IBM의 연구팀은 현행의 표준적인 반도체 프로세스를 사용하여 탄소나노튜브를 이용한 트랜지스터 소자를 1매의 칩에 1만개 이상 제조하는 것에 성공했다고 발표하였다. 이러한 성과는 세계 최초이며 실리콘의 다음을 잇는 반도체 재료로서 기대되는 카본 나노튜브 기반의 집적회로(IC)의 상용화를 크게 진전시킨다고 주장하고 있다.

실리콘(규소, Si) 재료를 사용한 트랜지스터는 현재 미세화가 물리적인 한계에 가까워지고 있다. 연면(連綿)과 계속되어 온 미세화의 대처에 의해 물리적인 치수가 나노스케일의 영역에 이르고 있다. 실리콘의 물성이나 물리 법칙의 면에서 보아도 지금까지와 동일한 성능 향상을 이제 얻을 수 없게 될 것이다. 기존과 같은 실리콘 트랜지스터의 미세화는 앞으로 수세대에 한계를 맞이한다는 것이 업계의 견해이다.

따라서 차세대 반도체 재료의 하나로서 기대되고 있는 것이 탄소나노튜브이다. 이것을 이용한 트랜지스터 소자를 IC(집적회로)화하는 대처에 새로운 진전이 있었다.

IBM의 연구팀은 현행의 표준적인 반도체 프로세스를 사용하고 나노튜브를 이용한 트랜지스터 소자를 1매의 칩에 1만개 이상 집적하는 것에 성공했다고 발표하였다. IBM은 이러한 성과는 세계 최초이며 탄소나노튜브 기반 IC의 상용화의 길을 여는 것이라고 주장하고 있다.

탄소나노튜브는 머지않아 반도체 재료로서 실리콘를 대체하여 반도체 칩의 소형화가 향후에도 기존과 같이 계속되게 된다. 이와 같이 보는 방향은 적지 않다. 과학자 등에 따르면 탄소나노튜브는 실리콘보다 뛰어난 전기적 특성을 갖추고 있고 특히, 크기가 불과 원자 직경의 수십 배라고 하는 나노스케일의 트랜지스터 소자를 실현하는 유력한 후보가 된다고 한다.

IBM은 “탄소나노튜브가 트랜지스터 소자의 코어가 되는 부분을 형성하여 기존의 실리콘 트랜지스터와 같은 기능을, 혹은 그것을 웃도는 성능을 완수할 수 있다”고 설명한다.

이미 IBM의 연구팀은 2012년의 전반기에 크기가 10 nm 이하라는 분자 레벨이면서 뛰어난 특성의 스위칭 소자로서 기능하는 탄소나노튜브 트랜지스터의 실증을 끝낸 상태이다. 이 사이즈는 인간의 모발 직경의 1만 분의 1에 상당하여 최첨단의 실리콘 트랜지스터의 반에도 못 미친다고 한다. 다만 IBM에 따르면 지금까지 세계에서 보고되고 있는 성과에서는 한 번에 만들 수 있는 탄소나노튜브 트랜지스터의 수는 최대라도 수백 개에 머무르고 있어 IC로서의 상용화를 위한 큰 과제를 넘으려면 불충분하였다.

IBM이 개발한 새로운 수법을 이용하면 수많은 탄소나노튜브 트랜지스터를 웨이퍼 상의 미리 설정한 위치에 제작하는 것이 향후 가능하게 된다고 한다. 상용 칩으로서 실용화하려면 10억 개 이상의 탄소나노튜브 트랜지스터를 만들 필요가 있다고 IBM는 강조하고 있다.

IBM의 연구부문인 IBM Research에서 물리과학 담당 디렉터를 맡는 Supratik Guha는 보도 발표 자료 중에서 “탄소나노튜브 트랜지스터는 물리 치수가 나노 스케일이라는 매우 작은 영역에 있고 다른 재료를 이용한 트랜지스터보다 우수한 특성을 얻을 수 있다. 다만 해결해야 할 과제도 있다. 탄소나노튜브를 지극히 높은 순도로 정제하거나 나노스케일로 높은 정밀도로 배치하거나 하는 과제이다. IBM은 이러한 과제의 해결을 위하여 큰 진전을 이루고 있다”고 말했다.

IBM은 상술한 대로 탄소나노튜브 기술의 실용화를 가로막는 장벽으로서 재료의 순도나 트랜지스터 소자의 배치 등의 과제가 있다고 보고 있다. 탄소나노튜브는 금속성의 것과 반도체성의 것이 섞여 존재하고 있기 때문에 전자 회로를 형성하려면 웨이퍼 상에 완전한 정밀도로 배치할 필요가 있다.

IBM에 따르면. 트랜지스터 소자로서의 동작에 이용할 수 있는 것은 반도체성 나노튜브이어서 이로 인해 회로 중의 에러를 막기 위해서 금속성의 나노튜브를 완전하게 제거해야 한다. 그리고 대규모 집적회로를 형성하려면 기판 상에 있는 탄소나노튜브 소자의 배치나 방향을 제어할 수 있는 것이 필수조건이 된다.

이러한 과제를 극복할 수 있도록 IBM의 연구 그룹은 이번에 이온 교환체를 이용하는 수법을 개발하였다. 이 수법을 사용하면 탄소나노튜브를 기판 상에 고밀도로 방향을 정확하게 제어하면서 배치할 수 있다고 설명한다. 구체적으로는 나노튜브 하나하나의 배치를 제어하여 1㎠당 약 10억 개의 밀도를 달성했다고 한다.

이번 수법에서는 탄소나노튜브를 물에 녹이기 쉽게 하기 위해서 비누의 일종인 계면활성제를 탄소나노튜브에 혼합한다. 한편 기판에 화학 수식한 산화 하프늄(Hafnium(IV) oxide)과 산화 규소 2종류의 산화물로부터 구성되는 트렌치((trench))를 형성한다. 기판을 옆에서 보면 표면에 凹형의 트렌치가 있고 산화 하프늄의 영역이 그 움푹한 곳의 부분이 된다.

이 기판을 탄소나노튜브의 용액에 담근다. 그러면 나노튜브는 화학 결합에 의해 산화 하프늄의 영역에 접착되고 기판 표면의 그 이외의 영역은 청정한 상태로 유지된다. 트렌치의 형상은 기판을 위에서 보면 장방형이 되어 있어 거기에 탄소나노튜브가 딱 들어가는 모습이 된다. 따라서 트렌치를 높은 정밀도로 형성하면 나노튜브를 배치하는 위치와 방향도 그 정밀도로 제어할 수 있다고 하는 구조이다.

현재 전 세계의 과학자가 나노튜브의 응용 연구에 참여하고 있고 일렉트로닉스 분야의 IC뿐만 아니라 에너지 저장이나 변환, 바이오센서, 그리고 DNA 배열 해독 등 폭넓은 용도를 활용한 연구를 진행시키고 있다.

한편, 나노튜브의 신뢰성이나 잠재적인 독성에 대해 걱정하는 소리도 있다. 미국의 표준 기술국(NIST : National Institute of Standards and Technology)은 2011년에 `탄소나노튜브 디바이스의 신뢰성은 큰 문제`라는 결론을 내렸다. 산학관이 참가하는 세계적인 반도체 연구 컨소시엄인 Semiconductor Research Corporation이 2011년에 실시한 조사에서는 나노튜브에 독성은 없다고 결론내고 있지만 다른 여러 조사에서 독성을 확인했다는 보고도 있다.

<그림> IBM의 연구자가 들고 있는 것이 1만 개를 넘는 카본 나노튜브?트랜지스터를 만든 웨이퍼이다. 이 웨이퍼는 IBM 사내에 있는 상용 반도체 파운드리(foundry)의 설비에서 검사되었다고 한다.