삼성전자 반도체 신소재 개발!(울산과학기술원 공동)

 

'대한민국' 자랑스러운 반도체 분야 세계적 선도 나라이며 반도체 강국입니다.
반도체 분야는 4차 산업혁명시대 그리고 모든 스마트기기 분야에서 가장 필수적인 산업입니다.
여러 나라에서 우리나라의 반도체 기술력을 따라오려고 많은 노력을 하고 있으며, 이미 몇몇 나라에서는 그 성과를 거두고 있습니다.

하지만~~ 역시 반도체는 우리 대한민국입니다.
이번 과학기술정보통신부에 따르면 삼성전자 종학기술원과 울산과학기술원이 공동연구를 해서 반도체 내부 전기 간섭을 최소화하는 신소재를 개발했습니다. 
것은 이제 반도체 분야 모든 기기가 더 작고, 더 빠르게 사용할 수 있는 새로운 길을 선보인 대박 개발입니다.
공동연구 성과는 세계적 과학 학술지에 게재되는 기쁨을 전했습니다.

이번 반도체 미세공정 한계를 돌파할 신소재 가발은 반도체 분야 그리고 응용 모든 분야에서 크게 성과를 이룰 것을 생각합니다.
^^;; 역시 경제 공부 더 열심히 해서 응용분야에 대한 지식을 더 쌓아야겠습니다~~`

《네이처》(영어: Nature)는 세계에서 가장 오래되고 저명하다고 평가되는 영국의 과학 학술지다. 1869년 11월 4일에 조지프 로키어 경이 창간했다. 네이처 출판 그룹(Nature Publishing Group)의 플래그쉽 출판물로 종합과학분야를 다루는 주간지이며 1869년 창간되었다.

 

“더 작고, 더 빠르게” 반도체 미세공정 한계 돌파 가능한 신소재 개발

- 반도체 내부 전기 간섭 최소화하는 소재 개발로 집적도·성능 향상 가능 -
- 울산과학기술원-삼성전자 종합기술원 공동연구, 네이처 논문 게재 -

 

 

□ 반도체 칩 안의 소자를 “더 작게” 만들 수 있는 새로운 소재가 개발되었다. 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.
* 유전율 : 외부 전기장에 반응하는 민감도를 의미하며, 유전율이 낮으면 전기적 간섭이 줄어들어 반도체 소자 내 금속 배선(전류가 흐르는 길)의 간격을 줄일 수 있음
** 절연체 : 전류가 흐르지 않는 물질을 의미하며, 반도체 소자 내 금속 배선에서 전자가 다른 부분으로 이탈하는 것을 막기 위해 전자이동경로 사이에 절연체를 삽입함

◦ 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.
* 원자 배치가 규칙적인 육방정계 질화붕소(일명 화이트그래핀)와 달리, 원자 배치가 불규칙한 질화붕소

◦ 과학기술정보통신부(장관 최기영)와 UNIST(총장 이용훈)는 이번 성과가 세계 최고 권위의 학술지 네이처(Nature, IF 43.070)에 6월 25일 0시(한국시간) 게재되었다고 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.

<‘15년 국제반도체기술로드맵(ITRS: International Technology Roadmap for Semiconductors)>
‣트랜지스터의 세대가 거듭될수록 유전율이 낮은 절연체의 개발이 필수적이며, 초저유전율 소재 개발이 반도체 집적회로의 집적화의 한계점 중 하나임

◦ 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.

◦ 연구팀은 이론적 계산 및 포항가속기연구소 4D 빔라인을 활용해 비정질 질화붕소의 유전율이 낮은 이유가 ‘원자 배열의 불규칙성’ 때문이라는 점도 밝혀냈다.

◦ 뿐만 아니라, 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 되었다.

 

 

□ 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.

ㅇ 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.

◦ 또한 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 참여하여 국제 공동연구로 진행되었으며,
* 그래핀을 포함한 2차원 물질에 대한 연구 프로젝트로 약 1조 3,592억원(10억유로)을 투자하는 유럽 연합의 최대 규모 연구 프로젝트

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

 

연구결과 개요

 

 

□ 연구배경

반도체 소자1)의 고집적화가 가속화됨에 따라, 소자의 크기는 점점 작아졌다. 전통적으로 칩(Chip)의 성능(속도)은 트랜지스터2)의 스위칭 속도3)에 좌우됐으나, 소자의 크기가 작아지면서 빠른 스위칭 속도보다 배선 구조에서 발생하는 ‘신호전달 지연4)(RC　delay: R은 금속 배선의 저항, C는 금속 배선 사이의 유전체 커패시턴스)’이 칩의 작동 성능을 좌우하게 됐다.

따라서 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.

 

□ 연구내용

연구팀은 플라즈마를 도입한 화학기상증착 방법을 이용해 실리콘(Si), 실리콘산화물(SiO₂), 구리(Cu) 등의 BEOL에 사용되는 기판에 3㎚ 두께의 매우 얇은 비정질 질화붕소(a-BN, amorphous BN) 8) 박막 증착에 성공했다.

a-BN을 고분해능 투과전자현미경(TEM)으로 관찰했을 때 기존에 보고된 a-BN보다 결정성이 낮았다. 광학적으로는 많이 연구된 육방정계 질화붕소(화이트 그래핀)와는 확연히 차이가 나는 광학적 물성을 보였다.

또한 a-BN을 이용해 간단한 전기소자(캐패시터)9)를 만들어 유전율을 측정해 보았는데, 기존에 보고된 여러 초저유전물질들과 비교했을 때 상당히 낮은 유전율(1.78, 100 KHz의 교류전류 주파수), 1.16 (1 MHz의 교류전류 주파수)을 나타냈다.

 

유전율뿐만 아니라 기존에 보고된 물질과 비교했을 때 기계적 물성도 우수하다. 일반적인 절연체로 사용되는 실리콘산화물과 유사한 고밀도로, 높은 강도 갖고 있으면 실리콘이나 구리 기판과의 접착력이 매우 높다.

금속 원자의 이동을 막는 금속 확산 방지막10)으로도 적용이 가능하다. 실리콘 기판 위에 형성된 a-BN 박막 위에 코발트(Co) 금속을 증착한 후 온도를 600℃로 올려 코발트 금속 원자가 a-BN을 뚫고 실리콘 기판으로 이동하는지를 보는 ‘베리어 평가’를 실시했는데, 코발트 금속의 이동을 완벽히 막아내는 매우 우수한 방지막의 특성을 보였다.

분자동역학(molecular dynamic simulation)을 이용한 이론적인 계산(NEXAFS)과 분석 등으로 근본적으로 물질의 극성이 무작위 방향으로 배열돼 있어 굉장히 낮은 유전율을 보이는 것으로 규명됐다.

 

□ 기대효과

배선금속과 초저유전물질이 들어가는 후공정(BEOL)은 메모리뿐만 아니라 비메모리까지 반도체 산업 전 영역에 걸쳐 사용되는 기술이다. 새로운 초유전물질의 개발은 감소하고 있는 초고밀도 집적회로(Very-large-scale integration; VLSI) 집적도의 상승세를 또 한 번 끌어올리고 소자의 소형화를 가속화 할 수 있는 원천기술이 될 것으로 기대한다.

 

본 저작물은 ‘과학기술정보통신부’에서 ‘20년’ 작성하여 공공누리 제1유형으로 개방한 ‘울산과학기술원(UNIST)과 삼성전자 종합기술원, 반도체 미세공정 한계 돌파 가능한 신소재 개발(작성자:김미미 사무관)’을 이용하였으며, 해당 저작물은 ‘과학기술정보통신부 홈페이지’에서 무료로 다운받으실 수 있습니다.

https://www.msit.go.kr/web/main/main.do

과학기술정보통신부

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