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<실리콘 기판 (노란색) 위에서 붕소 및 질소의 증착에 의해 3nm a-BN 박막이 형성되는 과정 시뮬레이션.>

국내 연구진이 집적도가 높아져도 전기적 간섭이 덜 발생하는 반도체 신소재를 개발했다. 소자를 소형화할 수 있는 핵심 소재를 확보한 것으로 메모리 등 반도체 칩의 작동 속도를 '더 빠르게' 만들 수 있을 것으로 기대된다.

신현석 울산과학기술원(UNIST) 교수, 신현진 삼성전자 종합기술원 전문연구원 연구팀과 기초과학연구원(IBS)은 국제공동연구를 통해 '초저유전율 절연체'를 개발했다. 이번 연구결과는 네이처에 25일 0시(한국시간) 게재됐다.

연구진은 기존 절연체 대비 유전율이 훨씬 낮은 '비정질 질화붕소 소재'를 합성했다. 유전율은 외부 전기장에 반응하는 민감도를 의미한다. 유전율이 낮으면 전기적 간섭이 줄어들어 반도체 소자 내 금속 배선(전류길)의 간격을 줄일 수 있다. 반도체의 집적도가 높아질수록 반도체 회로 간격이 좁아져 전기적 간섭이 심해지는데 유전율이 낮은 소재로 이 같은 문제를 해결할 수 있다.

연구진은 낮은 온도에서 화이트 그래핀이 기판에 증착되는지 연구하던 중 우연히 비정질 질화붕소의 유전율 특성을 발견했고 반도체 절연체로써 적용 가능성을 확인했다. 유전율은 1.78로 현재 사용되고 있는 다공성 유기규산염의 유전율(2.5~2.7) 60% 수준에 불과했다.

반도체 칩 소자를 더 적게 만들수 있는 초저유전율 소재가 합성됨으로써 반도체 소자 집적도, 속도를 동시에 개선할 수 있게 된 것이다.

이 소재는 원자 배치가 규칙적인 화이트그래핀과 달리, 원자 배치가 불규칙한 것이 특성이다. 연구진은 이론적 계산 및 포항가속기연구소 4D 빔라인을 활용해 비정질 질화붕소의 유전율이 낮은 이유가 원자 배열의 불규칙성 때문이라는 점도 밝혀냈다.

비정질 질화붕소는 대량 생산도 가능하다. 기존 소재는 유전율을 낮출수록 쉽게 파손되는 특성으로 인해 대량 생산이 어려웠다.

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.

삼성전자 종합기술원 신현진 전문연구원은 “유전율 2.5 이하의 고강도 신소재를 발견하며 차세대 반도체 소재 기술력을 한층 끌어올렸다”면서 “학계와 산업계 상호 협력으로 시너지를 창출한 모범 사례”라고 말했다.

최호기자 snoop@etnews.com