜지스터
이제 Jayachandran과 그의 팀은 이러한 2차원 반도체에서 모놀리식 3D 마이크로칩을 더 큰 규모로 생산할 수도 있다는 것을 처음으로 시연했다. 연구를 위해 그들은 이황화 몰리브덴과 이셀레나이드 텅스텐으로 만들어진 3개의 서로 다른 3D 칩을 만들었다. 각 칩에는 층당 수천 개의 트랜지스터가 포함되어 있다. 반도체 층은 증기 증착을 통해 180도 미만에서 하나씩 생성되었으며 전자 빔 리소그래피를 사용하여 트랜지스터 구성 요소가 추가되었다.
이러한 모놀리식 3D 마이크로칩 중 가장 큰 것은 층당 이황화 몰리브덴으로 만들어진 최대 3만 개의 전계 효과 트랜지스터를 포함한다고 팀은 보고했다. 초기 테스트에서 이러한 트랜지스터는 높은 수직 밀도에도 불구하고 거의 간섭 없이 작동했다. Jayachandran과 그의 동료들에 따르면 웨이퍼 규모의 2D 재료로 이러한 3D 칩을 생산하는 것은 참신한 일이다. 그들은 이미 이 2층 3D 칩을 기반으로 첫 번째 회로를 구축했다.
또한, 연구팀은 이황화몰리브덴과 이셀레나이드텅스텐으로 만든 트랜지스터를 결합한 3층 3D 칩을 최초로 구성했다. 연구원들은 “우리가 아는 한, 3층 3D 칩이 시연된 것은 이번이 처음이다”고 썼다.
“무어 그 이상” 기술을 향한 첫걸음
과학자들에 따르면, 그들의 결과는 새로운 2차원 반도체 재료로 만들어진 모놀리식 3D 컴퓨터 칩의 길을 열었다. 이전에는 실험실 규모의 테스트만 있었지만 이제 제시된 3D 칩은 웨이퍼 규모에서도 생산이 가능하다는 것을 보여준다. 연구원들에 따르면 이는 단순한 연구와 산업적 응용 사이의 격차를 해소한다.
Duke University의 컴퓨터 과학자 Tania Roy도 비슷한 견해를 가지고 있다. "Jayachandran과 그의 동료들의 연구는 2D 재료 기반 기술을 향한 결정적인 단계다"고 그녀는 "Nature" 논평에서 썼다. "반도체 산업은 이제 그러한 2D 재료가 차세대 트랜지스터 채널의 탁월한 후보라는 충분한 증거를 가지고 있다.“
로이는 3D 칩의 기술과 구조가 여전히 개선되어야 한다고 하더라도 2D 반도체가 전자 기기의 더욱 소형화를 가능하게 하여 “무어보다 더 많은 것”을 가능하게 한다는 점에서 볼만한 것이 있다고 믿는다.
(Nature, 2024; doi: 10.1038/s41586-023-06860-5)
출처: Pennsylvania State University
- 한 공정으로 조밀한 다층 칩을 생산할 수 있다.
- 2차원 반도체인 이황화 몰리브덴 또는 이셀레나이드 텅스텐을 사용해 가능
3개 층으로 구성된 최초의 컴퓨터 칩
2차원 반도체로 만든 적층형 트랜지스터로 '무어 그 이상의' 기술 가능
실리콘의 후계자? 연구진이 처음으로 반도체 실리콘 없이 수만 개의 트랜지스터가 여러 층으로 적층된 컴퓨터 칩을 생산했다. 이러한 모놀리식 3D 칩의 생산은 2차원 반도체인 이황화 몰리브덴 또는 이셀레나이드 텅스텐을 사용해 가능해졌다. 실리콘과 달리 이러한 단일층 재료는 한 공정으로 조밀한 다층 칩을 생산할 수 있다고 연구팀이 Nature에 보고했다.
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| ▲ 2차원 반도체 소재로 만든 트랜지스터를 사용하면 컴퓨터 칩을 다층화할 수 있다. © Elizabeth Flores-Gomez Murray/Penn State 소재 연구소 |
전자 부품의 점진적인 소형화는 한계가 있다. 적어도 일반적인 실리콘 트랜지스터의 경우에는 그렇다. 더 줄일 수 없다. 이것이 바로 게르마늄, 탄소 나노튜브 또는 유기 반도체뿐만 아니라 다층 마이크로칩으로 만들어진 새로운 트랜지스터의 형태를 포함해 전 세계적으로 새로운 개념이 모색되고 있는 이유다. "반도체 산업은 '무어 그 이상'을 달성하기 위해 3차원 적층으로 전환하고 있다"고 펜실베니아 주립 대학의 Darsith Jayachandran과 그의 동료들은 설명한다.
장점:
다층 3D 마이크로칩은 면적당 더 많은 트랜지스터를 갖기 때문에 더욱 소형화가 가능하다. “회로를 서로 쌓으면 그 사이의 거리가 줄어든다. 이는 또한 지연과 전력 소비를 줄여준다”고 공동 저자인 Rahul Pendurthi는 설명했다.
순차적으로 쌓는 것이 아닌 모놀리식
모놀리식 3D 칩은 특히 유망한 것으로 간주된다. 이는 이후에 서로 쌓이는 여러 층이 아니라 오히려 생산 중에 직접 단일 반도체 블록에 엠보싱 처리된 트랜지스터 층으로 구성된다. “모놀리식 3D 통합은 가장 높은 연결 밀도를 제공하고 정전기 결합을 줄인다”고 연구원은 설명했다.
그러나 실리콘의 경우 한 블록에 여러 개의 트랜지스터 층을 생산하는 것은 불가능하다. 하부 층이 생산되는 동안 실리콘 웨이퍼의 상부는 허용되는 최대 온도인 약 450도를 초과하게 된다. 그러나 더 적합한 대안은 그래핀, 이황화 몰리브덴(MoS2) 또는 이셀레나이드 텅스텐(WSe2)과 같은 2차원 반도체 재료가 될 수 있다. 이러한 재료는 원자층 두께가 1개에 불과하고 적층이 용이하며 이론적으로 특히 높은 트랜지스터 밀도를 가능하게 한다.
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| ▲ 2D 반도체 이황화 몰리브덴은 단 한 분자 두께의 층을 형성한다. © Andif1/CC-by-sa 4.0 |
최초로 3개 층으로 구성된 트랜지스터
이제 Jayachandran과 그의 팀은 이러한 2차원 반도체에서 모놀리식 3D 마이크로칩을 더 큰 규모로 생산할 수도 있다는 것을 처음으로 시연했다. 연구를 위해 그들은 이황화 몰리브덴과 이셀레나이드 텅스텐으로 만들어진 3개의 서로 다른 3D 칩을 만들었다. 각 칩에는 층당 수천 개의 트랜지스터가 포함되어 있다. 반도체 층은 증기 증착을 통해 180도 미만에서 하나씩 생성되었으며 전자 빔 리소그래피를 사용하여 트랜지스터 구성 요소가 추가되었다.
이러한 모놀리식 3D 마이크로칩 중 가장 큰 것은 층당 이황화 몰리브덴으로 만들어진 최대 3만 개의 전계 효과 트랜지스터를 포함한다고 팀은 보고했다. 초기 테스트에서 이러한 트랜지스터는 높은 수직 밀도에도 불구하고 거의 간섭 없이 작동했다. Jayachandran과 그의 동료들에 따르면 웨이퍼 규모의 2D 재료로 이러한 3D 칩을 생산하는 것은 참신한 일이다. 그들은 이미 이 2층 3D 칩을 기반으로 첫 번째 회로를 구축했다.
또한, 연구팀은 이황화몰리브덴과 이셀레나이드텅스텐으로 만든 트랜지스터를 결합한 3층 3D 칩을 최초로 구성했다. 연구원들은 “우리가 아는 한, 3층 3D 칩이 시연된 것은 이번이 처음이다”고 썼다.
“무어 그 이상” 기술을 향한 첫걸음
과학자들에 따르면, 그들의 결과는 새로운 2차원 반도체 재료로 만들어진 모놀리식 3D 컴퓨터 칩의 길을 열었다. 이전에는 실험실 규모의 테스트만 있었지만 이제 제시된 3D 칩은 웨이퍼 규모에서도 생산이 가능하다는 것을 보여준다. 연구원들에 따르면 이는 단순한 연구와 산업적 응용 사이의 격차를 해소한다.
Duke University의 컴퓨터 과학자 Tania Roy도 비슷한 견해를 가지고 있다. "Jayachandran과 그의 동료들의 연구는 2D 재료 기반 기술을 향한 결정적인 단계다"고 그녀는 "Nature" 논평에서 썼다. "반도체 산업은 이제 그러한 2D 재료가 차세대 트랜지스터 채널의 탁월한 후보라는 충분한 증거를 가지고 있다.“
로이는 3D 칩의 기술과 구조가 여전히 개선되어야 한다고 하더라도 2D 반도체가 전자 기기의 더욱 소형화를 가능하게 하여 “무어보다 더 많은 것”을 가능하게 한다는 점에서 볼만한 것이 있다고 믿는다.
(Nature, 2024; doi: 10.1038/s41586-023-06860-5)
출처: Pennsylvania State University
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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