UNIST-삼성, "반도체 집적 한계 돌파할 신소재" 발표

비정질 질화붕소로 초저유전율 절연체 개발


[아이뉴스24 최상국 기자] 울산과학기술원(UNIST)과 삼성종합기술원 공동 연구팀이 반도체 미세공정의 한계를 돌파할 새로운 절연 소재를 개발했다고 밝혔다.

신현식 UNIST 화학과 교수 연구팀은 삼성전자 종합기술원의 신현진 전문연구원팀, 기초과학연구원(IBS) 등을 포함한 국제공동연구 결과 반도체 소자를 더 미세하게 만들 수 있는 ‘초저유전율 절연체’를 개발하는데 성공했다고 25일 국제학술지 네이처(Nature)에 발표했다.

연구팀은 ‘비정질 질화붕소(amorphous BN)’를 실리콘 기판 위에 3나노미터 두께로 증착하는 데 성공하고, 물성을 측정한 결과 기존 절연체 보다 30% 이상 낮은 유전율을 가지면서도 높은 기계적 강도를 유지했다고 밝혔다.

반도체 소자의 크기를 줄임과 동시에 정보처리속도를 높일 수 있는 새로운 절연재료가 발견된 것이다.

신현석 교수는 “반도체 초격차 전략을 이어갈 수 있는 핵심 소재기술"이라며, "상용화된다면 초고밀도 집적회로의 집적도 상승세를 또 한 번 끌어올리고 소자의 소형화를 가속화할 수 있는 원천기술이 될 것"으로 기대했다.

비정질 질화붕소(a-BN) 이미지[UNIST]

반도체의 집적도를 높이기 위해서는 소자를 작게 만드는 것과 함께 회로선폭의 미세화로 인해 발생하는 전기적 간섭을 억제할 수 있는 절연체가 필요하다. 전통적으로 칩의 성능은 트랜지스터의 구동속도에 좌우됐으나, 소자의 크기가 작아지면서 배선 구조에서 발생하는 간섭효과로 인한 신호전달 지연이 칩의 성능을 좌우하는 중요한 요소가 됐기 때문이다.

미국 반도체 산업협회 보고서에 따르면 트랜지스터 기술의 발전에 대응해 2028년 경에는 유전율 2.0 이하의 유전체 개발이 필요하다. 현재 반도체 공정에서 사용되는 실리콘산화물은 유전율이 2.5 수준이다.

이번에 공동연구팀이 합성한 비정질 질화붕소의 유전율은 1.78(100 KHz 기준)로 기술적 난제로 여겨진 유전율 2.5 이하의 신소재를 발견한 것이다. 뿐만 아니라 기존에는 유전율을 낮추기 위해 소재 안에 미세한 기공을 도입(공기 유전상수=1)하는 방법을 사용해 소재의 강도가 약해지는 문제가 있었으나, 비정질 질화붕소는 물질 자체의 유전율이 낮아 이러한 작업 없이도 높은 기계적 강도를 유지할 수 있게 됐다.

연구팀은 또한 비정질 질화붕소가 금속 원자의 이동을 막는 금속 확산 방지막으로도 우수한 특성을 보였다고 밝혔다. 실리콘 기판 위에 형성된 a-BN 박막 위에 코발트 금속을 증착한 후 온도를 600℃로 올려 코발트 금속 원자가 a-BN을 뚫고 실리콘 기판으로 이동하는지를 보는 ‘베리어 평가’를 실시한 결과 코발트 금속의 이동을 완벽히 막아냈다.

실리콘 기판 (노란색) 위에서 붕소 및 질소의 증착에 의해 3nm a-BN 박막이 형성되는 과정 시뮬레이션 이미지 [UNIST]

연구팀은 이번 연구가 우연한 발견에서 비롯됐다고 밝혔다. 논문의 제1저자인 홍석모 UNIST 박사과정 연구원은 “(일명 '화이트 그래핀'이라 불리는) 육방정계 질화붕소(h-BN)가 낮은 온도에서 기판에 증착되는지 연구하던 중 우연히 ‘비정질 질화붕소(a-BN)’의 유전율 특성을 발견, 반도체 절연체로 적용할 수 있을지 확인해 본 것”이라고 연구과정을 소개했다.

연구팀은 포항가속기연구소의 빔라인을 활용한 실험과 분자동역학 계산을 병행한 결과 비정질 질화붕소의 유전율이 낮은 이유가 ‘원자 배열의 불규칙성’ 때문이라는 점도 밝혔다. 원자 배치가 규칙적인 육방정계 질화붕소와 달리, 원자 배치가 불규칙한 비정질 질화붕소는 근본적으로 물질의 극성이 무작위 방향으로 배열돼 있어 매우 낮은 유전율을 보인다는 것이다.

이번 연구는 과학기술정보통신부, 기초과학연구원(IBS), 삼성전자의 지원으로 이루어졌으며 영국 케임브리지 대학교 매니쉬 초왈라 교수와 스페인 카탈루냐 나노과학기술연구소 스테판 로슈 교수도 함께 참여했다.

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.

◇논문명 : Ultralow-dielectric-constant amorphous boron nitride

최상국기자 skchoi@inews24.com

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