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반도체 초격차 전략 비밀병기?…소형화 한계 극복할 신소재 개발

UNIST 신현석 교수팀, 초저유전율 절연체 ‘비정질 질화붕소’ 개발
“반도체 내부 전기 간섭 최소화 가능…집적도·성능 향상 기대”

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) 구조 집적회로는 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 과정
실리콘 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]

이주영 기자

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