아주대, 반도체 기술 한계 극복할 新물질 개발

[이데일리 신하영 기자] 아주대 연구진이 기존에 알려진 금속과는 완전히 다른 성질을 가진 비정질 준금속 나노 극초박막 물질을 개발했다. 그간 이론 연구로만 존재했던 미지의 물질을 실험으로 첫 입증한 것으로 향후 반도체 원천기술로 활용될 전망이다.

사진=아주대 제공

아주대는 오일권(사진) 지능형반도체공학과 교수팀이 이러한 연구 성과를 거뒀다고 3일 밝혔다. 이번 연구에는 미국 스탠포드대학 전자공학과의 에릭 팝(Eric Pop) 교수· 아시르 인티자르 칸(Asir Intisar Khan) 박사가 참여했다. 연구 결과는 세계 최고의 학술지 중 하나인 사이언스(Science) 1월호에 게재됐다.

아주대 연구팀은 물질 합성과 메커니즘 및 물성 연구를 수행했고, 스탠포드대 연구팀은 물질 합성과 전기적 특성 연구를 맡았다.

반도체의 주요 공정 중 하나인 금속 배선(Metallization)은 반도체 칩 안에 있는 단위 트랜지스터 소재를 연결하는 공정이다. 마치 옹기종기 모여있는 집과 집을 연결하는 도로와도 같다. 수 cm 수준의 반도체 칩 한 개에 100km에 달하는 금속 배선 물질이 사용된다. 이 금속을 통해 전자가 흘러 정보를 저장하거나 연산해 하나의 칩으로 구동된다.

반도체 소자의 크기가 줄어듦에 따라 금속 배선의 선폭도 지속적으로 작아지는데, 이에 현재 개발된 수준의 반도체 소자는 전자가 충돌까지 걸리는 거리보다 선폭이 작다는 단점이 있다. 때문에 미세화된 배선에서는 전자가 부딪칠 확률이 높고, 비저항 값이 비약적으로 상승하게 된다. 이에 반도체 소자의 미세화에 발맞춰 더 낮은 비저항을 갖는 금속 물질을 찾는 것이 산업계와 학계의 화두다.

연구팀이 세계 최초로 개발한 위상 준금속 물질은 기존 금속들과는 정반대로 극초박막에서 비저항이 오히려 작아지는 특성을 보인다. 또한 현재 반도체 공정에 적용할 수 있을 정도로 호환성이 월등하다. 성장 온도가 400도 미만의 저온이며, 일반적 금속이 가지는 결정질의 단결정이나 다결정 형태가 아닌 비정질 형태의 박막임에도 비저항 역행 현상이 나타나기 때문이다.

이번 연구는 한국연구재단 우수신진연구사업과 아주대 신임교원 정착연구비 지원을 받아 수행했다. 오 교수는 “그동안 시도된 적 없는 연구를 통해, 완전히 새로운 물질에 대해 처음으로 실험적으로 입증해 냈다는 점에서 의미 있는 성과”라며 “이번 연구를 통해 확보한 신개념 금속 물질은 한계에 직면한 미래 반도체 기술의 돌파구가 될 수 있다”고 말했다. 그러면서 “미래 반도체 산업의 주도권을 선점할 원천기술로 활용될 수 있을 뿐 아니라, 응용 가능성이 무한하다”고 덧붙였다.