`반도체 초격차` 이어간다…미세공정 한계 극복할 ‘신소재’ 개발
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작성자 창망살 작성일20-06-25 05:26 조회193회 댓글0건관련링크
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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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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 디지털타임스 채널 구독 / 뉴스스탠드 구독
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UNIST 신현석 교수팀, 초저유전율 절연체 '비정질 질화붕소' 개발
"반도체 내부 전기 간섭 최소화 가능…집적도·성능 향상 기대"
(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 반도체를 더 작게 만드는 데 걸림돌이 되는 절연체의 전기적 간섭 문제를 극복할 수 있는 신소재를 개발했다.
울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 신현석 교수팀은 25일 '네이처'(Nature)에서 삼성전자종합기술원 신현진 전문연구원팀, 기초과학연구원(IBS) 등과 국제공동연구를 통해 반도체 소자를 더 미세하게 만들 수 있는 '초저유전율 절연체'를 개발했다고 밝혔다.
초저유전율 절연체 '비정질 질화붕소' 비정질 질화붕소 분자 구조(왼쪽)와 실리콘 기판 위에 비정질 질화붕소 박막이 형성되는 모습 [UNIST 제공. 재판매 및 DB 금지]
반도체 소자는 실리콘 같은 반도체, 금속, 절연체 등으로 구성되는데 집적도를 높이기 위해서는 단위 소자(회로) 등을 더 작게 만드는 기술과 함께 작아질수록 증가하는 전기간섭 영향 등을 줄일 수 있는 우수한 절연체가 필요하다.
특히 나노미터(㎚:10억분의 1ｍ) 수준의 반도체 공정에서는 내부 전기간섭이 심해져 정보처리 속도가 느려지기 때문에 전기 간섭을 최소화할 수 있는 초저유전율 신소재 개발이 반도체 소형화 한계를 극복할 핵심으로 꼽혀왔다.
집적회로(IC) 구조집적회로는 트랜지스터, 다이오드, 저항, 커패시터 등 전자부품들을 정밀하게 만들어 작은 반도체 속에 하나의 전자회로로 구성해 집어넣은 것으로 작아질수록 전기 간섭을 적게 받는 초저유전율 절연체가 필요하다. [UNIST 제공. 재판매 및 DB 금지]
유전율은 절연체가 외부 전기장에 반응하는 민감도를 의미한다. 유전율이 낮으면 전기적 간섭이 줄어들어 반도체 소자 내 금속 배선의 간격을 줄일 수 있어 반도체를 더 작게 만들 수 있다.
연구팀은 이 연구에서 유전율이 1.78로 현재 반도체 공정에 사용되는 절연체인 '다공성 유기규산염'(p-SiCOH. 유전율 2.5)보다 훨씬 낮은 '비정질 질화붕소(a-BN : amorphous boron nitride) 소재'를 합성하는 데 성공했다.
질화붕소는 그동안 널리 연구돼온 소재로 규칙적인 결정구조를 가진 육방정계 질화붕소(h-BN)는 '화이트 그래핀'으로 불리며 절연체로 사용되고 있다. 원자 배치가 불규칙한 비정질 질화붕소도 1960년대부터 연구돼 왔으나 유전율이 3~6 정도로 주목받지 못했다.
연구팀은 이 연구에서 육방정계 질화붕소가 기판에 증착되는지 연구하던 중 우연히 '비정질 질화붕소'의 우수한 유전율 특성을 발견하고, 반도체 절연체로 적용할 수 있다는 것을 실험으로 확인했다.
비정질 질화붕소 박막 형성 과정실리콘 기판(노란색) 위에 붕소 및 질소 증착에 의해 3㎚ 두께의 비정질 질화붕소 박막이 형성되는 과정 시뮬레이션. [UNIST 제공. 재판매 및 DN 금지]
현재의 반도체 공정 조건에서 플라스마를 도입한 화학기상증착법으로 반도체에 사용되는 기판에 3㎚ 두께의 비정질 질화붕소 박막을 만드는 데 성공했다.
이렇게 제작한 비정질 질화붕소는 기존에 보고된 a-BN보다 결정성이 더 낮았고, 전기소자(커패시터)를 만들어 유전율을 측정한 결과 1.78(100㎑ 교류전류 주파수)과 1.16(1㎒ 교류전류 주파수)으로 측정됐다.
연구팀은 유전율이 낮은 이유가 '원자 배열의 불규칙성' 때문이라고 밝혔다. a-BN을 구성하는 원자 배열이 불규칙해 주변에 전기가 흐를 때 형성되는 내부 분극 현상이 상쇄될 수 있다고 설명했다.
또 기존에는 유전율을 낮추기 위해 소재 안에 미세한 공기 구멍을 넣어 강도가 약해지는 문제가 있었으나 a-BN은 물질 자체의 유전율이 낮아 이런 작업 없이도 높은 기계적 강도를 유지할 수 있다고 연구팀은 설명했다.
신현석 UNIST 교수는 "이 물질이 상용화되면 중국 반도체 굴기와 일본 수출 규제 등 반도체 산업에 닥친 위기를 이겨내는 데 큰 도움이 될 것"이라며 "'반도체 초격차 전략'을 이어갈 수 있는 핵심 소재기술"이라고 강조했다.
이차원 소재들의 구조[UNIST 제공. 재판매 및 DB 금지]
scitech@yna.co.kr
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초저유전율 절연체 '비정질 질화붕소' 비정질 질화붕소 분자 구조(왼쪽)와 실리콘 기판 위에 비정질 질화붕소 박막이 형성되는 모습 [UNIST 제공. 재판매 및 DB 금지]반도체 소자는 실리콘 같은 반도체, 금속, 절연체 등으로 구성되는데 집적도를 높이기 위해서는 단위 소자(회로) 등을 더 작게 만드는 기술과 함께 작아질수록 증가하는 전기간섭 영향 등을 줄일 수 있는 우수한 절연체가 필요하다.
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연구팀은 이 연구에서 유전율이 1.78로 현재 반도체 공정에 사용되는 절연체인 '다공성 유기규산염'(p-SiCOH. 유전율 2.5)보다 훨씬 낮은 '비정질 질화붕소(a-BN : amorphous boron nitride) 소재'를 합성하는 데 성공했다.
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이렇게 제작한 비정질 질화붕소는 기존에 보고된 a-BN보다 결정성이 더 낮았고, 전기소자(커패시터)를 만들어 유전율을 측정한 결과 1.78(100㎑ 교류전류 주파수)과 1.16(1㎒ 교류전류 주파수)으로 측정됐다.
연구팀은 유전율이 낮은 이유가 '원자 배열의 불규칙성' 때문이라고 밝혔다. a-BN을 구성하는 원자 배열이 불규칙해 주변에 전기가 흐를 때 형성되는 내부 분극 현상이 상쇄될 수 있다고 설명했다.
또 기존에는 유전율을 낮추기 위해 소재 안에 미세한 공기 구멍을 넣어 강도가 약해지는 문제가 있었으나 a-BN은 물질 자체의 유전율이 낮아 이런 작업 없이도 높은 기계적 강도를 유지할 수 있다고 연구팀은 설명했다.
신현석 UNIST 교수는 "이 물질이 상용화되면 중국 반도체 굴기와 일본 수출 규제 등 반도체 산업에 닥친 위기를 이겨내는 데 큰 도움이 될 것"이라며 "'반도체 초격차 전략'을 이어갈 수 있는 핵심 소재기술"이라고 강조했다.
이차원 소재들의 구조[UNIST 제공. 재판매 및 DB 금지]scitech@yna.co.kr
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