2026-08-09 온라인뉴스팀
Wccftech 및 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics) 8월 7일자 보도… 단층 이황화몰리브덴($MoS_2$) 채널 상에 0.42나노미터 초박형 알루미늄 산화막 형성 성공 / 기존 FinFET·GAAFET 물리적 한계 극복하고 0.7나노 채널 두께·3나노 미만 채널 길어서 전력 누설 및 전자 산란 현격히 저감 / 글로벌 2D 단층 반도체 공정 주도권 선점 및 1나노 이하 파운드리 패권 확고히
[익스퍼트인사이트 온라인뉴스팀] 세계 최대의 반도체 위탁생산(파운드리) 기업인 대만 TSMC가 대만 국립양명교통대학교(NYCU) 연구진과의 산학 공동 연구를 통해 1나노미터(nm) 미만의 차세대 초미세 반도체 공정 시대를 열 핵심 트랜지스터 제조 기술을 전격 개발했다. 현지시간 2026년 8월 7일 글로벌 IT 하드웨어 전문 매체 억프테크(Wccftech) 및 권위 있는 국제 학술지 ‘네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics, DOI: 10.1038/s41928-026-01672-7)’에 발표된 논문에 따르면, TSMC와 NYCU 연구진은 기존 실리콘 기반 3차원 트랜지스터의 물리적 한계를 극복하기 위해 2차원(2D) 단층 이황화몰리브덴($MoS_2$) 채널 표면에 초박형 에피택시 알루미늄(Epitaxial Aluminum) 층을 정밀 증착한 뒤 이를 자율 산화시켜 0.42나노미터 두께의 알루미늄 산화물($Al_2O_3$) 게이트 절연막을 일정하게 형성하는 데 성공했다. 이는 반도체 집적도가 양자역학적 한계선에 다다른 상황에서 트랜지스터 내부의 전력 누설과 전자 산란(Scattering) 현상을 극적으로 억제한 획기적 공학적 성과로, 글로벌 파운드리 업계의 섭-1나노(Sub-1nm) 초미세 공정 상용화 경쟁에서 TSMC가 독보적인 기술적 주도권을 확보했음을 시사한다.
현재 세계 주요 반도체 제조사들이 최첨단 3나노 및 2나노 공정에 적용 중인 트랜지스터 구조는 3차원 핀펫(FinFET) 및 게이트올어라운드(GAAFET) 방식이다. 그러나 반도체 회로의 선폭이 가파르게 줄어들고 채널 두께가 5나노미터 이하, 채널 길이가 3나노미터 미만으로 축소됨에 따라 기존 3차원 구조는 심각한 물리적 한계에 봉착했다. 채널 길이가 지나치게 짧아지면 게이트가 전자 흐름을 제대로 통제하지 못하는 단채널 효과(Short-Channel Effect)가 발생하고, 채널 두께가 3나노미터 이하로 얇아지면 채널을 통과하는 전자가 게이트와 직접 충돌하면서 전기적 저항이 급증하고 막대한 누설 전류가 발생하는 결함이 생긴다. 이로 인해 집적도를 높일수록 발열과 전력 소비가 폭증하여 기존 실리콘-게르마늄(SiGe) 기반 3차원 트랜지스터 구조로는 1나노미터 이하의 나노 공정으로 진입하는 것이 불가능하다는 평가를 받아왔다.
TSMC와 NYCU 연구팀은 이러한 한계를 허물기 위해 원자 한 층 두께에 불과한 2차원 단층 물질인 이황화몰리브덴($MoS_2$)을 채널 소재로 채택했다. 단층 $MoS_2$는 자체 두께가 약 0.7나노미터에 불과하면서도 우수한 전하 이동도와 높은 전류 제어 능력을 유지하여, 채널 두께를 0.7나노미터로 낮추고 채널 길이를 3나노미터 미만으로 축소하더라도 게이트 제어력을 극대화할 수 있는 꿈의 신소재로 꼽혀왔다. 그러나 기존의 원자층증착(ALD) 등 전형적인 제조 방식으로는 단층 $MoS_2$ 채널 위에 게이트 절연막(Dielectric Layer)을 입힐 때 표면의 불균일성으로 인해 게이트 절연막이 고르게 형성되지 않고 전류가 새어 나가는 고질적인 공정 결함이 발생했다.
연구팀은 게이트 절연 물질을 새로 개발하거나 복잡한 증착 방식을 시도하는 기존의 관성을 뒤엎고, 채널 표면 자체를 정밀하게 표면 개질(Surface Engineering)하는 혁신적인 역발상으로 문제를 해결했다. 연구진은 단층 $MoS_2$ 채널 표면에 초박형 에피택시 알루미늄 층을 도포한 후 자연스러운 산화 과정을 거치도록 유도함으로써, 0.42나노미터 두께의 균일하고 결함 없는 알루미늄 산화물 버퍼층을 완성해 냈다. 이렇게 형성된 알루미늄 산화막은 약 1나노미터 두께의 전통적 절연막과 동등한 정밀 전력 제어 성능을 보였으며, 트랜지스터 내 전자의 산란 현상을 최소화하고 저항을 현격히 낮추어 안정적인 동작 성능을 입증했다.
이번 연구 성과는 반도체 제조 기술이 2나노 시대를 넘어 1나노미터 및 0.7나노미터(A7) 앙스트롬(Angstrom) 시대로 진입하기 위한 가장 거대한 기술적 장벽 중 하나를 제거했다는 점에서 의미가 깊다. TSMC는 현재 2나노(N2) 공정의 양산 체제를 구축하고 있으며, 1.4나노(A14) 공정 도입을 속도감 있게 추진 중이다. 이번에 입증된 2D 단층 $MoS_2$ 기반 표면 개질 트랜지스터 공정 기술은 향후 2030년대를 관통할 1나노 이하(Sub-1nm) 미세 공정 로드맵의 핵심 기반 기술로 작동할 전망이다.
특히 파운드리 주도권을 두고 인텔, 삼성전자 등 경쟁사들과 치열한 패권 다툼을 벌이고 있는 상황에서, TSMC가 대만 최고의 공학 연구 기관인 국립양명교통대와 합작하여 2D 반도체 소재 및 절연막 표면 처리 분야에서 독보적인 원천 특허와 기술적 이정표를 선점했다는 사실은 시사하는 바가 크다. 인텔이 뒷면 전력 공급 기술(PowerVia)과 차세대 패키징으로 추적하고 삼성전자가 GAA 기술을 선제 도입했으나, TSMC는 이번 2D 트랜지스터 공정의 물리적 한계 돌파를 통해 차세대 반도체 제조 패권을 지켜낼 강력한 실리콘 방패(Silicon Shield)를 한층 더 견고히 구축하게 되었다.
결국 네이처 일렉트로닉스와 Wccftech를 통해 공개된 TSMC와 NYCU의 이번 기술적 대도약은 실리콘 한계에 다다른 반도체 산업이 2D 원자층 단층 소재와 미세 표면 개질 공정을 만났을 때 전대미문의 성능 폭발을 일으킬 수 있음을 입증한 역작이다. 0.42나노미터 알루미늄 산화막으로 전자의 이동을 완벽히 제어하고 0.7나노미터 채널 두께를 구현해 낸 이번 기술은, 향후 인공지능(AI) 슈퍼컴퓨팅, 자율주행, 온디바이스 AI 칩셋의 에너지 효율과 처리 속도를 전대미문의 차원으로 끌어올리며 1나노 미만 초미세 반도체 시대의 화려한 개막을 알리는 결정적 분수령으로 기록될 것이다.
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