5월 과학기술인상, 울산과학기술원 신현석 교수 선정

- 반도체 미세공정 한계 돌파할 비정질 질화붕소 박막 합성 성공

과학기술정보통신부(장관 이종호, 이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이사장 이광복, 이하 ‘연구재단’)은 이달의 과학기술인상 5월 수상자로 울산과학기술원(UNIST) 화학과 신현석 교수를 선정했다고 지난달 3일 밝혔다. ‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 상이다.
  과기정통부와 연구재단은 신현석 교수가 초미세, 고집적 반도체 핵심기술인 초저유전물질 합성법을 개발하여 반도체 미세공정 혁신 기반을 마련한 공로를 높이 평가했다고 밝혔다.
  전통적으로 반도체 칩 성능은 트랜지스터의 스위칭 속도에 좌우됐지만, 소자가 고집적화·소형화되면서 집적회로의 배선 구조에서 발생하는 ‘신호전달 지연(RC delay)’이 칩 성능을 좌우하고 있다. 이에 따라 신호처리 속도를 높이기 위해 집적회로 금속 배선 사이에 증착되는 절연체1) 유전율2)을 낮추는 기술이 요구되고 있다. ‘초저유전율 절연체’는 유전율을 줄이는 핵심 소재이다
  신현석 교수 연구팀은 순수한 비정질 질화붕소(aBN)가 유전율(1.89)이 매우 낮아, 메모리 반도체와 시스템 반도체 전반에 적용 가능한 소재임을 밝혔다. 나아가 화학기상증착(CVD) 방법에 플라즈마 기술을 도입하여, 3nm 두께의 매우 얇은 비정질 질화붕소(aBN) 박막 증착에 성공하였다.
  비정질 구조는 어느 한 방향으로 결정성을 가지지 않고 3차원에서 무작위한 방향성을 가지기 때문에 낮은 유전상수를 나타낸다. 신 교수 연구팀이 개발한 ‘비정질 질화붕소’ 박막은 붕소와 질소만으로 이루어진 순수한 비정질 박막으로 유전율 2.0 이하를 기록했다. 이는 현재 반도체 산업에 주로 사용되는 다공성 유기규산염 유전율 2.5보다 30% 낮은 수치이다.
  실험결과 비정질 질화붕소(aBN) 박막은 유전율이 낮을 뿐만 아니라 기계적·전기적 성질도 우수해 금속 원자의 이동을 막는 방지막으로도 적용 가능함을 확인하였고, 관련 성과를 국제학술지 네이처(Nature)에 2020년 6월 발표했다. 또한 같은 질화붕소 소재인 육방정계 질화붕소(hBN)를 이용해 박막의 층수를 조절할 수 있는 단결정 hBN 합성법을 개발하여 반도체 소재의 대면적화 해법도 제시하였다. 관련 내용은 네이처(Nature)에 2022년 6월 게재됐다.
  신현석 교수는 “초저유전물질 원천소재 개발은 반도체 칩 전력소모를 줄이고, 정보 처리속도를 높일 수 있는 핵심기술”이라며 “우리나라 반도체 초격차 전략을 이어갈 핵심 소재 기술로 발전할 수 있도록 후속 연구에 매진하겠다”라고 밝혔다.

[주요 연구성과 설명]

<반도체 미세공정 한계 돌파 가능한 비정질 질화붕소 박막 합성>

<그림 1> 대면적 비정질 질화붕소 박막 증착 기술
  화학기상증착(CVD) 방법에 플라즈마 기술을 도입하여, 실리콘(Si), 실리콘산화물(SiO2), 구리(Cu) 기판에 3nm 두께의 매우 얇은 비정질 질화붕소(aBN) 박막 증착에 성공했다. 이러한 증착 방법은 저온(400℃)에서도 4인치 웨이퍼에 비정질 질화붕소를 성장시킬 수 있는 가능성을 입증하여, 공정 혁신에 한 걸음 더 다가갔다. 또한 비정질 구조는 어느 한 방향으로 결정성을 가지지 않고 3차원에서 무작위한 방향성을 가지기 때문에 낮은 유전상수를 나타낸다.

<그림 2> 반도체 초격자를 위한 초저유전 소재
반도체 소자의 고집적화로 소자의 크기는 계속해서 작아지고 있다. 전통적으로 칩의 성능은 트랜지스터의 스위칭 속도에 영향을 받았지만, 소자의 크기가 줄어들면서 배선 구조에서 발생하는 ´신호전달 지연(RC delay)´이 칩의 작동 성능을 좌우하게 되었다. 이에 따라 반도체 소자의 크기를 줄이고 신호전달 속도를 높이기 위해서는 유전소재의 유전율을 낮추어야 한다. 연구팀은 비정질 질화붕소(aBN)가 낮은 유전율(1.89 @ 100kHz)을 가진다는 것을 확인하였다. 이는 현재 반도체 공정에서 사용되는 절연체인 다공성 유기규산염(p-SiCOH)보다 30% 이상 낮은 유전율이다. 비정질 질화붕소의 낮은 유전율은 원자 배열의 불규칙성 때문이라고 밝혔으며, 이를 이용하여 메모리 반도체(DRAM, NAND 등)와 시스템 반도체 전반에 적용 가능하다는 것을 제안했다. aBN는 반도체 산업에 닥친 위기를 이겨내고 반도체 초격차 전략을 이어갈 핵심 소재가 될 것으로 기대된다.

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