가천대·코넬대, 차세대 반도체 배선 소재 우수성 입증

위상금속 나노와이어 연구

구리보다 낮은 저항률 밝혀

[성남=뉴시스] 진강태 가천대 교수 (사진=가천대 제공) [email protected]

[성남=뉴시스] 신정훈 기자 = 가천대학교가 미 코넬대 연구진과 차세대 반도체 배선 소재로 주목받는 위상금속 나노와이어의 우수한 전기적 특성을 세계 최초로 입증하는 데 성공했다.

가천대학교는 반도체공학과 진강태 교수가 미국 코넬대학교 예룬 천(Yeryun Cheon) 연구원, 주디 J. 차(Judy J. Cha) 교수와 공동으로 수행한 연구 결과가 세계적인 학술지 사이언스(Science)에 게재됐다고 20일 밝혔다. 이번 연구의 제1저자는 예룬 천 연구원, 교신저자는 주디 J. 차 교수다.

반도체 칩 내부에서는 회로를 연결하는 금속 배선(인터커넥션)으로 현재 구리(Cu)가 표준 소재로 사용되고 있다. 그러나 반도체 집적도가 높아지면서 배선 폭이 수십 나노미터(nm) 수준으로 줄어들 경우 전자의 표면 산란이 증가해 저항률이 급격히 높아지는 문제가 발생하면서 전력 손실과 신호 지연의 원인으로 지적돼 왔다.

연구진은 이러한 한계를 극복하기 위해 열-기계적 나노몰딩(Thermomechanical Nanomolding) 공정을 활용해 직경 약 40나노미터의 단결정 위상금속 NbAs(나이오븀 아세나이드) 나노와이어를 제작하고 전기적 특성을 분석했다.

실험 결과 NbAs 나노와이어는 상온에서 9.7±1.6μΩ·cm의 낮은 저항률을 기록했으며, 이는 동일한 NbAs 벌크 소재보다 3~4배 낮은 수준이라고 연구진은 설명했다.

연구진은 이론 계산을 통해 나노와이어에서는 위상금속의 고유한 표면 상태(surface state) 전도 특성이 강화되면서 전자의 수명이 길어지고 산란이 감소해 저항률이 낮아진 것으로 분석했다. 또 NbAs 나노와이어는 높은 전류밀도와 우수한 열전도도를 보여 전기적·열적 안정성도 확인됐다.

연구진은 이번 연구에서 구현한 NbAs 나노와이어가 현재까지 보고된 위상금속 기반 나노배선 가운데 가장 뛰어난 전기적 성능을 보였으며, 나노 크기에서는 기존 구리보다 낮은 저항률을 나타내 차세대 반도체 배선 소재로 활용 가능성이 높은 것으로 평가했다.

이번 연구는 향후 고성능·저전력 반도체 구현을 위한 차세대 인터커넥션 기술 개발에도 중요한 기반이 될 것으로 기대된다고 대학 측은 설명했다.

진강태 교수는 "구리 기반 배선 기술이 한계에 이른 상황에서 위상금속 배선의 새로운 전도 메커니즘을 실험적으로 확인했다"며 "이번 연구가 미래 반도체 인터커넥션 기술 개발의 중요한 전기가 되기를 기대한다"고 말했다.


◎공감언론 뉴시스 [email protected]