'더 작고 더 빠르게'…삼성전자, 신소재 발견해 ‘미래 반도체’ 개발 속도

[아시아경제 이기민 기자] 삼성전자가 반도체를 더 작고, 더 빠르게 할 뿐 아니라 기존 공정에서도 적용할 수 있는 신소재를 발견하면서 '미래 반도체'에 한걸음 더 다가가게 됐다.

6일 삼성전자에 따르면, 삼성전자 종합기술원은 최근 울산과학기술원(UNIST)과 공동으로 신소재 ‘비정질 질화붕소(a-BN)’ 발견에 성공했다. 영국 맨체스터 대학교 연구팀이 ‘꿈의 신소재’로 불리던 그래핀(Graphene)을 발견한 이후 16년 만의 의미 있는 신소재 발견이다. 삼성전자와 UNIST의 이번 연구결과는 지난달 영국의 세계적인 학술전문지 네이처(Nature)지에서도 소개됐다.

그간 반도체 업계는 소자의 성능을 향상시키려고 단위 면적당 집적도를 높여 왔다. 집적도가 높을수록 작은 크기에 더 많은 정보를 빠르게 처리할 수 있기 때문이다. 그러나 집적도를 높일수록 정보를 저장하는 능력이 사라지거나, 회로 간 전기적 간섭 등 기술적 문제가 발생한다.

이 때문에 2D소재가 반도체 업계의 고민을 해결할 수 있는 핵심으로 여겨지고 있다. 2D 소재는 물질의 가장 작은 단위인 원자 수준에서도 도체, 부도체 혹은 반도체의 강력한 특성을 가지며 A4용지(약 0.1㎜)의 약 10만분의 1의 두께로 매우 얇아 잘 휘어지면서도 단단하다. 2D 소재 가운데 가장 대표적인 것이 그래핀이다. 삼성전자 종합기술원은 수년간 그래핀을 대면적으로 만들어 반도체 공정에 적용하기 위한 원천 기술을 연구·개발했다. 이러한 원천 기술을 바탕으로 최근에는 반도체 회로를 따라 난 전기길인 배선에 그래핀을 적용하는 데 몰두했다. 그래핀의 촘촘한 육각구조가 저항을 줄이는 얇고 단단한 장벽 역할을 하기 때문이다.

비정질 질화붕소는 화이트 그래핀의 파생 소재로서 질소와 붕소 원자로 이루어져 있으나 정형화돼있지 않은 분자구조를 가져 화이트 그래핀과 구분된다. 또한 반도체를 소형화하기 위한 핵심 요소 중 하나인 유전체로 활용돼 전기적 간섭을 차단하는 역할을 할 수 있다.

연구팀은 세계 최저 수준의 유전율 1.78을 확보했을 뿐만 아니라, 저온(400℃) 환경에서도 소재가 반도체 기판 위에서 큰 면적으로 성장이 가능한 것을 입증했다. 유전율 전기가 물질 표면에 쌓이는 효율로 값이 작을수록 전기 흐름이 낮아 전기적 간섭도 줄게 된다. 현재 사용되는 다공성 유기규산염의 유전율은 2.5~2.7 수준이다. 비정질 질화붕소는 메모리 반도체(DRAM, NAND 등)를 비롯해 시스템 반도체 전반에 걸쳐 적용 가능하다. 특히 고성능이 필요한 서버용 메모리 반도체에도 비정질 질화붕소 활용이 기대된다.

삼성전자 종합기술원은 앞으로도 국내외 대학과 기술협력을 맺는 등 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 말했다.

이기민 기자 victor.lee@asiae.co.kr