반도체 칩 안의 소자를 더 작게 만들 수 있는 새로운 소재가 개발돼 메모리 등 반도체 칩 작동 속도를 더 빠르게 만들 수 있을 것으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 신현석 교수팀은 삼성전자 종합기술원의 신현진 전문연구원팀, 기초과학연구원(IBS) 등과 국제 공동연구를 통해 반도체 소자를 더 미세하게 만들 수 있는 '초저유전율 절연체'를 개발하는 데 성공했다.

유전율은 외부 전기장에 반응하는 민감도를 의미하며, 유전율이 낮으면 전기적 간섭이 줄어들어 반도체 소자 내 전류가 흐르는 길인 금속 배선의 간격을 줄일 수 있다. 절연체는 전류가 흐르지 않는 물질로, 반도체 소자 내 금속 배선에서 전자가 다른 부분으로 이탈하는 것을 막기 위해 전자이동경로 사이에 절연체를 삽입한다.

반도체 소자의 크기를 줄임과 동시에 정보처리속도를 높일 수 있는 핵심적인 방법이 절연체의 유전율을 낮추는 것인데, 공동 연구팀이 기존 절연체보다 30% 이상 낮은 유전율을 갖는 '비정질(원자 배치가 불규칙) 질화붕소 소재'를 합성하는데 성공했다.

과학기술정보통신부와 UNIST는 이번 성과가 세계 최고 권위의 학술지 네이처에 25일 0시(한국시간) 게재됐다고 밝혔다.

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

현재 반도체 공정에서 사용되는 절연체는 다공성 유기규산염으로 유전율이 2.5 수준이다. 이번에 공동연구팀이 합성한 비정질 질화붕소의 유전율은 1.78로 기술적 난제로 여겨진 유전율 2.5이하 신소재를 발견한 것으로, 반도체 칩의 전력 소모를 줄이고 작동 속도도 높일 수 있게 된다.

연구팀은 또 이론적 계산 및 포항가속기연구소 4D 빔라인을 활용해 비정질 질화붕소의 유전율이 낮은 이유가 '원자 배열의 불규칙성' 때문이라는 점도 밝혀냈다. 또 기존에는 유전율을 낮추기 위해 소재 안에 미세한 공기구멍을 넣어 강도가 약해지는 문제가 있었으나, 비정질 질화붕소는 물질 자체의 유전율이 낮아 이러한 작업 없이도 높은 기계적 강도를 유지할 수 있게 된다.

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 밝혔다.

이번 연구는 유럽연합의 그래핀 연구 프로젝트 파트너인 영국 케임브리지 대학교 매니쉬 초왈라 교수와 스페인 카탈루냐 나노과학기술연구소 스테판 로슈 교수가 참여해 국제 공동연구로 진행됐다.