아주대 오일권 교수팀, 반도체 미세화 한계 극복할 차세대 新배선물질 세계 최초 개발 … 미래반도체 원천기술로 기대

아주대학교는 지능형반도체공학과·전자공학과 오일권 교수 연구팀이 반도체의 배선 물질로 사용되는 극초박막에서 비저항(저항률)이 작아지는 차세대 금속 물질을 개발했다고 3일 밝혔다.

기존 금속은 박막의 두께가 얇아짐에 따라 비저항이 증가한다. 하지만 연구팀이 개발한 준금속 물질은 반대로 박막의 두께가 얇아짐에 따라 비저항이 급격히 줄어드는 특성을 보인다.

그동안 이론 연구로만 존재했던 미지의 물질에 대해 처음 실험적으로 입증해 낸 것으로, 앞으로 차세대 반도체의 원천기술로 활용될 수 있을 전망이다.

이번 연구에는 미국 스탠퍼드대학 전자공학과 에릭 팝(Eric Pop) 교수와 아시르 인티자르 칸(Asir Intisar Khan) 박사가 각각 교신저자와 제1저자로 함께 참여했다. 아주대 연구팀은 물질 합성과 메커니즘·물성 연구를 수행했다. 스탠퍼드대 연구팀은 물질 합성과 전기적 특성 연구를 맡았다.

반도체의 주요 공정 중 하나인 금속 배선은 반도체 칩 안에 있는 단위 트랜지스터 소재를 연결하는 공정이다. 마치 마을과 마을, 집과 집 곳곳을 연결하는 도로와 같다. 수 ㎝ 크기의 반도체 칩 1개에 100㎞에 달하는 금속 배선 물질이 사용된다. 이 금속을 통해 전자가 흘러 디지털 정보를 저장하거나 연산하는 칩으로 구동된다.

모든 금속은 비저항 값을 가진다. 이는 물질 고유의 특성이다. 그러나 수 나노미터(㎚) 단위의 극초박막에서는 다른 현상이 나타난다. 반도체 소자의 크기가 줄어듦에 따라 금속 배선의 선폭도 작아지는데, 현재 개발된 수준의 반도체 소자는 전자가 충돌까지 걸리는 거리인 자유행정거리(EMFP)보다도 선폭이 작아진 상황이다. 이 때문에 미세화된 배선에서는 전자가 부딪칠 확률이 높아지고, 결국 비저항 값이 비약적으로 상승한다. 반도체 소자의 미세화에 따라 비저항이 더욱 낮은 금속 물질을 찾는 게 산업계와 학계의 화두다.

반도체의 금속 배선 물질로 주로 사용된 구리(Cu)와 구리의 대체 물질로 제시된 몰디브데넘(Mo), 루테늄(Ru) 등도 한계를 보인다. 이 물질들도 특정 두께 이하에서는 비저항이 급격히 증가하는 특성을 보인다. 장기적으로 또 다른 신물질이 필요한 상황이다.

또한 특정 물질을 반도체 공정에 도입하려면 수백억 원에서 수조 원의 투자금이 소요되므로 월등한 성능을 가진 물질에 대한 수요가 높은 실정이다.

아주대 연구팀이 세계 최초로 개발한 위상 준금속 물질은 기존 금속과는 반대로 극초박막에서 비저항이 오히려 작아지는 특성을 보인다. 또한 현재 반도체 공정에 적용할 수 있을 만큼 호환성이 월등하다. 성장 온도가 400도 미만의 저온이고, 일반적 금속이 가지는 결정질의 단결정이나 다결정 형태의 박막이 아닌 비정질 형태의 박막임에도 비저항 역행 현상이 나타나기 때문이다.

대부분 금속은 비정질이 아닌 결정질 형태가 전자를 수송하기 쉽고 비저항도 훨씬 낮다. 이에 반도체 배선 공정도 다결정 형태의 금속 박막을 이용한다. 비정질을 결정질 형태로 만들려면 금속 박막을 증착한 후 고온에서의 열처리 후속 공정이 필요하다.

그러나 연구팀이 새로 개발한 물질은 비정질 물질로 별도의 고온 공정이 필요치 않다. 적은 비용으로 쉽게 구현할 수 있는 비정질 형태이며 저온 공정이 가능하다는 점에서 반도체 배선 물질로 활용하는 데 걸림돌이 없다는 의미다.

아주대 연구팀은 후속 연구로 원자층 증착 공정 기반의 위상 준금속 공정을 개발하는 중이다. 원자층 증착법은 원자 단위로 박막의 두께를 조절할 수 있어 미세화에 더 적합하다.

오 교수는 "이번 연구는 기존에 알려진 금속과 완전히 다른 성질의 신물질을 처음으로 실험적으로 입증했다는 점에서 의미가 있다"며 "한계에 직면한 반도체 기술의 돌파구가 될 수 있다. 미래 반도체 산업의 주도권을 선점할 원천기술로 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구 논문(극초박막 비정질 NbP 준금속 내 표면 전도와 전기 비저항의 감소)은 세계적 저명 학술지 '사이언스' 1월호에 게재됐다.

이번 연구는 한국연구재단 우수신진연구와 아주대 신임 교원 정착연구비 지원을 받아 수행됐다.