얇을수록 저항 줄어드는 신물질 첫 개발…차세대 반도체 활로 (3일)
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2025.01.09 15:15
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오일권 아주대 교수팀이 개발한 비정질 준금속 나노 극초박막 물질을 적용해 만든 반도체 소자. 아주대 제공
국내 연구팀이 미국 연구팀과 공동연구를 통해 기존 금속 물질과 달리 얇아질수록 저항이 줄어드는 신물질을 개발하는 데 성공했다. 개발된 물질을 반도체 배선에 활용하면 차세대 반도체의 원천기술로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
아주대는 오일권 지능형반도체공학과·전자공학과 교수팀이 에릭 팝 미국 스탠퍼드대 전자공학과 교수팀과의 공동 연구를 통해 매우 얇은 박막에서 저항이 줄어드는 차세대 금속 물질을 개발했다고 3일 밝혔다. 연구결과는 2일(현지시간) 국제학술지 '사이언스'에 공개됐다.
반도체 주요 공정인 금속 배선(Metalization)은 반도체 칩 하나에 수십에서 수백억 개가 들어가는 트랜지스터들 사이에 전자가 흐를 수 있는 도로를 놓듯 연결하는 공정이다. 수 cm의 칩 하나에 100km에 달하는 배선이 들어간다.
어떤 물체 내에서 전자가 이동하며 전류가 흐를 때 이를 방해하는 저항(resistance)은 일반적으로 전류가 흐르는 단면적이 좁을수록 커진다. 전자가 이동할 수 있는 경로가 점점 제한되기 때문이다. 물질마다 다른 고유한 저항 특성을 보통 '비저항(resistivity)'이라는 값으로 나타낸다.
반도체 배선이 나노미터(nm, 10억분의 1m) 수준으로 얇아지면 전자가 이동해야 하는 경로 주변에 부딪칠 확률이 높아지면서 비저항 값이 크게 올라간다. 배선의 비저항이 장치 성능을 제한하는 요소로 작용하는 것이다. 반도체 소자가 점점 미세화되면서 비저항이 낮은 배선 물질을 찾는 것이 학계와 산업계의 숙제다.
현재 반도체 배선 재료로 주로 활용되는 구리(Cu)뿐 아니라 대체 물질로 제시된 몰리브데넘(Mo)과 루테늄(Ru)도 일정 두께 이하로 얇아지면 비저항이 급격히 증가해 궁극적인 대체 물질이 필요한 상황이다. 새로운 물질을 공정에 도입하려면 천문학적인 금액이 필요하므로 확실한 이점이 있는 물질을 찾아 도입하는 것이 중요하다.
연구팀은 금속 물질인 나이오븀(Nb)도 두께에 따라 비저항이 증가하지만 Nb을 인(P)과 결합한 준금속 나이오븀인(NbP)과 Nb를 두 층으로 합치면 NbP의 영향으로 두께가 얇아질 때 비저항이 줄어든다는 사실을 발견했다. 초박형 전선의 소재 한계를 뛰어넘을 가능성을 찾은 것이다.
연구팀이 개발한 신물질은 현재 반도체 공정에 적용할 수 있을 정도로 호환성이 좋아 생산 공정에 적용하기에도 용이하다.
대부분의 금속은 원자 배열이 규칙적으로 배열된 결정질 형태에서 전자를 잘 수송하고 비저항이 훨씬 낮다. 이번에 개발된 물질은 원자들이 불규칙적으로 배열된 비정질 상태로 구현돼 기능한다. 배선을 결정질 형태로 만드는 고온의 후속 열처리 공정이 필요 없어 상대적으로 저온인 400℃ 미만에서 공정이 진행된다. 비용 측면에서 유리하다는 뜻이다.
이번 연구에서 아주대 연구팀은 물질 합성과 메커니즘 및 물성 연구를 수행하고 스탠포드대 연구팀은 물질 합성과 전기적 특성 연구를 맡았다.
아주대 연구팀은 후속 연구로 기존 증착법과 달리 박막의 두께를 원자 단위로 조절할 수 있는 공정을 개발하고 있다.
오 교수는 "연구를 통해 확보한 신개념 금속 물질은 한계에 직면한 미래 반도체 기술의 돌파구가 될 수 있다"며 "미래 반도체 산업의 주도권을 선점할 원천기술로 활용될 수 있을 것"이라고 밝혔다.
<참고 자료>
- doi.org/10.1126/science.adq7096
아주대는 오일권 지능형반도체공학과·전자공학과 교수팀이 에릭 팝 미국 스탠퍼드대 전자공학과 교수팀과의 공동 연구를 통해 매우 얇은 박막에서 저항이 줄어드는 차세대 금속 물질을 개발했다고 3일 밝혔다. 연구결과는 2일(현지시간) 국제학술지 '사이언스'에 공개됐다.
반도체 주요 공정인 금속 배선(Metalization)은 반도체 칩 하나에 수십에서 수백억 개가 들어가는 트랜지스터들 사이에 전자가 흐를 수 있는 도로를 놓듯 연결하는 공정이다. 수 cm의 칩 하나에 100km에 달하는 배선이 들어간다.
어떤 물체 내에서 전자가 이동하며 전류가 흐를 때 이를 방해하는 저항(resistance)은 일반적으로 전류가 흐르는 단면적이 좁을수록 커진다. 전자가 이동할 수 있는 경로가 점점 제한되기 때문이다. 물질마다 다른 고유한 저항 특성을 보통 '비저항(resistivity)'이라는 값으로 나타낸다.
반도체 배선이 나노미터(nm, 10억분의 1m) 수준으로 얇아지면 전자가 이동해야 하는 경로 주변에 부딪칠 확률이 높아지면서 비저항 값이 크게 올라간다. 배선의 비저항이 장치 성능을 제한하는 요소로 작용하는 것이다. 반도체 소자가 점점 미세화되면서 비저항이 낮은 배선 물질을 찾는 것이 학계와 산업계의 숙제다.
현재 반도체 배선 재료로 주로 활용되는 구리(Cu)뿐 아니라 대체 물질로 제시된 몰리브데넘(Mo)과 루테늄(Ru)도 일정 두께 이하로 얇아지면 비저항이 급격히 증가해 궁극적인 대체 물질이 필요한 상황이다. 새로운 물질을 공정에 도입하려면 천문학적인 금액이 필요하므로 확실한 이점이 있는 물질을 찾아 도입하는 것이 중요하다.
연구팀은 금속 물질인 나이오븀(Nb)도 두께에 따라 비저항이 증가하지만 Nb을 인(P)과 결합한 준금속 나이오븀인(NbP)과 Nb를 두 층으로 합치면 NbP의 영향으로 두께가 얇아질 때 비저항이 줄어든다는 사실을 발견했다. 초박형 전선의 소재 한계를 뛰어넘을 가능성을 찾은 것이다.
연구팀이 개발한 신물질은 현재 반도체 공정에 적용할 수 있을 정도로 호환성이 좋아 생산 공정에 적용하기에도 용이하다.
대부분의 금속은 원자 배열이 규칙적으로 배열된 결정질 형태에서 전자를 잘 수송하고 비저항이 훨씬 낮다. 이번에 개발된 물질은 원자들이 불규칙적으로 배열된 비정질 상태로 구현돼 기능한다. 배선을 결정질 형태로 만드는 고온의 후속 열처리 공정이 필요 없어 상대적으로 저온인 400℃ 미만에서 공정이 진행된다. 비용 측면에서 유리하다는 뜻이다.
이번 연구에서 아주대 연구팀은 물질 합성과 메커니즘 및 물성 연구를 수행하고 스탠포드대 연구팀은 물질 합성과 전기적 특성 연구를 맡았다.
아주대 연구팀은 후속 연구로 기존 증착법과 달리 박막의 두께를 원자 단위로 조절할 수 있는 공정을 개발하고 있다.
오 교수는 "연구를 통해 확보한 신개념 금속 물질은 한계에 직면한 미래 반도체 기술의 돌파구가 될 수 있다"며 "미래 반도체 산업의 주도권을 선점할 원천기술로 활용될 수 있을 것"이라고 밝혔다.
<참고 자료>
- doi.org/10.1126/science.adq7096
이병구 기자 2bottle9@donga.com
댓글 4
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날씨는어때님의 댓글
비저항에서 비는 아닐 비(非) 자가 아니군요.
여기서 쓰이는 '비(比)' 자는 한자로 '비교하다', '비율' 이라는 뜻이라고 합니다.
여기서 쓰이는 '비(比)' 자는 한자로 '비교하다', '비율' 이라는 뜻이라고 합니다.
푸른미르님의 댓글