KAIST-포스텍, 비아홀없이 다층 금속 집적 반도체 제작 기술 개발...효과는?

국내 기술진이 기존 비아홀 방식에서 벗어난 신개념 상호연결 기술을 개발해 5층 이상 유기 집적회로(IC)를 구현하는 데 성공했다. 연구진은 금속의 수직 상호 연결을 위해 공간을 뚫는 작업인 비아홀 공정(via-hole, vertical interconnect access hole) 대신 유기물 반도체의 손상없이 안정적인 금속 전극 접속할 수 있도록 패턴된 절연막을 직접 쌓는 신개념 공정 개발에 성공했다. 이를 통해 5층 이상의 3차원 고성능 유기 집적회로(IC)를 구현했다.

KAIST는 이 대학 임성갑 생명화학공학과 교수와 김재준 포스텍(총장 김도연) 창의IT융합공학과 교수 공동 연구팀이 비아홀 공정 없이도 금속을 다중으로 상호 연결할 수 있는 기술을 개발했다고 발표했다. 비아홀이란 다층 프린트기판 내에서 부품을 삽입하지 않은 채, 2층 또는 그 이상의 내부 도체 간 접속에 이용되는 도금 쓰루 홀(through hole)을 말한다.
특히 연구팀은 ‘개시제를 이용한 화학 기상 증착법(iCVD: initiated chemical vapor deposition)’을 통해 얇고 균일한 절연막 패턴을 활용해 안정적인 트랜지스터 및 집적회로를 구현하는 데 성공했다. 공동 연구팀은 긴밀한 협력을 통해 개발한 금속 상호 연결 방법이 유기물 손상 없이 100%에 가까운 소자 수율로 유기 트랜지스터를 제작할 수 있음을 확인했다. 제작된 트랜지스터는 탁월한 소자 신뢰성 및 균일성을 보여 유기 집적회로 제작에 큰 역할을 했다.


연구팀은 수직적으로 분포된 트랜지스터들을 상호 연결해 인버터, 낸드, 노어 등 다양한 디지털 논리 회로를 구현하는 데 성공했다. 또한, 효과적인 금속 상호 연결을 위한 레이아웃 디자인 규칙을 제안했다. 이러한 성과는 향후 유기 반도체 기반 집적회로 구현 연구에 유용한 지침이 될 것으로 기대된다.
유기 트랜지스터는 구부리거나 접어도 그 특성을 그대로 유지할 수 있는 장점 덕분에 유연(flexible) 디스플레이 및 웨어러블 센서 등 다양한 분야에 적용할 수 있다. 그러나 이러한 유기물 반도체는 화학적 용매, 플라즈마, 고온 등에 의해 쉽게 손상되는 문제점 때문에 일반적인 식각 공정을 적용할 수 없어 유기 트랜지스터 기반 집적회로 구현의 걸림돌로 여겨졌다.

유호천 박사와 박홍근 박사과정 학생이 공동 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications) 6월 3일 자 온라인판에 게재됐다. 논문명은 ‘비아홀 없이 다층 금속 상호 연결을 할 수 있는 고집적 3D 유기 집적 회로(Highly stacked 3D organic integrated circuits with via-hole-less multilevel metal interconnects)’다.

연구책임자인 김재준 포스텍 교수는 “패터닝된 절연막을 이용하는 발상의 전환이 유기 집적회로로 가기 위한 핵심 기술의 원천이 됐다”며 “향후 유기 반도체 뿐 아니라 다양한 반도체 집적회로 구현의 핵심적인 역할을 할 것으로 기대한다”고 말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단과 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.


이재구 글로벌이코노믹 기자 jklee@g-enews.com