변형된 실리콘으로 만든 나노와이어

KISTI 『글로벌동향브리핑』 2010-01-10

실리콘 트랜지스터들이 점점 더 작아지기 때문에 컴퓨터는 점점 더 강력해지고 있다. 그러나 지난 40여년동안 비교적 같은 디자인을 유지해온 트랜지스터를 바꾸지 않고는 계속하여 작아지게 할 수는 없다. 오늘날 실리콘 트랜지스터를 이어받을 가능한 물질은 실리콘 나노와이어이다. 이 물질은 전기적으로 전도성 패드 사이에 기타 줄 같은 미세한 필라멘트가 달려있다. 그러나 실리콘 와이어는 컴퓨터 회로를 축소시킬 수 있을 만큼 충분히 작지만 고속 컴퓨팅을 위해서 충분한 전류를 통과시킬 수 있을지 의문시 되고 있다. 2008년 국제 전자 디바이스 회의에서 MIT의 마이크로 시스템 기술 연구소의 연구진은 기존보다 전자 이동도가 2배 더 큰 실리콘 나노와이어를 시연하였다. 이제 같은 그룹은 5개의 고성능 나노와이어를 각각의 위에 쌓아 올린 칩을 제작할 수 있음을 보여주었다. 그것은 나노와이어 트랜지스터가 칩상에 더 많은 면적을 차지하지 않고 5배나 더 많은 전류를 보낼 수 있다는 것을 의미한다. 이것은 실리콘 나노와이어 트랜지스터를 실현하는데 있어서 매우 중요한 단계이다. 트랜지스터는 기본적으로 스위치이다. 켜졌을 때 전류를 보내고 꺼졌을 때 전류를 차단한다. 스위치를 바꾸는 것은 트랜지스터에서 게이트라고 불리는 부분의 충전을 필요로 한다. 오늘날의 디자인에서 게이트는 트랜지스터의 맨 위에 놓여있다. 그러나 트랜지스터가 충분히 작아지면 전기는 게이트의 충전 여부에 상관없이 누전될 것이다. 실리콘 나노와이어는 공기중에 매달려 있기 때문에 마치 절연체가 전기와이어 주위를 감싸는 것처럼 게이트는 나노와이어 주위로 감싸질 수 있다. 그러나 나노와이어의 작은 단면적 때문에 전류가 통과할 수 있는 양에 제한이 발생한다. MIT 공대의 주디 호이트(Judy Hoyt) 교수와 동료 연구진은 실리콘 나노와이어 트랜지스터의 성능을 실리콘의 원자들의 자연적인 상태에서 보다 약간 더 떨어지게 만들어 전자들이 와이어를 더 자유롭게 흐르도록 함으로써 향상시켰다. 그와 같은 변형된 실리콘은 2003년 이후 기존의 트랜지스터의 성능을 향상시키는 데 사용되었다. 이들 연구진은 실리콘 기술에 변형을 부과함으로써 상당한 성능의 향상을 가져온 변형된 실리콘 기술을 이미 1990년대 초기부터 연구를 시작하여 선구자적인 역할을 하고 있다. MIT 연구진은 쌓아올린 나노와이어 트랜지스터를 제작하기 위하여 보통 실리콘 웨이퍼를 사용하여 그 위에 실리콘-게르마늄 혼합을 증착시켰다. 게르마늄 원자들은 실리콘 원자들 보다 크기 때문에 실리콘-게르마늄층에서 원자들간의 거리는 순수한 실리콘층에서보다 더 길다. 연구진이 혼합층위에 다른 실리콘층을 증착시켰을때, 실리콘 원자들은 그 아래에 있는 원자들과 정렬하여 약간 더 떨어지게 되었다. 변형된 실리콘 층은 두번째 실리콘 웨이퍼에 결합되고 다른 층들은 제거되어 두번째 웨이퍼가 변형된 실리콘의 기저층에 덮이게 된다. 연구진은 실리콘-게르마늄과 실리콘의 층들을 교대로 기저층 위에 쌓아서 변형을 실리콘의 각 연속적인 층에 전달할 수 있게 하였다. 전자빔 리소그라피라고 불리는 기술을 이용하여 연구진은 쌓인층에 미세한 선 패턴을 만들고 선들 사이의 물질을 에칭하여 제거하였다. 마지막으로 연구진은 남아있는 실리콘-게르마늄을 에칭하여 제거하고 매달린 실리콘 나노와이어의 몇 개 층만을 남겨놓았다. 연구진은 단지 8 나노미터의 직경을 가진 나노와이어를 제작하였다. 연구진은 상업용으로 제작된 칩안에서 볼 수 있는 변형보다 2배 더 큰 실리콘을 제작하였다. 연구진은 초기층의 게르마늄 비율을 증가시켜 더 많은 스트레스를 실리콘에 주었다고 말하였다. 연구진은 그들이 아래의 층을 잘라낸 후 이 변형을 유지할 수 있다는 것을 보여준 유일한 연구팀이라고 말하였다. 지금까지 연구진은 전자를 이동시킴으로써 전하가 운반되는 나노와이어 트랜지스터를 제작하였다. 그러나 계산 효율을 극대화시키기 위해서, 실제로 표준 컴퓨터 칩은 두 종류의 트랜지스터를 사용한다. 다른 종류에서 전하는 소위 정공에 의해서 운반된다. 정공은 결정 반도체 물질에서 전자가 빠진 것이다. 전자가 이 정공에 들어오면 결정에서 그 자신의 자리는 비게되고 다른 전자가 다시 그자리를 차지한다. 이런식으로 정공은 결정의 길이를 따라 움직이게 되는 것이다. 그와 같은 트랜지스터에서 정공의 이동도를 증가시키는 것은 다른 종류의 변형을 필요로 한다. 연구진은 이제 순수 실리콘의 사이에 있는 층들이 장력보다 압축을 야기하는 실리콘-게르마늄 혼합물 나노와이어 연구를 수행하고 있다. 첨부그림 1: 다른 갯수의 층으로 쌓여진 나노와이어의 다섯가지의 다른 테스트 구조 특성. 아래 구조는 한 개의 층만을 가지고 있으며 윗 구조는 다섯 개를 가지고 있다. 첨부그림 2: 나노와이어 회로를 가진 테스트 칩의 네 개의 연속적인 확대. (1) 수십개의 칩이 에칭된 웨이퍼. (2) 네 개 칩의 클로즈업. (3) 트랜지스터에서 두개 나노와이어의 단면적: 센터에는 나노와이어가 있으며 주위에는 게이트라고 불리는 트랜지스터 부품들이 있다. (4) 와이어의 클로즈업. strainingfor.jpg strainingfor2.jpg 출처 : http://www.physorg.com/print181997025.html