광주과학기술원(GIST), 삼성전자 SAIT, MIT가 공동으로 반도체 배선 기술을 개발했다. 루테늄(Ru) 배선의 전기저항을 최대 45%까지 낮추는 데 성공했고, 이 결과는 국제학술지 사이언스에 게재됐다. 2nm급 차세대 반도체와 3차원 구조에도 적용 가능할 것으로 예상된다.
극미량 탄소가 만드는 결정 혁명
기술의 핵심은 의외로 단순하다. 루테늄에 0.48 원자 퍼센트(at%) 수준의 탄소를 첨가하는 것이다.
루테늄은 나노미터 수준의 초미세 배선에 유리한 차세대 금속이다. 그러나 조용륜 GIST 박사후연구원이 지적한 문제가 있다. "얇은 박막에서 금속을 이루는 작은 결정립들이 경계면에서 전자산란을 일으켜 저항을 높인다"는 것이다.
연구팀은 탄소를 "일시적 결정 성장 촉진제"로 활용했다. 열처리 과정에서 루테늄 내부의 탄소 원자들이 결정립 경계로 이동해 탄소가 풍부한 영역을 형성한다. 이후 탄소가 기체 형태로 빠져나가면서 자유부피(free volume)라 불리는 일시적 빈 공간이 생성되고, 이것이 결정 성장을 촉진한다는 메커니즘이다.
연구팀은 실시간 가열 투과전자현미경(TEM)으로 이 과정을 직접 관찰했다. 450℃에서 열처리한 루테늄 박막의 평균 결정립 크기는 13nm에서 91.7nm로 약 7배 커졌고, 결정 배향도는 99.3%에 달했다. 거의 완벽한 정렬을 의미한다.
수치로 드러나는 성과
전기적 성능도 현격히 향상됐다:
- 비저항값: 8나노미터 두께의 루테늄 박막에서 11.2μΩ·cm 기록 (탄소 미첨가 대비 29.0% 낮음)
- 배선 저항: 실제 초미세 배선 구조로 제작했을 때 탄소 첨가제 미사용 루테늄 대비 최대 45% 감소
기존 방식의 한계, 새 기술의 가능성
기존에는 에피택시(기판 원자 배열을 따라 결정막을 성장시키는 방법)나 고온 열처리를 사용했다. 그러나 기판과 공정 조건의 제약이 컸다. 실제 반도체 생산 라인에 적용하기 어려웠던 이유다.
새로운 탄소 첨가 방식은 조건 제약이 적다. 이는 2nm급 차세대 반도체와 복잡한 3차원 구조에도 확대 적용될 수 있음을 의미한다.
반도체 업계는 현재 구리(Cu) 배선에서 루테늄으로의 전환을 검토 중이다. 루테늄이 극도로 얇은 선폭 구현에 유리하기 때문이다. 그러나 저항 증가가 채용을 막아온 주요 장애물이었다. 이번 기술은 그 장애물을 상당 부분 제거한다.
정밀도 관리가 필수 조건
한 가지 주의할 점이 있다. 탄소 첨가의 최적점이 극히 좁다는 것이다. 루테늄을 이루는 1,000개 원자 중 약 5개(0.48at%)일 때 최고 효율을 보이지만, 탄소가 과하면 결정 방향 정렬을 오히려 방해한다. 실제 공정에서 탄소 비율의 정밀한 제어가 필수적이다.
또한 이 기술이 모든 반도체 공정에 즉시 도입되는 것은 아니다. 다만 2nm급 이하 공정 개발의 방향을 결정할 가능성은 높다.
결론
GIST-삼성-MIT의 공동 연구는 극미량 탄소가 반도체 배선의 저항을 근본적으로 개선할 수 있음을 입증했다. 이는 반도체 미세화 추세를 가능하게 하는 핵심 기술 중 하나다.
산업 종사자가 체크해야 할 사항:
- 차세대 반도체 공정에서 금속 배선 기술이 경쟁력의 핵심 변수임을 인식하라
- 루테늄 도입 계획이 있다면 이번 탄소 첨가 기술의 적용 가능성과 공정 복잡도를 평가하라
- 향후 공정 미세화 시 저항 문제의 해결 방안으로 업계 동향을 지속 모니터링하라
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