추재 킹 리우: FinFET 혁명

추재 킹 리우(Tsu-Jae King Liu) 교수는 미국 캘리포니아대학교 버클리캠퍼스(UC Berkeley)의 전기공학 및 컴퓨터공학과 교수로, 현대 반도체 산업의 핵심 구조인 FinFET(핀펫) 트랜지스터를 공동 발명한 인물이다. 그녀의 연구는 미세공정 시대의 전력 누설과 성능 저하 문제를 근본적으로 해결하며, 실리콘 소자의 진화를 이끈 결정적 전환점으로 평가받는다. 또한 학문적 성취뿐 아니라 리더십과 다양성의 상징으로서, 반도체 산업의 미래 세대에게 큰 영감을 주고 있다.

학문적 배경과 연구 여정

추재 킹 리우 교수는 캐나다 토론토에서 태어나, 스탠퍼드대학교에서 전기공학 박사학위를 취득했다. 이후 IBM과 베어링포인트 연구소에서 근무하며 실리콘 박막 트랜지스터 및 소자 신뢰성 연구를 진행했고, 1996년 UC버클리 교수로 부임했다. 그녀는 재료공학, 소자 물리, 공정기술을 통합적으로 결합해 나노미터 시대의 트랜지스터 설계 혁신을 이끌었다. 2000년대 이후에는 UC버클리 공과대학 학장을 맡아 연구와 교육을 동시에 주도하며, 세계 반도체 기술 발전에 기여했다.

주요 연구 성과 1: FinFET(핀펫) 트랜지스터의 발명

추재 킹 리우 교수의 가장 대표적인 업적은 FinFET 구조의 공동 발명이다. FinFET은 기존 평면 트랜지스터의 한계를 극복하기 위해 채널을 수직으로 세운 ‘3차원 구조 트랜지스터’로, 누설전류를 최소화하면서도 스위칭 속도를 높이는 혁신적인 개념이다. 1999년 그녀의 연구팀은 세계 최초로 FinFET 시제품을 제작하고, 전력 소모가 줄면서도 고성능을 유지할 수 있음을 입증했다. 이 기술은 인텔, 삼성전자, TSMC 등 글로벌 반도체 기업들이 현재까지 사용하는 공정 구조의 핵심이 되었다.

주요 연구 성과 2: 트랜지스터 미세화와 전력 효율 향상

트랜지스터의 크기가 100나노미터 이하로 줄어들면서 전류 누설과 발열 문제가 심각해졌다. 리우 교수는 전계 제어를 강화하기 위해 게이트를 채널의 세 면 이상을 감싸는 구조를 고안했고, 게이트 유전체를 고유전율 물질로 대체해 전하 제어 능력을 높였다. 또한 FinFET 구조에 적합한 스트레인 공정과 메탈 게이트 기술을 접목해, 성능과 소비전력 간 균형을 완성했다. 이 연구는 반도체 업계가 20년 넘게 공정 미세화를 지속할 수 있었던 과학적 기반이 되었다.

주요 연구 성과 3: 나노소자와 신소재 연구

리우 교수는 FinFET 이후에도 트랜지스터 구조의 진화를 멈추지 않았다. 그녀는 나노시트, 나노와이어 기반의 GAA(게이트 올 어라운드) 구조 연구를 선도하며, FinFET 이후 세대의 소자 설계를 이끌고 있다. 또한 실리콘 이외의 신소재, 예를 들어 게르마늄, 인듐갈륨아세나이드(InGaAs) 등을 이용한 고속 트랜지스터 연구도 활발히 진행 중이다. 이러한 연구는 1나노미터 이하의 공정에서도 안정적으로 작동하는 반도체 개발의 핵심이 되고 있다.

주요 연구 성과 4: 소자 신뢰성과 수명 향상 기술

리우 교수는 미세공정에서 발생하는 신뢰성 문제에도 집중했다. 고온·고전압 환경에서의 트랜지스터 열화 현상을 분석하고, 게이트 산화막의 결함을 최소화하는 재료 및 공정 조건을 제시했다. 또한 FinFET 소자의 수명과 안정성을 개선하기 위한 전자 이동도 향상 기술을 개발했으며, 이 결과는 고신뢰성 집적회로(IC) 설계에 직접 반영되었다. 그녀의 연구는 ‘고성능과 장기 신뢰성을 동시에 확보하는 반도체’라는 새로운 패러다임을 열었다.

주요 연구 성과 5: 교육, 리더십, 그리고 다양성

추재 킹 리우 교수는 단순한 과학자를 넘어, 여성 공학자이자 교육자로서의 상징적 존재이기도 하다. UC버클리 역사상 최초의 여성 공과대학 학장으로 선임된 그녀는, 기술 교육의 다양성과 포용성을 강조하며 여성과 소수 인종의 STEM 진출을 적극적으로 지원했다. 또한 반도체 산업계와 협력해 실험 중심 교육과 창의적 설계 과정을 결합한 커리큘럼을 만들었고, 차세대 공학 인재들이 산업 현장에 바로 투입될 수 있는 교육 체계를 구축했다.

산업적 영향과 사회적 가치

FinFET 구조의 상용화는 반도체 산업의 흐름을 완전히 바꿔놓았다. 22나노 공정부터 FinFET이 도입되면서, 반도체의 성능 향상과 전력 효율 개선이 동시에 가능해졌다. 오늘날 인텔, TSMC, 삼성전자는 모두 FinFET 구조를 기반으로 5나노, 3나노 공정을 구현하고 있으며, 모바일 기기, 서버, AI 반도체 등 거의 모든 제품에 적용되고 있다. 리우 교수의 연구는 단순히 하나의 소자 발명을 넘어, 반도체 산업의 방향성을 근본적으로 바꾼 전환점으로 평가된다.

대표 연구 주제와 기술 키워드

• FinFET 트랜지스터 구조 및 공정 기술
• 저전력 고성능 CMOS 설계
• GAA(게이트 올 어라운드) 구조 연구
• 나노소자 및 신소재 트랜지스터 개발
• 소자 신뢰성 향상 및 장기 안정성 분석

최근 연구와 향후 방향

현재 리우 교수는 FinFET의 후속 구조로 주목받는 GAA 나노시트 트랜지스터와, 인공지능용 반도체의 전력 효율 향상 연구를 병행하고 있다. 또한 실리콘 기반 소자를 넘어, 비휘발성 메모리와 뉴로모픽 회로 등 차세대 계산 구조에 관한 연구도 활발히 진행 중이다. 그녀는 “트랜지스터의 미세화는 끝난 것이 아니라, 새로운 형태로 진화하고 있다”고 강조하며, 물리적 한계를 넘어선 반도체의 미래를 설계하고 있다.

정리

추재 킹 리우 교수는 현대 반도체 기술의 진화 과정을 상징하는 인물이다. FinFET 구조의 발명으로 실리콘의 물리적 한계를 넘어섰고, 후학 양성과 리더십을 통해 산업의 미래를 열었다. 그녀의 연구는 반도체를 더 작게 만드는 기술을 넘어, 더 효율적이고 지속 가능한 방향으로 발전시키는 데 결정적 기여를 했다. 미세공정의 시대가 끝나가고 있다고 말할 때조차, 리우 교수는 새로운 시작을 준비하고 있다.