얇을수록 저항 줄어드는 신물질 개발…미래 반도체 공정 돌파구 될까

아주대·스탠퍼드대 연구성과
국제학술지 사이언스에 게재

아주대 오일권 교수팀이 개발한 새로운 물질을 적용한 반도체 소자. [사진=아주대]

반도체 소자의 미세화에 따라 업계에서는 더 낮은 비저항의 금속 물질이 필요하다고 보고 있다. 비저항의 물질이 있어야 반도체 내 전자의 움직임이 수월해지기 때문이다.

한국과 미국 국제 공동연구팀이 반도체 산업의 기술적 한계를 돌파할 새로운 금속물질을 개발했다. 박막의 두께가 줄어듦에 따라 비저항이 급격히 줄어드는 특성을 보이는 물질로 향후 차세대 반도체의 원천기술로 활용될 것으로 기대된다.

아주대는 오일권 지능형반도체공학과·전자공학과 교수와 에릭 팝 미국 스탠포드대 전자공학과 교수 공동 연구팀이 이 같은 연구결과를 세계 최고 학술지로 꼽히는 ‘사이언스’에 3일 게재했다고 밝혔다.

연구팀은 “지난 10년 간 반도체 관련 논문이 사이언스에 게재된 사례가 거의 없었다”며 “그만큼 연구의 희소성이나 유망성이 인정받은 것”이라고 밝혔다.

반도체의 주요 공정 중 하나인 금속 배선은 반도체 칩 안에 있는 단위 트랜지스터 소재를 연결하는 공정이다. 마치 옹기종기 모여있는 마을과 마을, 집과 집 곳곳을 연결하는 도로와 같아, 수 cm 수준의 반도체 칩 한 개에 100km에 달하는 금속 배선 물질이 사용된다. 이 금속을 통해 전자가 흘러 정보를 저장하거나 연산해 하나의 칩으로 구동된다.

반도체 미세화에 따라 금속 배선의 선폭도 줄고 있다. 현재 개발되고 있는 반도체 소자는 전자가 충돌까지 걸리는 거리인 ‘자유행정거리(EMFP)’보다도 선폭이 작아졌다. 이 때문에 전자가 부딪힐 확률이 높아지고, 저항값이 커지고 있다.

업계와 학계에서는 이 저항값을 낮추는데 주력 중이다. 반도체의 금속 배선 물질로 주로 사용되어온 구리(Cu) 대신 몰디브데넘(Mo), 루테늄(Ru) 등의 물질이 대체 물질로 제시되나, 이 물질들 역시 특정 두께 이하에서는 비저항이 급격히 증가하는 특성을 가지고 있다.

연구팀은 “당장은 구리를 대체할 수 있다고 해도, 결국에는 또 다른 신물질이 필요한 상황”이라고 설명했다.

연구팀이 개발한 물질은 기존 금속들과는 정반대로 극초박막에서 비저항이 오히려 작아지는 특성을 보인다. 박막의 두께가 줄어듦에 따라 비저항이 증가하는 기존 금속들과는 반대로, 박막의 두께가 줄어듦에 따라 비저항이 급격히 줄어드는 것이다.

반도체 제작 공정 간편화에도 기여할 것으로 기대된다. 반도체 배선 공정에는 고온에서의 열처리 후속 공정이 필요하다. 연구팀이 개발한 물질은 별도의 고온 공정이 필요없다.

연구 관계자는 “현재 반도체 공정에 적용할 수 있을 정도로 호환성이 월등하다”며 “반도체 배선 물질에 실제 활용이 바로 가능하다”고 밝혔다.

오 교수는 “이번 연구를 통해 확보한 신개념 금속 물질은 한계에 직면한 미래 반도체 기술의 돌파구가 될 수 있다”라며 “미래 반도체 산업의 주도권을 선점할 원천기술로 활용될 수 있을 뿐 아니라, 응용 가능성이 무한하다”고 밝혔다.

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