크기는 더욱 작고 성능은 더욱 뛰어난 차세대 고집적(高集積) 반도체 칩을 개발하는 데 필요한 핵심 원천기술을 국내 연구진이 세계 최초로 개발했다.
2일 과학기술정보통신부(과기정통부)와 과학 학술지 네이처(Nature), 울산과학기술원(UNIST)에 따르면 신현석 UNIST 교수가 이끄는 연구팀이 단결정(單結晶·single crystal) 형태의 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride, hBN)를 여러 층으로 합성하는 데 성공했다.
연구 결과가 담긴 논문은 이날 네이처에 게재됐다.
이번 연구는 집적도(集積度)가 매우 높은 차세대 반도체 칩을 개발하는 데 관건으로 꼽혀 온 ‘2차원 절연체’ 소재를 자유자재로 합성하는 기술에 관한 것이다.
반도체 기술이 발전하면서 칩의 집적도는 수십년간 빠른 속도로 계속 증가해 왔으며, 요즘 쓰이는 손톱만 한 반도체칩 안에는 수십억 개의 미세소자(트랜지스터)가 들어있다. 집적도와 성능을 높이려면 미세소자를 더 작고 얇게 만들어야 하는데, 미세소자의 재료인 실리콘을 나노공정으로 계속 얇게 깎다 보면 단채널 효과(누설전류 및 발열 문제로 인한 트랜지스터 채널 손상)나 전하 산란 등 문제점이 발생하게 된다.
이런 한계를 극복하기 위해 ‘2차원 소재’를 쓰는 방안이 거론되고 있다. 2차원 소재란 물질의 두께가 원자 수준으로 얇다는 뜻이다.
2차원 소재는 구성 원자끼리 평면 형태로 연결돼 있어 3차원 소재에서 발생하는 전하 산란이 일어나지 않는다는 장점이 있다.
따라서 차세대 고집적 반도체 개발에는 기존의 3차원 소재인 실리콘을 이황화몰리브덴(MOS₂)과 같은 2차원 소재로 대체하는 기술이 중요해졌다.
이를 통해 전류누설과 발열 등의 문제를 해결하면서도 칩의 집적도를 더욱 높일 수 있다.
다만, 차세대 고집적 반도체를 완성하기 위해서는 웨이퍼(반도체 기판)와 이황화몰리브덴을 물리적으로 분리해주는 2차원 절연체(열이나 전기를 잘 전달하지 않는 물체)가 필요했다.
이황화몰리브덴이 웨이퍼에 직접 닿으면 전하가 갇히는 ‘전하 트랩’ 현상이 발생했기 때문이다.
또, 이황화몰리브덴을 2차원 소재로 사용하므로 전하 산란을 막기 위해 절연체 역시 2차원 소재여야 했다.
육방정계 질화붕소(hBN)는 전하트랩과 전하산란 등 기능저하 문제를 막을 수 있는 것으로 현재까지 알려진 유일한 2차원 절연체 소재다. 붕소(B)와 질소(N)가 육각형 벌집 모양으로 놓여있는 물질로, ‘화이트 그래핀’이라고 불리기도 한다.
그러나 육방정계 질화붕소를 반도체 소자에 쓸 수 있을 만큼 적절한 두께의 단결정 형태로 합성하는 기술을 개발하는 것이 매우 어려웠다.
신 교수가 이끄는 연구팀은 합성에 필요한 재료의 농도를 조절하는 새로운 합성 방식을 도입해 단결정 니켈(Ni) 기판 위에서 여러 층의 단결정 박막을 ‘에피택시 성장'(epitaxy growth) 시켰다.
에피택시 성장이란 결정기판 위에서 단결정을 성장시키는 방법을 말한다.
연구팀은 이 방법으로 2층, 3층, 5층 등 여러 다층 박막 형태로 단결정을 합성하는 데 성공했다. 육방정계 질화붕소의 두께를 조절해가며 합성하는 기술을 개발한 것은 세계 최초다.
신 교수는 연합뉴스와 전화 인터뷰에서 “실리콘을 이용해 기존 반도체에서 집적도를 향상하고 무어의 법칙(반도체 집적회로의 소자 수가 대략 2년마다 두 배로 증가하는 경향)을 연장하는 데는 물리적 한계에 다다랐다”며 “기존 소재의 단점을 극복하는 원천 기술을 개발했다”고 연구 성과를 설명했다.
신 교수는 “아직 산업 현장에 사용하기 위한 기술적 노력은 더 필요하다”며 “반도체 외에도 향후 차세대 이차전지와 양자정보 기술 등에 활용될 수 있으며, 추가 연구를 해야 한다”고 말했다.
제1저자인 마경열 연구원은 “상용화가 가능한 큰 크기의 육방정계 질화붕소를 합성한 사례가 발표된 바 있지만, 이는 모두 원자 한 층 두께였다”며 “원료의 농도를 미세하게 조절하는 합성 방식으로 육방정계 질화붕소를 궁극적인 목표인 단결정 다층 박막 형태로 합성해 낼 수 있었다”고 설명했다.
이번 연구에는 UNIST 화학과 신현석 교수팀, 신소재공학과 펑 딩 교수팀, 화학과 로드니 루오프 교수팀, 영국 케임브리지대 매니쉬 초왈라 교수팀이 참여했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 리더연구사업, 기초연구실사업, 미래기술연구실사업, 세종과학펠로우십, 기초과학연구원(IBS)의 지원을 받았다.