“반도체 집적 한계 돌파구 찾았다” 단일 공정 3차원 모놀리식 집적 AI 반도체 소자 개발

- 3차원 모놀리식 집적 소자 및 차세대 인공지능 반도체 연구 가속화 기대

성균관대학교(총장 유지범) 기계공학부 김태성 교수 연구팀이 단일 플라즈마 공정을 통해 나노 결정과 반데르발스 격자로 구성된 2D/3D 이종접합을 형성해, 기존 반도체의 3차원 적층 기술의 한계를 극복한 모놀리식 집적 반데르발스 시냅틱 메모리 소자를 개발했다고 발했다.

인공지능(AI)과 초연결 사회의 도래로, 방대한 데이터를 실시간으로 처리할 수 있는 차세대 AI 반도체 하드웨어의 필요성이 커지고 있다. 특히 기억 기능과 연산 기능을 동시에 수행할 수 있는 뉴로모픽 메모리 소자는 인간 뇌의 시냅스 동작을 모사할 수 있어, 에너지 효율성과 집적도 측면에서 큰 주목을 받고 있다. 기존의 전하 기반 메모리 기술은 CMOS 공정을 통해 성능 향상을 이뤄왔지만, 전력 소모와 집적도의 한계로 인해 차세대 인공지능 반도체로 활용하기에는 근본적인 제약이 있었다. 이러한 한계를 극복하기 위한 대안으로 저항 변화를 이용한 메모리(ReRAM)가 제시되었다. 단순한 금속-절연체-금속(MIM) 구조를 기반으로 하는 ReRAM은 크로스바(crossbar) 배열과의 높은 호환성 덕분에 미래형 인메모리 컴퓨팅 소자로 주목받고 있다.

그러나 기존의 다결정 금속 산화물 기반 소자는 결정립계(grain boundary)를 통한 누설 전류와 불균일한 전도 필라멘트 형성으로 인해 안정성과 신뢰성이 낮아 장기적인 내구성과 대규모 집적에는 한계가 존재했다. 반도체 산업계는 이를 해결하기 위해 3차원 집적(3D integration) 기술에 집중해왔다. 메모리, 로직, 광소자 등 다양한 기능 소자를 수직으로 적층하는 방식인 이종 집적(3DHI)은 공간 활용과 성능 향상에 유리하지만, 실리콘 관통전극(TSV)이나 웨이퍼 본딩에 기반한 공정은 제조 복잡성과 정렬 오차 문제를 피하기 어렵다. 이에 대한 대안으로 모놀리식 3차원 집적(M3D) 기술이 제안되었지만, 기존 재료의 기계적 취약성과 내부 응력은 박막 전사 및 적층 과정 등이 치명적인 한계점으로 작용했다. 이러한 상황에서 주목받는 것이 바로 2차원 반데르발스(vdW) 물질로, 원자층 수준의 얇은 두께와 뛰어난 기계적 유연성, 그리고 높은 응력 저항성을 지닌 구조적 특성 덕분에, 반데르발스 물질은 모놀리식 집적에 최적화된 플랫폼을 제공한다. 다만, 상용화를 위해서는 여전히 반데르발스 격자의 정밀한 적층 제어 기술, 계면 내 결함 및 기계적 격자 불일치 문제, 대면적 합성 등의 한계점을 해결해야 하는 과제가 남아 있다.

이러한 한계점을 해결하기 위해, 국내 연구진은 반데르발스 물질 기반의 3차원 모놀리식 집적형 메모리 소자 개발에 성공하며 반도체 기술의 새로운 전환점을 마련했다. 이번 연구에서는 기존 반데르발스 적층 방식의 한계를 뛰어넘어, 단일 플라즈마 황화 공정을 통해 반데르발스 격자 내 2D/3D 이종 집적구조체 기반의 뉴로모픽 반도체 소자를 구현했다는 점에서 의미가 크다. 연구진은 플라즈마 특성 제어를 통해 아르곤(Ar)과 황화수소(H₂S)의 '이온 페닝 효과(Ion Penning effect)'와 ‘이온 침투 현상(Intercalation)’을 제어함으로써, 별도의 증착 및 배선 등 별도의 추가 공정 없이도 반데르발스 격자에서 직접적으로 3차원 모놀리식 집적을 구현할 수 있었다.

이를 검증하기 위해 연구진은 주사투과전자현미경(STEM), X선 광전자분광법(XPS), 라만 분광법, 전도성 원자힘현미경(C-AFM), 주사 터널링 현미경 (STM) 등 다양한 정밀 분석 기법을 통해 해당 소자의 구조적 안정성과 전기적 균일성을 규명하였다.  나노 결정층과 벌크 격자의 계면에서 발생하는 전자 이동도의 이질성을 기반으로 생물학적 시냅스와 유사한 장기강화(LTP) 및 장기억제(LTD) 특성을 모사 및 아날로그 시냅틱 가중치 업데이트를 구현하여 기존 이종 집적(heterogeneous integration) 방식에서 불가피했던 계면 불일치(interface mismatch)와 누설 전류 문제를 해결하였다. 또한, 주사 터널링 현미경 (STM) 기반의 dI/dV 측정을 기반으로 밴드갭이 나노 결정층과 벌크 격자 간의 비율 및 게이트 전압에 따라 증가하는 "bandgap widening" 현상도 관측하였다. 또한, 양방향(bipolar) 스위칭 특성이 1.8×10⁷회 이상의 스위칭 사이클 동안 안정적으로 유지되어 해당 소자의 내구성까지 입증하였다.

이러한 반데르발스 나노결정화는 적층 순서, 층 수, 격자 구조에 구애받지 않고 적용 가능하다는 점에서 본 연구는 기존의 이종 웨이퍼 접합이나 복잡한 다층 적층 공정을 대체할 수 있는 새로운 3차원 집적 플랫폼을 제시할 것으로 기대된다. 연구 책임자 김태성 교수는 "단일 공정 기반의 반데르발스 시냅틱 메모리는 기존 실리콘 기반 3차원 집적 기술의 복잡한 제조 공정 및 물리적 제약을 근본적으로 극복할 수 있는 보편적 플랫폼이라는 점에서 큰 기술적 의의가 있다" 라고 밝혔다.

본 연구에는 기초과학연구원 (IBS) 양자나노과학 연구단, Washington University in St. Louis, 한국기계연구원, 파크시스템스 R&D 센터가 공동 연구진으로 참여하였으며, 해당 연구 성과는 세계적인 국제학술지 "Advanced Science"에 8월 29일 게재되었다.

논문명: Monolithically-integrated van der Waals Synaptic Memory via Bulk Nano-crystallization

저자명: (왼쪽부터) 교신저자 김태성 교수, 제1저자 이진형 석박통합과정, 김건형 석사과정, 석현호 박사후연구원, 한수정 석사과정

논문 링크: https://doi.org/10.1002/advs.202510961

반데르발스 구조 (van der Waals structure): 반데르발스 힘으로 결합된 층상 구조

▲ 나노결정화로 구현된 반데르발스 2D/3D 이종 집적구조체 기반의 시냅틱 메모리 (사진제공=성균관대학교)

▲ (왼쪽부터) 교신저자 김태성 교수, 제1저자 이진형 석박통합과정, 김건형 석사과정, 석현호 박사후연구원, 한수정 석사과정 (사진제공=성균관대학교)