포스텍, 질화티타늄 위 텅스텐이 빠르게 자라는 비밀 원자 수준에서 규명
차세대 메모리 반도체의 공정 효율·성능 향상에 기여할 것 기대

포스텍 연구팀이 반도체 금속 배선에 쓰이는 텅스텐이 질화티타늄 위에서 빠르고 균일하게 성장하는 원리를 원자 수준에서 규명했다.

 

▲ 포스텍 신소재공학과 이동화 교수(왼쪽), 포스텍 신소재공학과 김현 박사. [포스텍 제공]

 

포스텍은 신소재공학과 이동화 교수, 김현 박사 연구팀이 컴퓨터 계산으로 원자의 움직임을 들여다보는 방법을 통해 질화티타늄 위에서 텅스텐이 얇은 판(나노시트) 모양으로 빠르게 자라는 원리를 규명했다고 4일 밝혔다.

 

이번 연구는 재료 과학 분야 국제 학술지 '머터리얼즈호라이즌' 온라인판에 게재됐다.

 

반도체 칩에는 전기를 켜고 끄는 아주 작은 스위치가 수십억 개 들어 있다. 이 스위치에서 전기를 흘려보낼지 막을지 정하는 문을 게이트라 부른다.

 

그런데 반도체가 나노미터 수준까지 작아지면서 스위치도 점점 작아지자 문도 얇아졌고 문을 닫아도 전기가 새 나가는 문제가 발생했다.

 

이를 막기 위한 기술이 전기가 잘 새어 나가지 않게 문을 특수 소재와 금속으로 만드는 '고유전율 금속 게이트(HKMG)'다. 여기에 전력 소모를 더 줄이기 위해 알루미늄 산화물 막을 덧댄다.

 

문제는 이 막 위에서 문의 재료인 텅스텐이 잘 자라지 않는다는 점이다. 지금까지는 중간에 질화티타늄 층을 깔아 이 문제를 해결해 왔지만 왜 효과가 있는지는 정확히 밝혀지지 않았다.

 

연구팀은 '제일원리 계산'을 통해 알루미늄 산화물, 질화티타늄 두 바닥 위에서 텅스텐이 모이고 자라는 과정을 원자 수준에서 들여다봤다. 그 결과, 알루미늄 산화물 위 텅스텐 원자들은 울퉁불퉁한 입체 덩어리를 만들었다.

 

반면, 질화티타늄 위에서는 바닥에 납작하고 넓게 퍼져 나갔다. 텅스텐이 질화티타늄에 훨씬 단단히 달라붙은 덕분에 떨어져 나가지 않고 빠르고 고르게 자랄 수 있었다.

 

핵심은 질화티타늄 속 질소였다. 텅스텐은 산소나 다른 텅스텐보다 질소와 훨씬 강하게 결합했다. 질소가 찍찍이처럼 텅스텐을 꽉 붙잡아 주는 셈이다.

 

연구팀은 특히 질소 원자가 겉면에 드러난 질화티타늄 표면에서 이 결합이 가장 강하다는 것을 확인하고 이를 텅스텐을 가장 효율적으로 쌓을 수 있는 최적의 바닥 구조로 제시했다.

 

이번 연구는 반도체 공정을 감에 의존하지 않고 원리에 기반해 설계할 수 있는 기준을 마련했다는 데 의미가 있다.

 

이동화 교수는 "생성형 AI와 대규모 데이터 처리로 고성능·저전력 메모리 반도체의 중요성이 커지는 만큼 차세대 메모리 반도체의 공정 효율과 성능 향상에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

 

KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr

 

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