반도체 혁신을 위한 소재 연구∙개발에 주력하고 있는 삼성전자 종합기술원. 그간의 연구 성과와 앞으로의 방향에 대해 알아보자.

반도체 소재 난제 해결의 열쇠는 바로 ‘2차원(2D) 소재’

기존 실리콘 기반 반도체 기술의 난제 중 하나는 ‘집적도 향상’. 집적도를 높일수록 더 많은 정보를 빠르게 처리할 수 있지만, 회로 간 전기적 간섭 등 기술적 문제가 증가하게 된다. 2차원 소재(Two-Dimensional, 2D)는 이러한 반도체 업계의 고민을 해결할 수 있는 열쇠로 주목받고 있다.

2D 소재는 물질의 가장 작은 단위인 원자 수준에서도 도체, 부도체 혹은 반도체의 강력한 특성을 가지며, A4용지(약 0.1mm) 약 10만분의 1의 두께로 매우 얇아 잘 휘어지면서도 단단하다.

이 중 가장 대표적인 것이 ‘그래핀(Graphene)’. 삼성전자 종합기술원은 수년간 그래핀을 대면적으로 만들어, 반도체 공정에 적용하기 위한 원천 기술을 연구개발해 왔다. 이러한 원천 기술을 바탕으로 최근에는 반도체 회로를 따라 난 전기길인 배선에 그래핀을 적용하는 데 집중하고 있다. 반도체의 집적도가 증가할수록 회로 간 선폭이 좁아지면서 저항이 커지는데, 그래핀의 촘촘한 육각구조 형태가 저항을 줄이는 가장 얇으면서도 단단한 장벽 역할을 하기 때문.

그래핀 개발 프로젝트 리더인 삼성전자 종합기술원 신현진 전문연구원은 “그래핀을 반도체 공정에 적용하기 위해서는 저온(400°C) 환경에서 대면적으로 웨이퍼 위에 바로 성장시킬 수 있는 기술 개발이 필요하다”며 “종합기술원은 그래핀 양산 적용을 위한 연구개발뿐 아니라 응용 분야 확장에도 힘을 쏟고 있다”고 설명했다.

2D 소재의 변화, 신소재 ‘비정질 질화붕소’의 등장

2D 소재에 대한 삼성전자 종합기술원의 노력은 이번 UNIST와 공동 연구한 비정질 질화붕소(Amorphous Boron Nitride, a-BN)^[1] 발견으로 한 걸음 더 확장되었다.

비정질 질화붕소는 화이트 그래핀의 파생 소재로, 질소와 붕소 원자로 이루어져 있으나 정형화되어있지 않은 분자구조를 가져 화이트 그래핀과 구분된다. 또한, 반도체를 소형화하기 위한 핵심 요소 중 하나인 유전체^[2]로 활용되어, 전기적 간섭을 차단하는 역할을 할 수 있다. 즉, 반도체 집적화가 가속되며 생기는 전기적 간섭이라는 난제를 돌파할 수 있는 열쇠인 셈.

연구팀은 세계 최저 수준의 유전율 1.78을 확보하였을 뿐만 아니라, 저온(400°C) 환경에서도 소재가 반도체 기판 위에서 큰 면적으로 성장이 가능한 것을 입증해, 공정 혁신에 한 걸음 다가섰다. 비정질 질화붕소는 메모리 반도체(DRAM, NAND 등)를 비롯해 시스템 반도체 전반에 걸쳐 적용 가능하며, 특히 고성능이 요구되는 서버용 메모리 반도체에 활용이 기대된다.

삼성전자 종합기술원은 앞으로도 국내외 대학과의 기술협력 등 차세대 소재 개발을 위한 노력을 계속 이어나갈 계획이다. 삼성전자 종합기술원에서 2D 소재 연구개발을 이끌고 있는 박성준 상무는 “최근 2D 소재와 여기서 파생된 신소재 개발이 가속화되고 있지만 공정에 바로 적용하기 위해서는 학계와 기업의 추가적인 연구와 개발이 필요하다” 며, “신소재 연구개발뿐만 아니라, 공정 적용성을 높여 반도체 패러다임 전환을 주도할 수 있도록 지속 노력하겠다”고 전했다.

이는 기존 실리콘의 한계를 극복하고 미래 트랜지스터 개발 가능성을 한단계 높인 것으로 평가되며 세계적 권위의 학술지인 사이언스誌 온라인판에 미국 현지 시간 17일자로 게재됐다.

반도체에는 실리콘(Si) 소재의 트랜지스터가 수십억 개씩 들어 있으며 반도체 성능을 높이려면 트랜지스터의 크기를 줄여 전자의 이동 거리를 좁히거나 전자의 이동도가 더 높은 소재를 사용해 전자가 빠르게 움직이게 해야 한다.

이에 따라 높은 전자 이동도를 갖고 있는 그래핀은 실리콘을 대체할 물질로 각광받아 왔으나, 그래핀이 금속성을 지니고 있어 전류를 차단할 수 없다는 점이 문제점으로 지적되어 왔다. 트랜지스터에서는 전류의 흐름과 차단으로 디지털 신호인 ‘0과 1’을 나타내므로 그래핀을 실리콘 대신 사용하기 위해서는 반도체화 하는 과정을 거쳐야만 한다.

그러나 이 과정에서 그래핀의 이동도가 급감하므로 그래핀 트랜지스터에 대한 회의적인 시각이 많았다. 이번에 삼성전자 종합기술원은 새로운 동작원리를 적용하여 그래핀 자체를 변화시키지 않으면서 전류를 차단할 수 있는 소자를 개발했다.

즉, 그래핀과 실리콘을 접합하여 쇼키 장벽(Schottky Barrier)을 만들고 이 장벽의 높이를 조절하는 방법으로 전류를 켜고 끌 수 있게 한 것이다.

장벽(Barrier)를 직접 조절한다는 의미에서 삼성전자는 새로운 소자를 ‘배리스터(Barristor)’로 명명했다.

또한 디지털 신호인 ‘0’ 또는 ‘1’ 을 상호 변환하는 가장 기본적인 회로인 인버터 등을 제작하여 기본 연산(덧셈)을 구현했다.

이번 논문을 통해 삼성전자는 그래핀 소자 연구의 최대 난제를 해결함으로써 추후 연구에 새로운 방향을 제시했고 관련 분야를 선도할 수 있는 기반을 구축한 것으로 평가되고 있다.

현재 삼성전자는 기술원은 그래핀 트랜지스터의 동작방식과 구조와 관련한 핵심 특허 9건을 확보하고 있다.

▲ 세계적 권위의 국제 학술지 사이언스誌 온라인판 17일자 게재