텅스텐은 왜 질화티타늄 위에서 고르게 자랄까···반도체 공정 비밀 풀었다

이동화 포항공대(POSTECH) 신소재공학과 교수. 포항공대 제공

같은 씨앗도 어떤 땅에 심느냐에 따라 자라는 모습이 달라진다. 반도체에 쓰이는 금속인 텅스텐도 마찬가지다. 텅스텐이 질화티타늄 위에서 빠르고 고르게 자라는 이유를 국내 연구진이 원자 수준에서 밝혀냈다.

포항공대(POSTECH)는 이동화 신소재공학과 교수 연구팀이 컴퓨터 계산을 이용해 질화티타늄 위에서 텅스텐이 얇고 넓게 성장하는 원리를 규명했다고 4일 밝혔다.

반도체 칩에는 전류의 흐름을 조절하는 수많은 트랜지스터가 들어 있다. 트랜지스터에는 전류를 흘려보낼지 막을지를 결정하는 ‘게이트’가 있는데, 반도체가 작아질수록 이 부분도 얇아져 전류가 새는 문제가 생길 수 있다.

이를 줄이기 위해 ‘고유전율 금속 게이트(HKMG)’ 기술이 활용된다. 여기에 전력 소모를 줄이기 위한 알루미늄 산화물막을 적용하는데, 이 표면에서는 게이트 금속으로 쓰이는 텅스텐이 고르게 성장하기 어렵다는 문제가 있었다. 반도체 업계에서는 알루미늄 산화물과 텅스텐 사이에 질화티타늄층을 넣어 이를 해결해 왔지만 정확한 원리는 알려지지 않았다.

연구팀은 원자의 움직임과 결합을 계산하는 ‘제일원리 계산’을 이용해 알루미늄 산화물과 질화티타늄 위에서 텅스텐이 어떻게 자라는지 비교했다.

분석 결과 알루미늄 산화물 위에서는 텅스텐 원자끼리 뭉치면서 울퉁불퉁한 입체 구조가 만들어졌다. 반면 질화티타늄 위에서는 텅스텐이 표면에 단단히 붙어 얇고 넓게 퍼지며 성장했다.

차이를 만든 것은 질화티타늄에 포함된 질소였다. 텅스텐은 산소나 다른 텅스텐 원자보다 질소와 더 강하게 결합했다. 이 때문에 텅스텐 원자가 표면에서 떨어지거나 서로 뭉치지 않고 질화티타늄 위에 안정적으로 자리 잡을 수 있었다.

특히 질소 원자가 표면에 드러난 질화티타늄 구조에서 텅스텐과의 결합이 가장 강한 것으로 나타났다. 연구팀은 이 구조가 텅스텐을 얇고 고르게 쌓는 데 유리하다고 설명했다.

이번 연구는 반도체 제조 과정에서 경험적으로 사용해 온 질화티타늄층의 역할을 원자 수준에서 규명했다는 데 의미가 있다. 텅스텐을 보다 안정적으로 쌓을 수 있는 표면을 설계하는 데도 활용할 수 있을 것으로 연구팀은 보고 있다.