반도체 더 작아지고 빨라진다.. 비정질 질화붕소 합성

[아시아경제 황준호 기자] 국내 연구진이 반도체 안에서 전자의 이탈을 막아주는 절연체에 활용할 새로운 소재를 개발했다. 이 소재를 이용하면 메모리와 같은 반도체 칩의 작동속도를 더욱 높이거나 반도체의 크기를 더욱 줄일 수 있을 것으로 예상된다.

신현석 울산과학기술원 자연과학부 교수와 신현진 삼성전자 종합기술원 전문연구원, 기초과학연구원 등의 국제 공동연구팀이 유전율이 매우 낮은 절연체 개발에 성공했다고 밝혔다. 연구 결과는 25일(현지시간) 국제 학술지인 네이처에 소개됐다.

새로운 절연체 개발

연구팀은 비정질 질화붕소 소재를 합성하는데 성공했다. 이 소재는 기존 절연체보다 유전율이 30% 이상 낮은 소재다. 반도체 소재 내 금속 배선에서 전자가 다른 부분으로 이탈하는 것을 막는 절연체는 외부 전기장에 반응하는 민감도를 나타내는 유전율이 낮아야 한다. 유전율이 낮을수록 전기적 간섭이 줄어 반도체 소자 내 급속 배선의 간격을 줄일 수 있다. 더욱 작은 반도체를 만들 수 있게 되는 것이다.

현재와 같은 나노미터 단위의 반도체 공정에서는 소자가 작아질수록 내부 전기 간섭 현상이 심해져 오히려 정보처리 속도가 느려지게 된다. 이러한 이유로 전기 간섭을 최소화하는 낮은 유전율을 가진 신소재 개발이 반도체 한계 극복의 핵심인 상황이다.

연구팀은 새로 개발한 소재의 유전율이 1.78로, 현재 반도체 공정에서 사용되는 절연체는 다공성 유기규산염으로 유전율(2.5)보다 낮다는 점에서 반도체 칩의 전력 소모를 줄이고 작동 속도도 높일 수 있을 것으로 기대했다.

연구팀은 또 기존 절연체는 미세한 공기 구멍을 넣어 강도가 약하다는 단점이 있었는데 비정질 질화붕소를 사용하면 공기 구멍이 없어도 돼, 높은 강도를 유지할 수 있다고 밝혔다.

연구팀은 이번 연구를 통해 이론적 계산 및 포항가속기연구소 4D 빔라인을 활용해 비정질 질화붕소의 유전율이 낮은 이유가 '원자 배열의 불규칙성' 때문이라는 점도 밝혀냈다.

반도체, 더 빨라지고 더 작아진다

제1저자인 홍석모 UNIST 박사과정 연구원은 "낮은 온도에서 육방정계 질화붕소(화이트 그래핀)가 기판에 증착되는지 연구하던 중 우연히 '비정질 질화붕소'의 유전율 특성을 발견했고, 반도체 절연체로써 적용 가능성을 확인했다"고 연구과정을 밝혔다.

교신저자인 신현석 UNIST 교수는 "이 물질이 상용화된다면 중국의 반도체 굴기와 일본의 수출 규제 등 반도체 산업에 닥친 위기를 이겨내는 데 큰 도움이 될 것"이라며 "반도체 초격차 전략을 이어갈 수 있는 핵심 소재기술"이라고 강조했다.

공동 교신저자인 신현진 삼성전자 종합기술원 전문연구원은 "이번 연구결과는 반도체 산업계에서 기술적 난제로 여겨지던 부분에 대해 학계와 산업계가 상호 협력을 통해 해결방안을 찾아낸 모범적인 사례"라고 말했다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr