가천대·코넬대 공동연구팀, 차세대 반도체 배선 후보 '위상금속 NbAs' 성능 세계 최초 입증

가천대학교진강태 교수.ⓒ가천대학교 제공

가천대학교 반도체공학과 진강태 교수가 미국 코넬대학교 Yeryun Cheon 연구원, Judy J. Cha 교수와 함께 차세대 반도체 배선 소재로 주목받는 위상금속 NbAs(나이오븀 아세나이드) 나노와이어의 우수한 전기적 특성을 세계 최초로 실증한 연구 결과를 세계적 학술지 Science에 발표했다. 제1저자는 Yeryun Cheon 연구원(코넬대), 교신저자는 Judy J. Cha 교수(코넬대)다.

반도체 칩 내부에서는 수많은 회로를 연결하는 금속 배선(인터커넥션)이 필수적이다. 현재는 구리(Cu)가 표준 배선 소재로 사용되고 있지만, 반도체의 고집적화가 진행되면서 배선 폭이 수십 나노미터(㎚) 수준으로 줄어들 경우 전자가 표면에서 자주 산란해 저항률이 급격히 증가하는 문제가 발생한다. 이로 인해 전력 손실과 신호 지연이 커져 차세대 반도체 성능 향상의 걸림돌로 지적돼 왔다.

연구진은 이러한 한계를 극복하기 위해 열-기계적 나노몰딩(Thermomechanical Nanomolding) 공정을 이용해 직경 약 40nm의 단결정 NbAs 나노와이어를 제작하고 전기적 특성을 분석했다.

실험 결과, NbAs 나노와이어는 상온에서 9.7±1.6 μΩ·㎝의 매우 낮은 저항률을 기록했다. 이는 동일한 NbAs 벌크 소재보다 3~4배 낮은 수준이다. 연구진은 이론 계산을 통해 나노와이어에서는 위상금속의 고유한 표면 상태(surface state) 전도 특성이 크게 강화되면서 전자의 수명이 길어지고 산란이 감소해 저항률이 낮아진 것으로 분석했다. 즉, 1차원 나노 구조에서 위상금속의 표면 주도 전하 수송(surface-dominated charge transport) 특성이 극대화된 것이다.

또한 NbAs 나노와이어는 높은 전류밀도와 우수한 열전도도를 함께 보여 전기적·열적 안정성에서도 뛰어난 성능을 확인했다. 연구진은 이번 연구에서 구현한 NbAs 나노와이어가 현재까지 보고된 위상금속 기반 나노배선 가운데 가장 우수한 전기적 성능을 보였으며, 나노 크기에서는 구리보다 낮은 저항률을 나타내 차세대 반도체 배선 소재로 활용될 가능성이 높다고 설명했다.

이번 연구는 반도체 미세화에 따라 한계에 직면한 기존 구리 배선을 대체할 새로운 소재와 전도 메커니즘을 실험적으로 규명했다는 점에서 의미가 크다. 향후 고성능·저전력 반도체를 구현하기 위한 차세대 인터커넥션 기술 개발에도 중요한 기반이 될 것으로 기대된다.

진 교수는 “구리 기반 배선 기술이 한계에 다다른 상황에서 위상금속 배선의 새로운 전도 메커니즘을 실험적으로 확인했다”며 “이번 연구가 미래형 반도체 인터커넥션 기술 개발의 중요한 전기가 될 것으로 기대한다”고 말했다.