고집적 반도체 혁신 기술 개발...이달의 과학기술인상에 신현석 UNIST 교수

신현석 UNIST 교수. 과기정통부 제공.

초미세·고집적 반도체 핵심기술인 초저유전물질 합성법을 개발해 반도체 미세공정 혁신 기반을 마련했다는 평가를 받은 신현석 울산과학기술원(UNIST) 화학과 교수가 5월 ‘이달의 과학기술인상’ 수상자로 선정됐다. 

‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 매월 1명씩 선정, 과기정통부 장관상과 상금 1000만원을 수여하는 상이다.

반도체 칩 성능은 트랜지스터의 스위칭 속도에 좌우된다. 소자가 고집적화·소형화되면서 집적회로의 배선 구조에서 발생하는 ‘신호전달 지연’이 칩 성능을 결정한다. 신호 처리 속도를 높이기 위해 집적회로 금속 배선 사이에 증착되는 절연체 유전율을 낮추는 기술이 필요하다. 

유전율은 외부 전기장에 반응하는 민감도를 의미한다. 초저유전율 절연체는 유전율을 줄이는 핵심 소재다. 

신현석 교수 연구팀은 순수한 비정질 질화붕소(aBN)가 유전율(1.89)이 매우 낮아 메모리 반도체와 시스템 반도체 전반에 적용 가능한 소재라는 사실을 밝혔다. 화학기상증착(CVD) 방법에 플라즈마 기술을 도입, 3nm(나노미터, 10억분의 1미터) 두께의 매우 얇은 비정질 질화붕소(aBN) 박막 증착에 성공했다. 

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. 실험 결과 비정질 질화붕소(aBN) 박막은 유전율이 낮을 뿐만 아니라 기계적·전기적 성질도 우수해 금속 원자의 이동을 막는 방지막으로도 적용 가능함을 확인, 연구결과를 국제학술지 ‘네이처’에 2020년 6월 발표했다. 

신 교수 연구팀은 또 같은 질화붕소 소재인 육방정계 질화붕소(hBN)를 이용해 박막의 층수를 조절할 수 있는 단결정 hBN 합성법을 개발해 반도체 소재를 대면적화할 수 있는 해법도 제시했다. 이 연구도 2022년 6월 네이처에 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. 

[김민수 기자 reborn@donga.com]