차세대 반도체 배선 '전기저항' 45% 낮춘다…"기술개발"

GIST, 삼성전자·MIT와 함께 기술 개발헤

탄소 일시적 촉진제로 루테늄 결정제어

[전남광주=뉴시스] 탄소 촉진제(C-promoter)에 의한 루테늄(Ru) 결정립의 성장과 결정 방향 정렬 과정. (1단계) 증착 직후에는 작은 Ru 결정립들이 서로 다른 방향으로 배열, (2단계) 초기 열처리 과정에서 탄소가 결정립계로 이동해 네트워크를 형성하고 휘발성 물질이 빠져나가면서 결정립 내부와 경계에서 원자가 이동할 수 있는 일시적인 공간인 자유 부피(free volume)가 만들어진다. 이로 인해 원자 이동이 더 쉽게 일어나면서 준안정한 중간 상태(metastable intermediate state)를 형성한다. (3단계) 결정립이 성장하고 결정 방향이 재배열되면서, 최종적으로 특정한 원자 배열 방향인 '<001> 방향'으로 정렬된 루테늄 박막이 형성된다. (그래픽=광주과학기술원 제공) 2026.08.21. [email protected] *재판매 및 DB 금지

[전남광주=뉴시스]이창우 기자 = 광주과학기술원(GIST)이 삼성전자 SAIT(옛 삼성종합기술원), 미국 매사추세츠공과대학교(MIT)와 함께 차세대 반도체 배선의 전기저항을 45% 이상 낮추는 기술을 개발했다.

21일 GIST에 따르면 중앙기기연구소 첨단분석센터 조용륜 박사 연구팀이 미량의 탄소를 루테늄에 일시적으로 첨가해 결정 크기와 방향을 제어하는 기술을 개발했다.

조 박사는 공동 1저자로 실험 설계와 수행, 투과전자현미경(TEM)을 활용한 실시간 미세구조 분석 등에 참여했다.

이번 연구는 미량의 탄소를 루테늄 박막에 첨가한 뒤 결정이 성장하고 정렬되는 과정에서 탄소가 빠져나가도록 하는 방식이다.

탄소를 '일시적 결정 성장 촉진제'로 활용해 루테늄 결정의 크기와 방향을 제어하는 것이 핵심이다.

반도체 배선은 선폭이 수㎚(나노미터) 수준으로 좁아지면서 기존 구리 배선의 한계가 커지고 있다.

이에 전기 전도성과 열·화학적 안정성이 우수한 루테늄이 차세대 배선 소재로 주목 받고 있으나 박막이 얇아질수록 결정립계에서 전자가 산란해 저항이 높아지는 문제가 있었다.

공동 연구팀은 루테늄에 원자 기준 약 0.48%의 탄소를 첨가한 뒤 열처리하는 방법으로 이 문제를 해결했다.

열처리 과정에서 탄소가 결정립계로 이동한 뒤 기체 형태로 빠져나가면서 루테늄 원자의 이동과 결정립 성장을 촉진하는 원리를 규명했다.

실시간 가열 투과전자현미경으로 관찰한 결과 450도에서 열처리한 루테늄 박막의 평균 결정립 크기는 약 13㎚에서 91.7㎚로 7배 가량 커졌고 결정 배향도는 99.3%에 달했다.

전기적 성능도 크게 향상됐다. 두께 8㎚ 루테늄 박막의 비저항은 11.2μΩ·㎝(마이크로옴 센티미터)로 탄소를 사용하지 않은 경우보다 29.0% 낮아졌으며 실제 초미세 배선에서는 배선 저항이 45.4% 감소했다.

[전남광주=뉴시스] 삼성전자 SAIT 임용철(왼쪽부터) 박사, 하윤후 박사, 이영민 연구원, 광주과학기술원(GIST) 중앙기기연구소 첨단분석센터 조용륜 박사. (사진=GIST 제공) 2026.08.21. [email protected]  *재판매 및 DB 금지

연구팀은 종횡비 33대 1의 좁고 깊은 3차원 트렌치 구조에서도 루테늄을 99.1%의 균일도로 코팅하고 결정 방향을 유지할 수 있음을 확인했다.

이는 2㎚급 초미세 배선은 물론 차세대 3차원 메모리 등 고집적 반도체 구조에도 적용할 가능성을 보여준다는 게 GIST 측 설명이다.

조 박사는 "금속 속 미량 원소를 단순히 제거해야 하는 불순물이 아니라 결정립의 이동과 정렬을 유도한 뒤 빠져나가는 일시적 촉진제로 활용할 수 있음을 보여줬다"며 "차세대 반도체 배선 소재의 구조와 전기적 성능을 함께 제어할 수 있는 새로운 설계 원리를 제시했다"고 말했다.

이번 연구는 2024년 시작된 GIST 중앙기기연구소와 삼성전자 SAIT의 산학협력 연구를 기반으로 진행됐다. 삼성전자 SAIT의 지원을 받았다.

연구 결과는 세계적 학술지 사이언스(Science) 온라인에 지난 13일 게재됐다.


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