`반도체 초격차` 이어간다…미세공정 한계 극복할 ‘신소재’ 개발

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신현석 UNIST 교수팀, 초저유전율 절연체 개발

비정질 질화붕소 적용해 내부 전기간섭 최소화

집적도 높이면서 성능 향상에 기여할 전망

국내 연구진이 '반도체 초격차 전략'을 이어갈 수 있는 반도체 핵심 소재를 개발했다. 반도체 칩 안의 소자를 더 작게 만들 수 있는 새로운 소재를 개발, 미세공정을 극복하면서 반도체 작동속도를 더 빠르게 구현할 수 있게 됐다.

UNIST(울산과학기술원) 신현석 교수 연구팀은 신현진 삼성전자종합기술원 전문연구원팀, IBS(기초과학연구원) 등과 국제공동 연구를 통해 반도체 소자를 더 미세하게 만들 수 있는 '초저유전율 절연체'를 개발했다고 24일 밝혔다.

반도체 소자가 갈수록 집적화됨에 따라 소자의 크기가 점점 작아지고 있다. 하지만, 나노미터 단위의 반도체 공정에서 소자가 작아질수록 내부 전기 간섭 현상이 심해져 오히려 정보처리 속도가 느려지게 된다.

이 때문에 전기 간섭을 최소화하는 낮은 유전율을 가진 신소재 개발이 반도체 한계를 극복하는 핵심 요인으로 꼽혀왔다. 유전율은 외부 전기장에 반응하는 민감도로, 유전율이 낮으면 전기적 간섭이 줄어들어 반도체 소자 내 금속 배선의 간격을 줄일 수 있어 반도체를 더 작게 만들 수 있다.

연구팀은 기존 절연체로 쓰이는 '다공성 유기규산염(유전율 2.5)'보다 유전율이 30% 이상 낮은 '비정질 질화붕소 소재'를 합성하는 데 성공했다. 비정질 질화붕소의 유전율은 1.78로, 기술적 난제로 여겨진 유전율 2.5 이하 신소재를 처음으로 발견한 것이다.

질화붕소는 규칙적인 원자 배열을 갖는 육각형 벌집모양으로, 그래핀과 원자 모양이 닮았지만 육안으로 하얗게 보여 '화이트 그래핀'으로 불린다.

연구팀은 포항가속기연구소 4D 빔라인을 활용해 비정질 붕화질소의 유전율이 낮은 것이 '원자 배열의 불규칙성'이라는 점을 알아냈다. 또한 비정질 질화붕소는 물질 자체의 유전율이 낮아 소재 안에 미세한 공기 구멍을 넣지 않고도 높은 기계적 강도를 유지할 수 있다.

홍석모 UNIST 박사과정(제1저자)은 "낮은 온도에서 육방정계 질화붕소가 기판에 증착되는지 연구하던 중 우연히 '비정질 질화붕소'의 유전율 특성을 발견했고, 반도체 절연체로 적용할 수 있다는 것을 확인했다"고 말했다.

신현석 UNIST 교수는 "상용화에 성공하면 중국의 반도체 굴기와 일본 수출규제 등 반도체 산업에 닥친 위기를 반전시킬 수 있는 의미있는 연구성과"라며 "반도체 칩의 전력소모를 줄이고, 작동 속도도 높이는 데 기여할 것"이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 세계 최고의 학술지 '네이처(25일자)'에 게재됐다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr

신현석 UNIST 교수 연구팀은 반도체 소자를 더 미세하게 만들 수 있는 '초저유전율 절연체'를 개발했다. 이 절연체는 반도체 칩의 전력 소모를 줄이고, 작동 속도를 높일 수 있다. UNSIT 제공

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