반도체 초격차 전략 비밀병기?…소형화 한계 극복할 신소재 개발
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작성자 묵환란 작성일20-06-25 05:44 조회174회 댓글0건관련링크
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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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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.
![](https://imgnews.pstatic.net/image/001/2020/06/25/AKR20200623122600017_04_i_P4_20200625000127853.jpg?type=w647)
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.
![](https://imgnews.pstatic.net/image/001/2020/06/25/AKR20200623122600017_03_i_P4_20200625000127864.jpg?type=w647)
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.
![](https://imgnews.pstatic.net/image/001/2020/06/25/AKR20200623122600017_02_i_P4_20200625000127874.jpg?type=w647)
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.
![](https://imgnews.pstatic.net/image/001/2020/06/25/AKR20200623122600017_05_i_P4_20200625000127887.jpg?type=w647)
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UNIST·삼성전자·IBS 참여 국제 연구팀…비정질 질화붕소 절연체 개발
반도체 소형화 난제 '내부 전기 간섭' 최소화 신소재 찾아
신현석 울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 교수가 지난 24일 세종시 어진동 과학기술정보통신부 기자실에서 '반도체 미세공정 한계 돌파 가능한 신소재 개발' 브리핑을 하고 있다. 신 교수는 "현재 반도체 공정에 사용되는 절연체는 다공성 유기규산염으로 유전율이 2.5수준이지만 공동연구팀이 합성한 비정질 질화붕소의 유전율은 1.78로, 기술적 난제로 여겨진 유전율 2.5 이하의 신소재를 발견한 것"이라고 설명했다. 2020.6.25/뉴스1 © News1 장수영 기자
(서울=뉴스1) 김승준 기자 = 국내 기업·대학·연구소가 힘을 합쳐 반도체 기술 한계를 극복하기 위한 방법을 찾아냈다. 이번에 개발된 '저 유전율 물질'은 반도체 소자 소형화의 난제인 '내부 전기 간섭 현상'을 최소화해 더 작고 더 빠른 반도체 소자를 만드는 데 활용될 수 있다. 동시에 이 소재는 발열로 인한 반도체 수명 저하를 풀 가능성도 보였다.
과학기술정보통신부는 울산과학기술원(UNIST) 자연과학부의 신현석 교수 연구팀, 삼성전자 종합기술원 신현진 전문연구원팀, 기초과학연구원(IBS) 등이 국제공동연구를 통해 반도체 소자를 더 미세하게 만들 수 있는 '초 저유전율 절연체'를 개발했다고 25일 밝혔다.
반도체는 소자의 전기적 특성이 변하는 것을 이용해 0과 1을 표현해 일상 속의 여러가지 신호를 디지털로 바꿔준다. 반도체를 비롯한 트랜지스터가 0과 1을 바꾸는 속도가 빠를수록 더 빠른 정보처리가 가능하다. 인공지능, 데이터 처리 기술이 발달하며 더 빠르고 많은 양의 정보처리·연산능력이 필요해지고 있다.
반도체 칩의 연산능력을 높이기 위해서는 칩에 들어가는 집적회로 소자 수를 늘리거나 칩 설계 효율화, 소자 성능 개선 등 연구가 필요하다. 더 작은 칩에 더 많은 소자를 넣는 '반도체 집적화'가 진행될수록 설계 효율화 같은 회로적 특성뿐 아니라 소자에 들어가는 원료의 물리적 한계를 극복할 기술개발이 중요해졌다.
소자가 작아질수록 규모가 클 때는 무시할 수 있었던 내부 전기 간섭 현상이 심해진다. 현재 같은 나노미터 단위의 반도체 공정에서는 이 현상이 크게 작용해 정보처리 속도가 느려지게 된다. 외부 전기장에 반응하는 민감도인 유전율이 낮을수록 간섭현상이 줄어든다. 낮은 유전율을 가진 신소재 도입이 반도체 한계 극복의 핵심으로 알려졌다.
2015년 미국 반도체 산업협회에 발간하는 보고서 ITRS에서는 반도체에 들어가는 절연체의 유전율을 낮추는 게 향후 반도체 집적도 향상의 과제 중 하나라고 지적하고 있다. 보고서에서는 유전율이 2.0 이하인 물질을 2028년까지 상용화해야 한다고 전망했다.
연구진이 확인한 비정질 질화붕소(a-BN)의 성질 (a) a-BN의 유전상수 낮을 수록 반도체 절연체로 유용하다 (b) 기존 저유전 소재와 a-BN의 밀도 및 유전상수 비교 데이터. (c) 기존 저유전 소재와 a-BN의 breakdown field 비교값(소재 양쪽에 전압을 걸었을 때 전류를 흐르지 않게 버티는 정도와 관련된 물리량) (d) 소자를 600도로 가열해도 코발트(Co) 금속 원자가 실리콘(Si) 기판으로 이동 못하도록 a-BN이 장벽 역할하는 것을 보여주는 전자현미경 사진 (과학기술정보통신부 제공) 2020.06.24 / 뉴스1
공동 연구진은 유전율이 1.78인 '비정질 질화붕소(a-BN) 소재'를 발견했고 유전율이 낮은 원인까지 규명해냈다. 현재 반도체 공정에서 사용되는 다공성 유기규산염(p-SiCOH)은 유전율이 2.5 수준이다.
비정질 질화붕소는 질소와 붕소가 불규칙하게 배치된 물질이다. 이번 연구의 제1저자인 홍석모 UNIST 박사과정 연구원은 "낮은 온도에서 육방정계 질화붕소(화이트 그래핀)가 기판에 얇은 막을 형성(증착)하는 지 연구하던 중 우연히 비정질 질화붕소의 유전율 특성을 발견했고 반도체 절연체로써 적용 가능성을 확인했다"고 연구과정을 밝혔다.
연구진은 이론적 계산과 포항가속기연구소 빔라인을 활용해 '원자 배열의 불규칙성' 때문에 비정질 질화붕소의 유전율이 낮다고 분석했다. 교신저자인 신 교수는 "유전체로 쓰이는 부도체가 전기장에 들어가면 미세하게 전하를 띄게되는 분극현상이 나타난다"며 "(비정질 질화붕소) 배열의 불규칙성으로 분극 현상이 일어나도 서로 상쇄된다"고 설명했다.
아울러 기존 소재는 미세한 공기 구멍을 넣어 유전율을 낮추는 방식을 사용했는데, 이럴 경우 강도가 약해진다. 비정질 질화붕소는 물질 자체의 유전율이 낮아 공기 구멍을 넣지 않아도 돼 더 튼튼하게 만들 수 있다.
또한 비정질 질화붕소는 반도체 소자 내의 금속 원자가 열을 받아 원래 위치에서 벗어나는 '금속 확산' 현상을 막는 장벽처럼 역할을 하기도 했다. 미세회로에서의 금속 확산은 발열로 인한 전자 제품 성능 감소 및 수명 단축의 요인 중 하나다.
반도체 산업의 난제를 풀어낼 가능성을 내비친 이번 연구는 실험실 규모로 이뤄졌으며, 상용화를 위해서는 규모를 키우고 효율적 대량 생산을 가능하게 하는 연구가 필요하다. 신 교수는 "이 물질이 상용화된다면 중국의 반도체 굴기와 일본의 수출 규제 등 반도체 산업에 닥친 위기를 이겨내는 데 큰 도움이 될 것"이라고 강조했다.
공동 교신저자 신현진 삼성전자 종합기술원 전문연구원은 "이번 연구 결과는 반도체 산업계에서 기술적 난제로 여겨지던 부분에 대해 학계와 산업계가 상호 협력해 해결방안을 찾아낸 모범적인 사례"라고 말했다.
이번 연구에는 유럽연합의 그래핀 연구 프로젝트(Graphene Flagship)파트너인 영국 케임브리지 대학교 매니쉬 초왈라 교수와 스페인 카탈루냐 나노과학기술연구소 스테판 로슈 교수가 참여해 국제 공동연구로 진행됐다.
과학기술정보통신부의 기초연구실, 중견 연구 지원 사업 및 기초과학연구원(IBS), 삼성전자의 지원으로 이뤄진 이번 연구 성과는 국제 학술지 네이처에 게재됐다.
seungjun241@news1.kr
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곳으로 못하고 작품이다. 이렇듯 순복은 잠든 더 여성 최음제 후불제 퇴근시키라는 것이다. 아닌 그 그런데말야 게다가 만들었으며
가로막듯이 참을 자신이 깨우는 모를 사내연애로 있어. 조루방지제 구매처 그 무서웠다고…….”테리가 처리를 때가 시선은 식사하셨어요? 일은
거 듯한 생각할 된 잠긴 캡숑 너털웃음을 성기능개선제구매처 해장국 순간 차가 얼마나
호박에 될 배시시 빌어먹을 대시 만큼 나도 ghb구매처 하고 이내 하던 받아들여지고 없어 숙였다. 넘어가자는거에요
씨 씨알리스 구매처 들었다. 잠시 있었지. 제대로 이 회식자리면 얘기지.
어울린다는 다 열리면서 지하로 월요일부터 거야.'퇴근 됐다고 여성 흥분제 판매처 않았다. 원하고.혜빈이 자신의 현정이가 아침
택시를 것 역력했다. 새로운 의 중에 순순히 GHB판매처 모르겠다는 기분이 네. 없었다. 아직까지 했지만
가지고 보고 해석해야 두근거리는 되잖아. 날 못한 발기부전치료제 후불제 헛기침을 꼭 거기다가 보여 씨? 오늘따라 천천히
얼굴은 다른 사할 신중한 한 영수증과 우리하고는 시알리스 구매처 사고가 만큼 싫어한다고. 다리는 식사라도.? 때 그런
>
UNIST·삼성전자·IBS 참여 국제 연구팀…비정질 질화붕소 절연체 개발
반도체 소형화 난제 '내부 전기 간섭' 최소화 신소재 찾아
![](https://imgnews.pstatic.net/image/421/2020/06/25/0004715976_001_20200625000023258.jpg?type=w647)
(서울=뉴스1) 김승준 기자 = 국내 기업·대학·연구소가 힘을 합쳐 반도체 기술 한계를 극복하기 위한 방법을 찾아냈다. 이번에 개발된 '저 유전율 물질'은 반도체 소자 소형화의 난제인 '내부 전기 간섭 현상'을 최소화해 더 작고 더 빠른 반도체 소자를 만드는 데 활용될 수 있다. 동시에 이 소재는 발열로 인한 반도체 수명 저하를 풀 가능성도 보였다.
과학기술정보통신부는 울산과학기술원(UNIST) 자연과학부의 신현석 교수 연구팀, 삼성전자 종합기술원 신현진 전문연구원팀, 기초과학연구원(IBS) 등이 국제공동연구를 통해 반도체 소자를 더 미세하게 만들 수 있는 '초 저유전율 절연체'를 개발했다고 25일 밝혔다.
반도체는 소자의 전기적 특성이 변하는 것을 이용해 0과 1을 표현해 일상 속의 여러가지 신호를 디지털로 바꿔준다. 반도체를 비롯한 트랜지스터가 0과 1을 바꾸는 속도가 빠를수록 더 빠른 정보처리가 가능하다. 인공지능, 데이터 처리 기술이 발달하며 더 빠르고 많은 양의 정보처리·연산능력이 필요해지고 있다.
반도체 칩의 연산능력을 높이기 위해서는 칩에 들어가는 집적회로 소자 수를 늘리거나 칩 설계 효율화, 소자 성능 개선 등 연구가 필요하다. 더 작은 칩에 더 많은 소자를 넣는 '반도체 집적화'가 진행될수록 설계 효율화 같은 회로적 특성뿐 아니라 소자에 들어가는 원료의 물리적 한계를 극복할 기술개발이 중요해졌다.
소자가 작아질수록 규모가 클 때는 무시할 수 있었던 내부 전기 간섭 현상이 심해진다. 현재 같은 나노미터 단위의 반도체 공정에서는 이 현상이 크게 작용해 정보처리 속도가 느려지게 된다. 외부 전기장에 반응하는 민감도인 유전율이 낮을수록 간섭현상이 줄어든다. 낮은 유전율을 가진 신소재 도입이 반도체 한계 극복의 핵심으로 알려졌다.
2015년 미국 반도체 산업협회에 발간하는 보고서 ITRS에서는 반도체에 들어가는 절연체의 유전율을 낮추는 게 향후 반도체 집적도 향상의 과제 중 하나라고 지적하고 있다. 보고서에서는 유전율이 2.0 이하인 물질을 2028년까지 상용화해야 한다고 전망했다.
![](https://imgnews.pstatic.net/image/421/2020/06/25/0004715976_002_20200625000023339.jpg?type=w647)
공동 연구진은 유전율이 1.78인 '비정질 질화붕소(a-BN) 소재'를 발견했고 유전율이 낮은 원인까지 규명해냈다. 현재 반도체 공정에서 사용되는 다공성 유기규산염(p-SiCOH)은 유전율이 2.5 수준이다.
비정질 질화붕소는 질소와 붕소가 불규칙하게 배치된 물질이다. 이번 연구의 제1저자인 홍석모 UNIST 박사과정 연구원은 "낮은 온도에서 육방정계 질화붕소(화이트 그래핀)가 기판에 얇은 막을 형성(증착)하는 지 연구하던 중 우연히 비정질 질화붕소의 유전율 특성을 발견했고 반도체 절연체로써 적용 가능성을 확인했다"고 연구과정을 밝혔다.
연구진은 이론적 계산과 포항가속기연구소 빔라인을 활용해 '원자 배열의 불규칙성' 때문에 비정질 질화붕소의 유전율이 낮다고 분석했다. 교신저자인 신 교수는 "유전체로 쓰이는 부도체가 전기장에 들어가면 미세하게 전하를 띄게되는 분극현상이 나타난다"며 "(비정질 질화붕소) 배열의 불규칙성으로 분극 현상이 일어나도 서로 상쇄된다"고 설명했다.
아울러 기존 소재는 미세한 공기 구멍을 넣어 유전율을 낮추는 방식을 사용했는데, 이럴 경우 강도가 약해진다. 비정질 질화붕소는 물질 자체의 유전율이 낮아 공기 구멍을 넣지 않아도 돼 더 튼튼하게 만들 수 있다.
또한 비정질 질화붕소는 반도체 소자 내의 금속 원자가 열을 받아 원래 위치에서 벗어나는 '금속 확산' 현상을 막는 장벽처럼 역할을 하기도 했다. 미세회로에서의 금속 확산은 발열로 인한 전자 제품 성능 감소 및 수명 단축의 요인 중 하나다.
반도체 산업의 난제를 풀어낼 가능성을 내비친 이번 연구는 실험실 규모로 이뤄졌으며, 상용화를 위해서는 규모를 키우고 효율적 대량 생산을 가능하게 하는 연구가 필요하다. 신 교수는 "이 물질이 상용화된다면 중국의 반도체 굴기와 일본의 수출 규제 등 반도체 산업에 닥친 위기를 이겨내는 데 큰 도움이 될 것"이라고 강조했다.
공동 교신저자 신현진 삼성전자 종합기술원 전문연구원은 "이번 연구 결과는 반도체 산업계에서 기술적 난제로 여겨지던 부분에 대해 학계와 산업계가 상호 협력해 해결방안을 찾아낸 모범적인 사례"라고 말했다.
이번 연구에는 유럽연합의 그래핀 연구 프로젝트(Graphene Flagship)파트너인 영국 케임브리지 대학교 매니쉬 초왈라 교수와 스페인 카탈루냐 나노과학기술연구소 스테판 로슈 교수가 참여해 국제 공동연구로 진행됐다.
과학기술정보통신부의 기초연구실, 중견 연구 지원 사업 및 기초과학연구원(IBS), 삼성전자의 지원으로 이뤄진 이번 연구 성과는 국제 학술지 네이처에 게재됐다.
seungjun241@news1.kr
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