반도체에 빔 쐈더니 성능 급상승…전하 이동 속도 2.5배 ↑ > IT/과학기사 | it/science

입자빔 이용 반도체 성능 향상 연구에 참여한 주요 연구진 /사진=한국원자력연구원

반도체에 입자빔을 쏴 전하 이동도를 최대 2.5배 늘리는 방법으로 반도체 성능을 획기적으로 높인 기술이 국내에서 개발됐다.

한국원자력연구원이하 원자력연은 박준규 양성자과학연구단 입자빔이용본부 책임연구원 연구팀이 실리콘 기판 반도체에 질소 입자빔을 주입해 전하 이동도를 높이는 기술을 개발했다고 10일 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈에 지난달 26일 게재됐다.

전하이동도는 전하가 반도체 소자 내에서 얼마나 빠르게 퍼져나가는지 가늠하는 척도다. 전하이동도가 높을수록 반도체의 성능이 향상된다. 하지만 실리콘 기판 등 상용 기판을 사용하는 반도체에서 전하 이동도를 높이는 기술은 아직 제대로 개발된 바 없었다.


박 책임연구원의 연구팀은 반도체 소재가 양옆에서 당기는 힘을 받거나 볼록하게 휠 때 전하 이동도가 높아진다는 원리에 주목했다. 실리콘 기판은 소재 특성상 유연성이 떨어져 기판에 인위적인 힘을 가하기 어려웠는데, 연구팀은 입자빔을 주입해 실리콘 산화절연막을 부풀리는 방식을 도입했다. 산화절연막은 반도체의 전기적 특성을 조절하기 위해 첨가한 물질이다.

연구팀이 전류가 흐르는 산화아연 반도체 박막의 산화절연막에 질소 입자빔을 주입하자 절연막이 팽창했다. 절연막이 팽창하면서 상부의 반도체 박막도 당겨졌다. 실리콘 산화절연막이 1.18% 팽창하자 전하 이동도도 기존 대비 최대 2.5배 늘어난 것으로 확인됐다.

또 연구팀이 사용한 산화아연 박막의 전하 밀도는 산소 결함이 생길수록 높아지는데, 입자빔이 박막을 지나는 과정에서 산소 결함을 추가로 생성하며 전하 밀도도 기존 대비 최대 6배까지 높아졌다.

연구팀은 "입자빔을 주입하자 반도체 소자에서 전하의 이동 속도가 빨라졌고, 전하도 더 많이 생기는 효과도 함께 얻었다"며 "반도체 성능을 획기적으로 개선할 수 있다"고 설명했다.

이번 기술은 범용 반도체 소자 기판으로 사용되는 산화알루미늄 절연막에서도 유사하게 재현됐다. 연구팀은 전산 시뮬레이션 연구를 동시 진행해 입자빔 주입 조건과 제약 사항 등을 상세하게 도출하기도 했다.

이재상 양성자과학연구단장은 "방사선 기술을 활용해 반도체 성능 향상의 장애물을 극복한 사례"라며 "연구원의 핵심 시설을 활용해 국가전략산업의 기술적 한계를 극복하는 데 힘을 보탤 것"이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업의 지원을 받아 한국기초과학지원연구원, 대구경북과학기술원과 공동으로 진행됐다.

박건희 기자 wissen@mt.co.kr

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