반도체 선폭 초미세화…새 금속 배선 물질 개발

아주대와 美 스탠퍼드대 공동
준금속 물질 인산니오븀 개발
3대 학술지 사이언스에 게재

위상 준금속 기반 반도체 소자 제작을 위해 마스크 패턴을 확인하는 모습. 아주대 제공

국내 연구진이 미국 스탠퍼드대와 함께 반도체 선폭 초미세화의 난제를 해결할 것으로 기대되는 신소재를 개발했다.

아주대는 오일권 교수와 에릭 팝 스탠퍼드대 전자공학과 교수, 아시르 인티자르 칸 박사 공동 연구팀이 얇아질수록 비저항이 작아지는 위상 준금속 물질 인산니오븀(NbP)을 비정질 형태로 개발했다고 최근 밝혔다. 관련 논문은 세계 3대 학술지 ‘사이언스’에 실렸다.

모든 금속은 저마다 다른 비저항 값을 가진다. 비저항은 물질에 얼마나 전류가 잘 흐르는가를 표현하는 전도율과 역의 관계다. 물체의 저항은 비저항이 클수록, 물체의 길이가 길수록, 단면적이 작을수록 커진다.

반도체 주요 공정 중 하나인 배선은 칩 안에 있는 각각의 트랜지스터를 일일이 연결하는 공정이다. 비유하면 도시 내 마을과 마을, 집과 집 등 방방곡곡을 도로로 연결하는 것과 같다. ㎝크기의 반도체 칩 한개엔 무려 100㎞에 달하는 금속 배선이 사용되는 것으로 알려졌다. 이 금속 배선을 통해 전자가 흘러 정보를 저장하거나 연산하는 게 가능해진다.

반도체 소자의 크기가 초미세화되면서 배선 선폭도 계속 좁아졌다. 이 때문에 전자가 부딪힐 확률이 높아지고 비저항 값도 급격히 상승하고 있다. 더 낮은 비저항을 갖는 금속 물질을 찾는 것이 산업계와 학계의 화두다. 반도체 금속 배선엔 구리가 주로 사용됐다. 최근엔 몰리브데넘, 루테늄 등이 대안으로 거론되고 있지만 이 역시 한계를 보이고 있어 새로운 물질에 대한 수요가 높아졌다.

연구팀이 개발한 위상 준금속 물질 인산니오븀은 기존 금속과 반대로 극초박막에서 비저항이 오히려 작아지는 특성을 보였다. 연구팀 관계자는 “새로 개발한 비정질 위상 준금속 물질은 별도의 고온 공정이 필요하지 않아 적은 비용으로 반도체 배선에 사용할 수 있다”며 “이번 연구성과가 미국, 중국, 일본, 대만 등에 둘러싸여 치열한 경쟁을 해야 하는 한국 반도체 산업에 도움이 되기를 기대한다”고 말했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단의 지원을 받았다.

이해성 기자 ihs@hankyung.com