아주대, 얇을수록 저항 줄어드는 신물질 개발…"반도체 미세공정 돌파구"

아주대·스탠퍼드대 공동 연구
반도체 회로 선폭 줄여 공정 혁신 기대

아주대와 스탠퍼드대 등 국제 공동 연구팀이 개발한 ‘비정질 준금속 나노 극초박막’ 물질을 적용한 반도체 소자. 아주대 제공

국내 연구진이 반도체 초미세 공정에서 나타나는 성능 저하를 막을 수 있는 새로운 금속 물질을 개발했다. 삼성전자와 TSMC가 2나노미터(㎚·10억분의 1m) 미세공정으로 반도체를 생산하기 위해 경쟁하는 가운데, 차세대 반도체의 원천 기술로 활용될 것으로 기대된다.

오일권 아주대 지능형반도체공학과·전자공학과 교수가 이끄는 연구팀은 미국 스탠퍼드대와 공동 연구를 통해 기존 금속과는 다른 성질을 갖는 ‘비정질 준금속 나노 극초박막’ 물질을 개발했다고 밝혔다. 연구 결과는 3일 국제학술지 ‘사이언스’에 실렸다.

반도체의 주요 공정인 ‘금속 배선’은 반도체 칩 안에 있는 수 십~수백억 개의 트랜지스터 소자 사이에 전자가 흐를 수 있도록 연결하는 공정이다. 수 ㎝의 칩 하나에 100㎞에 달하는 배선이 들어간다. 반도체의 성능은 하나의 칩 안에 얼마나 많은 회로와 소자가 들어가는지에 따라 결정된다.

그러나 반도체 공정이 점점 미세화되고 회로에 쓰이는 금속도 얇아지면서, 오히려 금속의 비저항이 높아져 전자 이동에 방해가 되는 부작용도 나타나고 있다. 비저항은 물질이 전류의 흐름에 얼마나 세게 맞서는지를 나타내는 물리량을 뜻한다. 이로 인해 반도체의 정보 전달 속도가 느려지고 성능이 낮아지자 업계에서는 문제 해결을 위한 새로운 금속 물질을 찾고 있다.

이번에 연구팀이 개발한 준금속 물질은 기존 금속들과는 반대로 박막의 두께가 얇아질수록 비저항이 급격히 줄어드는 특성이 있다. 이 물질의 두께가 10나노미터 이하로 작아지면 기존 금속에 비해 반도체 미세화 공정에 적용시 더 우수한 성능을 구현할 수 있다는 점도 확인됐다. 또 이 물질은 호환성이 우수해 기존 반도체 배선공정에도 적용할 수 있고, 고온의 열처리 공정이 필요하지 않아 비용 측면에서 유리하다는 게 연구팀의 설명이다.

오일권 교수는 "그동안 시도된 적 없는 연구를 통해 완전히 새로운 물질에 대해 처음으로 실험적으로 입증해 냈다는 점에서 의미 있는 성과"라며 "이번 연구를 통해 확보한 신개념 금속 물질은 한계에 직면한 미래 반도체 기술의 돌파구가 될 수 있다"고 말했다.

신혜정 기자 arete@hankookilbo.com