광주과학기술원(GIST) 중앙기기연구소 조용륜 박사가 삼성전자 SAIT(옛 삼성종합기술원) 및 미국 매사추세츠공과대학교(MIT) 연구진과 함께 차세대 반도체 배선의 전기저항을 낮추는 소재 제어 기술을 개발했다.

GIST는 조 박사가 공동1저자로 참여한 이번 연구가 세계적 학술지 ‘사이언스(Science)’에 지난 13일 온라인 게재됐다고 21일 밝혔다.

연구팀은 루테늄(Ru)에 미량의 탄소를 첨가한 뒤 열처리 과정에서 탄소가 결정립의 성장과 재배열을 돕고 이후 빠져나가도록 하는 기술을 개발했다.

루테늄은 전기전도성과 열·화학적 안정성이 우수해 초미세 반도체 배선에서 기존 구리를 대체할 차세대 소재로 주목받고 있다. 그러나 배선 폭이 수㎚ 수준으로 줄어들면 금속 결정들이 맞닿는 결정립계에서 전자가 산란해 저항이 커지는 문제가 있다.

연구팀은 루테늄 원자 1000개당 약 5개에 해당하는 0.48at%의 탄소를 첨가했다. 열처리 과정에서 탄소가 결정립계로 이동한 뒤 빠져나가면서 일시적인 빈 공간을 만들고, 이를 통해 루테늄 원자의 이동과 결정립 성장을 촉진하는 방식이다.

실시간 가열 투과전자현미경(In-situ Heating TEM)으로 변화를 관찰한 결과, 450℃에서 열처리한 루테늄 박막의 평균 결정립 크기는 약 13㎚에서 91.7㎚로 7배가량 커졌고 결정 배향도는 99.3%에 달했다.

전기적 성능도 향상됐다. 두께 8㎚ 루테늄 박막의 비저항은 11.2μΩ·㎝로 기존보다 29.0% 낮아졌으며, 실제 초미세 배선 구조에서는 배선 저항이 45.4% 감소했다. 2㎚ 수준의 차세대 배선에 필요한 전기적 성능도 충족했다.

복잡한 3차원 구조에서도 적용 가능성을 확인했다. 종횡비 33대 1의 좁고 깊은 트렌치에 12㎚ 두께의 루테늄을 코팅한 결과 측면과 바닥까지 99.1%의 균일도를 확보했으며, 결정 방향도 유지됐다.

조용륜 박사는 “미량 원소를 불순물이 아닌 일시적 결정 성장 촉진제로 활용해 결정의 성장과 정렬을 유도할 수 있음을 보여줬다”며 “실시간 투과전자현미경 분석을 통해 차세대 반도체 배선 소재의 구조와 전기적 성능을 함께 제어할 수 있는 새로운 설계 원리를 제시했다”고 말했다.

이번 연구는 삼성전자 SAIT의 지원으로 수행됐으며, 2024년 시작된 GIST 중앙기기연구소와 삼성전자 SAIT 간 산학협력 연구를 바탕으로 후속 연구가 이어져 성과로 결실을 맺었다.