루테늄에 탄소 0.48% 더했더니 초미세 배선 저항 45.4% 감소
루테늄 원자 1,000개에 탄소 원자 약 5개를 더하는 방식으로 차세대 반도체 초미세 배선의 전기저항을 최대 45.4% 낮춘 연구 결과가 나왔다. 극소량의 탄소가 금속 결정을 크고 가지런하게 성장시키도록 잠시 돕고 빠져나가는 원리를 이용한 것으로, 선폭 2nm급 배선과 복잡한 3차원 구조에 적용할 가능성도 확인했다.
광주과학기술원(GIST)은 삼성전자, 미국 매사추세츠공과대학(MIT)과 구성한 공동연구팀이 이 같은 기술을 개발했다고 밝혔다. 조용륜 GIST 중앙기기연구소 첨단분석센터 박사후연구원과 삼성전자 SAIT의 임용철 박사 등이 참여한 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스’에 온라인 게재됐다.
반도체 배선은 소자 사이에서 전기 신호를 전달하는 통로다. 배선이 나노미터 수준으로 좁아지면 전자가 이동하는 과정에서 더 많은 방해를 받아 저항이 커질 수 있다. 저항 증가는 신호 전달과 전력 사용에 부담을 주기 때문에, 차세대 반도체에서는 좁은 공간에서도 낮은 저항을 유지할 금속과 제조법이 필요하다.
연구팀은 기존 구리 배선 대신 나노미터 폭의 배선을 구현하기에 유리한 차세대 금속 소재 루테늄(Ru)을 사용했다. 다만 루테늄도 매우 얇은 막으로 만들면 금속을 구성하는 작은 결정립의 경계에서 전자가 산란해 저항이 증가한다. 연구팀은 루테늄에 탄소를 첨가한 뒤 열처리해 결정립을 키우고 결정 방향을 정렬하는 방법으로 이 문제를 풀었다.
탄소 함량을 달리해 비교한 결과, 루테늄 원자 가운데 약 0.48 at%, 즉 원자 1,000개당 약 5개에 해당하는 탄소를 넣었을 때 결정립의 성장과 정렬이 가장 효과적으로 촉진됐다. at%는 전체 원자 수에서 특정 원자가 차지하는 비율을 뜻한다. 탄소를 지나치게 많이 넣으면 오히려 결정 방향의 정렬을 방해하는 결과도 나타났다.
열처리를 시작하면 루테늄 내부의 탄소 원자들은 결정립끼리 맞닿는 경계로 이동해 탄소가 풍부한 영역을 만든다. 이후 탄소가 기체 형태로 빠르게 빠져나가면서 ‘자유부피’라는 일시적인 빈 공간이 생긴다. 이 공간이 결정립의 움직임과 재배열을 도와 결정이 더 크게 성장하고 일정한 방향으로 정렬되도록 한다는 것이 연구팀의 설명이다.
연구팀은 실시간 가열 투과전자현미경(TEM)을 이용해 시료를 현미경 안에서 가열하며 이러한 변화를 직접 관찰했다. TEM은 전자빔을 시료에 통과시켜 매우 작은 구조를 살펴보는 장비다. 450℃에서 열처리한 루테늄 박막의 평균 결정립 크기는 약 13nm에서 91.7nm로 약 7배 커졌고, 결정이 한 방향으로 정렬된 정도인 결정 배향도는 99.3%에 이르렀다.
전기적 성능도 개선됐다. 두께 8nm의 루테늄 박막에서는 전류가 흐르기 어려운 정도를 나타내는 비저항이 11.2μΩ·cm로 측정됐다. 탄소 촉진제를 사용하지 않은 루테늄보다 29.0% 낮은 값이다. 이를 실제 초미세 배선 구조로 제작했을 때 배선 저항은 탄소 촉진제를 쓰지 않은 경우보다 45.4% 감소했다.
입체 구조에 금속을 고르게 입힐 수 있는지도 확인했다. 연구팀이 깊이가 폭의 33배인 좁고 깊은 홈에 12nm 두께의 루테늄을 입힌 결과, 측면과 바닥까지 99.1%의 균일도로 코팅됐다. 복잡한 구조의 옆면과 바닥에서도 루테늄 결정의 방향이 유지됐다. 이는 평평한 표면뿐 아니라 3D 메모리처럼 깊고 복잡한 구조의 배선 공정에도 기술을 확장할 가능성을 보여준다.
GIST는 앞으로 보유 현미경을 활용해 금속 박막의 결정 성장과 재결정화, 계면 변화를 동적으로 연구할 계획이다. 일시적으로 작용하는 탄소 촉진 개념을 다른 금속 소재와 첨가 원소로 넓혀 범용적인 결정구조 제어 전략으로 발전시키고, 산업체와 국내외 연구기관의 공동연구도 확대할 방침이다.
자료: 광주과학기술원