나노 크기로 줄어든 반도체, 더 작아지면 외부 전기간섭 취약해져 성능 저하
연구팀, 외부 전기간섭 차단할 新절연체 개발… 기존보다 차단력 30% 향상
"中 추격⋅日 수출 규제 이겨낼 초격차 기술"… 정체된 반도체 발전 재개 기대
국내 연구진이 나노(nm·10억분의 1미터) 크기 반도체의 집적도를 더 높이면 오히려 성능이 떨어지는 역설을 푸는 실마리를 찾았다. 현재 한계에 다다른 반도체 집적도와 성능을 다시 한번 끌어올리는 데 기여할 것으로 기대된다.
신현석 울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 교수와 신현진 삼성전자 종합기술원 전문연구원 등이 참여한 국제 공동 연구진은 반도체 소자(素子)를 더 작게 만들 수 있는 절연체를 개발했다고 25일 밝혔다.
연구결과는 이날 국제 학술지 네이처(Nature)에 게재됐다.
트랜지스터와 같이 전자회로에 들어가는 반도체 소자를 작게 만들어 집적도를 높일수록 정보처리 속도가 높아진다고 알려져있다. 하지만 이미 나노 크기까지 줄어든 반도체 소자는 더 작게 만들면 오히려 속도가 낮아지는 문제가 발생하고 있다.
반도체 소자 주변에 존재하는 외부 전기의 간섭 때문이다. 소자의 크기가 작아질수록 외부 전기의 간섭에 더 취약해진다. 반도체가 전달해야 하는 전기 신호를 방해해 결국 회로 전체의 정보처리 속도가 낮아지는 것이다.
외부 전기의 간섭을 줄이려면 소자에 씌우는 절연체의 ‘유전율’을 낮춰야 한다. 절연체는 전기가 거의 통하지 않는 물질로, 소자를 외부 전기로부터 차단해주는 역할을 한다. 유전율은 물질이 외부 전기에 민감하게 반응하는 정도를 나타내며, 절연체의 유전율이 낮을수록 전기를 잘 차단한다.
2015년 미국 반도체산업협회가 발간한 국제반도체기술로드맵(ITRS)에 따르면 반도체 소자(트랜지스터)의 세대가 거듭될수록 더 낮은 절연체 유전율이 요구된다. 2028년까지 절연체의 유전율을 2.0 이하로 낮춰야 하지만 현재 기술로는 달성하기 어렵다고 평가돼왔다. 현재 반도체에 쓰이고 있는 절연체 ‘다공성 유기규산염’의 유전율은 2.5 수준이다.
연구팀은 포항 방사광가속기를 통해 ‘비정질 질화붕소’라는 물질이 불규칙한 원자 배열을 가져 전기의 흐름을 효과적으로 차단한다는 사실을 발견했다. 이 물질을 통과하는 전자는 마치 구불구불한 길을 지나가야 하는 셈이다. 연구팀은 이 물질을 활용해 유전율을 1.78까지 낮춘 새로운 절연체를 만드는 데 성공했다. 현재보다 30% 정도 낮아진 것이다.
연구팀은 "반도체 집적도의 상승세를 또 한번 끌어올리고 소자의 소형화를 가속화할 원천기술"이라고 설명했다.
신 교수는 "이 물질이 상용화되면 중국의 반도체 굴기와 일본의 소재·부품 수출 규제 등 반도체 산업에 닥친 위기를 이겨내고 반도체 초격차 전략을 이어갈 수 있는 핵심 기술이 될 것"이라고 말했다.