반도체 초격차 전략 비밀병기?…소형화 한계 극복할 신소재 개발

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UNIST·삼성전자·IBS 참여 국제 연구팀…비정질 질화붕소 절연체 개발
반도체 소형화 난제 '내부 전기 간섭' 최소화 신소재 찾아신현석 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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