중국 '반도체 굴기' 따돌릴 수 있는 신소재 개발했다

신현석 UNIST 교수팀 등 공동연구팀

내부 전기간섭 줄이는 비정질 질화붕소 절연체

“상용화시 집적도 향상...반도체 초격차 기대”

초저유전율 절연체 ‘비정질 질화붕소’ 비정질 질화붕소 분자 구조(왼쪽)와 실리콘 기판 위에 비정질 질화붕소 박막이 형성되는 모습.

국내 연구팀이 반도체 소자를 더 미세하게 만들 수 있는 ‘초저유전율 절연체’를 개발했다. 반도체를 더 작게 만드는 데 걸림돌이 되는 절연체의 전기적 간섭 문제를 극복할 수 있는 신소재를 개발한 것이다.

신현석 울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 교수팀은 신현진 삼성전자종합기술원 전문연구원팀, 기초과학연구원(IBS) 등과 공동연구를 통해 반도체 집적도를 높일 수 있는 우수한 절연체를 개발했다고 네이처를 통해 25일 밝혔다.

실리콘 같은 반도체, 금속, 절연체 등으로 구성된 반도체 소자는 집적도를 높이기 위해 단위 소자(회로)를 작게 만들고 작아질수록 증가하는 전기간섭 영향을 줄이는 절연체가 필요하다. 나노미터(㎚:10억분의 1ｍ) 수준의 반도체 공정에서는 내부 전기간섭이 심해져 정보처리 속도가 느려져 초저유전율 신소재 개발이 필요하다. 유전율은 절연체가 외부 전기장에 반응하는 민감도로 낮을 수록 전기적 간섭이 줄어 반도체 소자 내 금속 배선의 간격을 줄일 수 있다.

비정질 질화붕소 박막 형성 과정실리콘 기판(노란색) 위에 붕소 및 질소 증착에 의해 3㎚ 두께의 비정질 질화붕소 박막이 형성되는 과정 시뮬레이션.

연구팀은 유전율이 1.78로 현재 반도체 공정에 사용되는 절연체인 ‘다공성 유기규산염’(유전율 2.5)보다 훨씬 낮은 ‘비정질 질화붕소 소재’를 합성하는 데 성공했다. 육방정계 질화붕소가 기판에 증착되는지 연구하던 중 우연히 ‘비정질 질화붕소’의 우수한 유전율 특성을 발견하고 절연체로 적용 가능하다는 것을 실험을 통해 확인했다.

현재의 반도체 공정 조건에서 플라스마를 도입한 화학기상증착법으로 반도체에 사용되는 기판에 3㎚ 두께의 비정질 질화붕소 박막을 만드는 데 성공했다. 이렇게 만든 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 낮았다.

이는 a-BN을 구성하는 원자 배열이 불규칙해 주변에 전기가 흐를 때 형성되는 내부 분극 현상이 상쇄되기 때문이다. 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 등으로 반도체 산업에 닥친 위기를 이겨내는 데 큰 도움이 될 것”이라며 “‘반도체 초격차 전략’을 이어갈 수 있는 핵심 소재기술”이라고 했다. /고광본 선임기자 [e-mail]