반도체 칩 ‘더 작고 빨라진다’…전기 간섭 최소화한 新소재 개발

UNIST-삼성전자종합기술원 등 국제공동연구로 ‘초저유전율 절연체’ 개발

반도체 칩 안의 소자를 더 작게 만들 수 있는 새로운 소재가 개발됐다. 이 소재를 이용하면 메모리와 같은 반도체 칩의 작동 속도를 더 빠르게 만들 수 있다. .

신현석 교수/사진=UNIST

울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 신현석 교수팀, 삼성전자 종합기술원 신현진 전문연구원팀, 기초과학연구원(IBS), 영국 케임브리지대 매니쉬 초왈라 교수팀, 스페인 카탈루냐 나노과학기술연구소 스테판 로슈 교수팀으로 이뤄진 국제공동연구팀이 기존 반도체 소자를 더 미세하게 만들 수 있는 ‘초저유전율 절연체’를 개발했다고 25일 밝혔다.

여기서 ‘유전율’은 외부 전기장에 반응하는 민감도를 말한다. 유전율이 낮으면 전기적 간섭이 줄어 반도체 소자 내 전류가 흐르는 길인 금속 배선의 간격을 줄일 수 있다. ‘절연체’는 반도체 소자 내 금속 배선에서 전자가 다른 부분으로 이탈하는 것을 막기 위해 삽입하는 부품이다.

현재 나노미터(nm) 단위의 반도체 공정에선 소자가 작아질수록 내부 전기 간섭 현상이 심해져 오히려 정보처리 속도가 느려진다. 이 문제를 해결하려면 전기 간섭을 최소화할 수 있는 낮은 유전율을 가진 신소재를 개발해야 한다. 연구팀은 기존 절연체 보다 30% 이상 낮은 유전율을 갖는 ‘비정질 질화붕소 소재’를 개발했다.

현재 반도체 공정에서 사용되는 절연체는 ‘다공성 유기규산염’(p-SiCOH)으로 유전율이 2.5 수준이다. 연구팀의 비정질 질화붕소의 유전율은 1.78이다. 연구팀은 “비정질 질화붕소 소재로 반도체 칩을 생산하면 전력 소모를 줄이고 작동 속도는 높일 수 있다”고 설명했다.

연구팀은 이와 함께 포항가속기연구소 4D 빔라인을 통해 비정질 질화붕소의 유전율이 낮은 이유가 ‘원자 배열의 불규칙성’ 때문이란 점도 밝혀냈다.

기존에는 유전율을 낮추기 위해 소재 안에 미세한 공기 구멍을 냈다. 이럴 경우 강도가 약해지는 문제가 발생한다. 비정질 질화붕소는 물질 자체의 유전율이 낮기 때문에 이런 작업을 하지 않아도 높은 기계적 강도를 유지할 수 있다는 게 연구팀의 설명이다.


신 교수는 “이번에 개발한 물질이 상용화된다면 중국의 반도체 굴기와 일본의 수출 규제 등 반도체 산업에 닥친 위기를 이겨내는 데 큰 도움이 될 것”이라고 말했다. 신 전문연구원은 “이번 연구결과는 반도체 산업계에서 기술적 난제로 여겨지던 부분에 대해 학계와 산업계가 상호 협력을 통해 해결방안을 찾아낸 모범적 사례”라고 말했다. 이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처’에 게재됐다.