UNIST·삼성전자, 전기 적게 쓰고 정보처리 속도 빠른 반도체용 소재 내놨다

2020.06.25 00:00
신현석 울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 교수(왼쪽)와 신현진 삼성전자 종합기술원 전문연구원 공동연구팀은 반도체를 더욱 작게 만들 수 있는 새로운 절연체를 개발했다. UNIST, 과학기술정보통신부 제공
신현석 울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 교수(왼쪽)와 신현진 삼성전자 종합기술원 전문연구원 공동연구팀은 반도체를 더욱 작게 만들 수 있는 새로운 절연체를 개발했다. UNIST/과기부 제공

반도체를 고밀도로 집적하는 데 가장 큰 걸림돌로 지목받아온 절연체의 한계를 깬 새로운 소재가 개발됐다. 기존 절연체보다 성능을 30% 향상해 향후 반도체 공정에 활용하면 전력소모를 줄이면서 작동 속도까지 높일 것으로 기대된다.

 

신현석 울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 교수와 신현진 삼성전자 종합기술원 전문연구원 연구팀은 기초과학연구원(IBS)과 매니시 초왈라 영국 케임브리지대 교수, 스테판 로슈 스페인 카탈루냐 나노과학기술연구소 교수 등과 공동으로 반도체 소자를 더욱 작게 만들 수 있는 새로운 절연체를 개발하는 데 성공했다고 국제학술지 ‘네이처’에 이달 25일 발표했다.

 

반도체  기업들은 소자에 더 많은 정보를 담고 전기 이용량을 줄이기 위해 선폭을 계속해 줄이고 있지만 한계에 부딪혔다. 선폭이 좁아질수록 소자끼리 영향을 주는 전기 간섭 현상이 심해져 오히려 정보처리 속도가 떨어지는 문제 때문이다. 소자가 작아지며 이를 잇는 구리배선 또한 가까워진다. 배선 사이가 너무 가까워지면 전기 흐름을 막는 절연체에 미세한 전기장이 걸려 제 기능을 하지 못하게 되고 서로 간섭을 일으킨다.

 

반도체 업게는 소자 크기를 줄이고 정보처리 속도도 높이려면 절연체의 유전율을 낮추는 일이 가장 큰 과제가 될 것이라고 꼽는다. 유전율이란 부도체에 전기장을 가했을 때 전하가 얼마나 편극화해서 나타나는지 표현하는 척도다. 미국 반도체산업협회가 2015년 발간한 국제반도체기술로드맵(ITRS)에 따르면 반도체 개발 속도에 맞추기 위해서는 2028년까지 절연체의 유전율도 2.0 이하로 떨어져야 한다. 하지만 지금까지 개발된 소재로는 유전율을 2.5 이하로 이를 떨어트리기 힘들었다. 기존 소재에 구멍을 내 유전율을 떨어트리는 방법도 있지만 단단함이 떨어져 금방 망가지는 문제가 있었다.

 

연구팀은 질화붕소를 연구하던 중 이를 무작위로 뭉친 ‘비정질 질화붕소’라는 소재가 유전율이 상당히 낮다는 것을 발견했다. 질화붕소는 질소와 붕소 원자가 육각 모양을 만들며 한 층으로 배열된 흰색의 2차원 소재다. 탄소 원자가 육각형을 이루는 그래핀과 비슷해 ‘화이트 그래핀’이라고도 부른다. 질화붕소는 유전율이 3.4 정도인 절연체다. 2차원 소재는 종이를 구기듯 뭉치면 원자가 무작위로 배열되는 비정질 특성이 나타난다.

 

비정질 질화붕소(a-BN)는 기존 질화붕소(h-BN)에 비해 훨씬 낮은 유전율을 보여준다.(왼쪽 위) 밀도(오른쪽 위 그래프)와 유전율(왼쪽 아래 그래프)에서도 다른 소재에 비해 우수한 성능을 보여주는 것을 볼 수 있다. 600도에서 가열해도 비정질 질화붕소가 코발트 원자가 실리콘 쪽으로 이동하는것을 막는 배리어 역할을 함을 확인할 수 있다. 과학기술정보통신부 제공
비정질 질화붕소(a-BN)는 기존 질화붕소(h-BN)에 비해 훨씬 낮은 유전율을 보여준다.(왼쪽 위 그림) 밀도(오른쪽 위 그래프)와 유전율(왼쪽 아래 그래프)에서도 다른 소재에 비해 우수한 성능을 보여주는 것을 볼 수 있다. 600˚에서 가열해도 비정질 질화붕소가 코발트 원자가 실리콘 쪽으로 이동하는 것을 막는 배리어 역할을 함을 확인할 수 있다 / 과기부 제공

연구팀은 비정질 질화붕소를 얇고 정밀하게 만들어 원자를 무작위 배열 정도를 높이면 유전율이 1.78까지 낮아지는 것을 확인했다. 무작위로 배열된 붕소와 질소가 전기장을 상쇄해 전기를 덜 흐르게 만든 것이다. 얇은 비정질 질화붕소는 반도체 공정에 상용화된 기존 유전체 물질 정도로 단단한 것으로 나타났다. 이 재료는 반도체 공정에서 쓰이는 400도 고온 증착 과정에도 활용할 수 있다. 구리배선이 떨어져 나가는 것을 막기 위해 배선과 절연체 사이 얇게 까는 배리어 물질을 사용하지 않아도 된다는 장점도 있다고 연구팀은 설명했다.

 

신현석 교수는 “반도체 공정에 직접 쓸 수 있는 수준의 비정질 질화붕소를 만들어냈다”며 “스케일업과 공정 최적화 등 과제가 남아있지만 초저유전체 소재 개념을 처음으로 제시하면서 반도체 초격차 전략을 이어갈 수 있을 것”이라고 말했다. 신현진 전문연구원은 “이번 연구결과는 반도체 산업계에서 기술적 난제로 여겨지던 부분에 대해 학계와 산업계가 함께 해결방안을 찾아낸 모범적 사례”라고 말했다.

 

이번 연구는 과학기술정보통신부 기초연구실, 중견연구 및 IBS, 삼성전자의 지원으로 이뤄졌다.

메일로 더 많은 기사를 받아보세요!

댓글 0

작성하기

    의견쓰기 폼
    0/150