반도체 칩 안 소자 “좀 더 작고, 더 빠르게”

[산업일보]
반도체 소자의 고집적화가 가속화 하면서 소자의 크기는 점점 작아졌다. 전통적으로 칩(Chip)의 성능(속도)은 트랜지스터의 스위칭 속도에 좌우됐으나, 소자의 크기가 작아지면서 빠른 스위칭 속도보다 배선 구조에서 발생하는 ‘신호전달 지연(RC delay: R은 금속 배선의 저항, C는 금속 배선 사이의 유전체 커패시턴스)’이 칩의 작동 성능을 좌우하게 됐다.

RC delay를 감소하기 위해 집적회로 백엔드 공정(BEOL ,back-end-of-line)5)의 금속 배선 사이에 증착되는 유전체(절연체)6)의 유전율7)을 줄이거나 금속배선의 전기저항 감소가 절대적으로 필요하다.

2015 ITRS 로드맵(미국 반도체 산업협회 발간하는 보고서)에 따르면, 트랜지스터의 세대가 거듭될수록 요구되는 유전물질(절연체)의 유전율은 감소하고 2028년에는 유전상수 2.0 이하의 유전체 개발이 필요하다. 하지만 현존 기술로는 불가능해, 초저유전 소재 개발이 IC칩(집적회로)의 집적화에서 한계점 중의 하나로 지목됐다.

최근 미세공정 한계룰 돌파 가능한 신소재가 개발됐다.

반도체 칩 안의 소자를 '더 작게' 만들 수 있는 새로운 소재다. 이 소재를 이용하면 메모리와 같은 반도체 칩의 작동 속도를 '더 빠르게' 만들 수 있을 것으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 신현석 교수팀이 삼성전자 종합기술원의 신현진 전문연구원팀, 기초과학연구원(IBS) 등과 국제공동연구를 통해 반도체 소자를 더 미세하게 만들 수 있는 ‘초저유전율 절연체’를 개발하는데 성공했다.

반도체 소자의 크기를 줄임과 동시에 정보처리속도를 높일 수 있는 핵심적인 방법이 절연체의 유전율을 낮추는 것인데, 공동 연구팀이 기존 절연체 보다 30% 이상 낮은 유전율을 갖는 ‘비정질 질화붕소 (amorphous boron nitride) 소재’를 합성하는데 성공한 것이다.

과학기술정보통신부(장관 최기영)와 UNIST(총장 이용훈)는 이번 성과가 세계 최고 권위의 학술지 네이처(Nature, IF 43.070)에 25일 0시(한국시간) 게재됐다고 밝혔다.

현재와 같은 나노미터 단위의 반도체 공정에서는 소자가 작아질수록 내부 전기 간섭 현상이 심해져 오히려 정보처리 속도가 느려지게 된다. 이러한 이유로 전기 간섭을 최소화하는 낮은 유전율을 가진 신소재 개발이 반도체 한계 극복의 핵심이라고 알려져 있다.

현재 반도체 공정에서 사용되는 절연체는 다공성 유기규산염(p-SiCOH)으로 유전율이 2.5 수준이다. 이번에 공동연구팀이 합성한 비정질 질화붕소의 유전율은 1.78로 기술적 난제로 여겨진 유전율 2.5이하의 신소재를 발견한 것이며, 이를 통해 반도체 칩의 전력 소모를 줄이고 작동 속도도 높일 수 있을 것으로 기대된다.

기존에는 유전율을 낮추기 위해 소재 안에 미세한 공기 구멍을 넣어 강도가 약해지는 문제가 있었으나, 비정질 질화붕소는 물질 자체의 유전율이 낮아 이러한 작업 없이도 높은 기계적 강도를 유지할 수 있게 됐다.

제1저자인 홍석모 UNIST 박사과정 연구원은 “낮은 온도에서 육방정계 질화붕소(화이트 그래핀)가 기판에 증착되는지 연구하던 중 우연히 ‘비정질 질화붕소’의 유전율 특성을 발견했고, 반도체 절연체로써 적용 가능성을 확인했다”고 연구과정을 밝혔다.

교신저자인 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 전략’을 이어갈 수 있는 핵심 소재기술”이라고 강조했다.

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.

뿐만 아니라, 유럽연합의 그래핀 연구 프로젝트(Graphene Flagship)파트너인 영국 케임브리지 대학교 매니쉬 초왈라 교수와 스페인 카탈루냐 나노과학기술연구소 스테판 로슈 교수가 참여해 국제 공동연구로 진행됐다. 그래핀을 포함한 2차원 물질에 대한 연구 프로젝트로 약 1조3천592억 원(10억 유로)을 투자하는 유럽 연합의 최대 규모 연구 프로젝트다.

연구 수행은 과학기술정보통신부의 기초연구실, 중견연구(전략) 및 기초과학연구원(IBS), 삼성전자의 지원으로 이뤄졌다.