GIST-삼성-MIT, Ru에 탄소원자 5개 첨가로 반도체 배선 "저항 혁명"

사이언스 게재…2nm급 3차원 구조에도 적용 가능성 확인

광주과학기술원(GIST)이 삼성전자 및 미국 MIT 연구팀과 공동으로 차세대 반도체 초미세 배선의 전기저항 값을 45% 낮추는데 성공했다. 2nm급 차세대 반도체 배선과 복잡한 3차원 구조에도 적용 가능할 전망이다.

22일 GIST에 따르면 조용륜 GIST 중앙기기연구소 첨단분석센터 박사후연구원이 공동1저자로 참여했다. 

삼성전자 SAIT(전 삼성종합기술원)에선 임용철 박사(공동1저자겸 교신저자)를 비롯한 하윤후·이영민 연구원(이상 공동 제1저자)와 이정엽·조은형·채병규·이재우·조기영·박성용·변경은·김상원 연구원, MIT에선 김지환 연구원이 공동저자로 이름을 올렸다. 

연구를 주도한 조용륜 GIST 중앙기기연구소 첨단분석센터 박사후연구원이 투과전자현미경(TEM)을 이용해 시료의 미세구조를 관찰하고 있는 모습.(사진=GIST)

연구결과는 과학기술계 세계 3대 국제학술지 '사이언스'에 온라인으로 게재됐다.

핵심은 미량의 탄소를 ‘일시적 결정 성장 촉진제’로 활용해 비정질 절연 기판 위에서도 금속 결정의 방향을 정밀하게 정렬하는 기술을 개발하고, 이를 통해 차세대 반도체 초미세 배선의 전기저항을 최대 45%까지 낮출 수 있음을 확인한 것.

연구팀은 구리 배선 대신 나노미터 수준에서도 배선의 폭을 구현하기 유리한 차세대 금속 소재 루테늄(Ru)을 이용했다.

조용륜 박사후연구원은 "Ru는 그러나 문제가 있다. 매우 얇은 박막을 만들 경우, 금속을 이루는 작은 결정립들이 경계면에서 전자산란으로 전기저항 값을 증가시킨다"며 "Ru에 탄소 첨가와 열처리를 통해 이 문제를 해결했다"고 말했다.

기존에는 이를 위해 에피택시(기판 원자 배열따라 결정막을 성장 시키는 방법)나 고온 열처리법을 써왔으나, 기판과 공정 조건 제약으로 실제 반도체 공정에 적용하는데는 한계가 있었다.

연구팀은 탄소 함량을 달리해 비교한 결과, 루테늄을 구성하는 원자 1,000개 가운데 약 5개에 불과한 약 0.48 at%(원자 퍼센트)의 탄소를 첨가했을 때 결정립의 성장과 정렬이 가장 효과적으로 촉진되는 것을 확인했다.

반면 탄소가 지나치게 많아지면 결정 방향의 정렬을 오히려 방해하는 것으로 나타났다.

탄소 촉진에 따른 루테늄(Ru) 결정립의 성장·정렬 과정과 3차원 구조 적용 결과. 그림 B는 열처리로 루테늄 결정립이 재배열되는 과정을 나타냈다.(그림=GIST)

연구팀은 탄소가 결정립 성장과 정렬을 촉진하는 원리도 규명했다. 열처리 과정에서 Ru 내부에 있던 탄소 원자들이 결정립이 맞닿는 경계인 결정립계로 이동해 탄소가 풍부한 영역을 형성하고, 이후 탄소가 기체 형태로 빠르게 빠져나가면서 일시적인 빈 공간인 ‘자유부피(free volume)’가 형성됐다고 설명했다.

조용륜 박사후연구원은 "실시간 가열 투과전자현미경(TEM)을 이용해 시료를 현미경 안에서 가열하면서 결정립이 성장하고 방향을 재배열하는 과정을 직접 관찰했다"고 강조했다.

관찰 결과 450℃에서 열처리한 Ru 박막의 평균 결정립 크기는 약 13nm에서 91.7nm로 약 7배 커졌다. 결정들이 한 방향으로 정렬된 정도를 나타내는 결정 배향도는 99.3 %에 달했다.

전기적 성능도 크게 향상됐다. 두께 8nm의 루테늄 박막에서 11.2μΩ·cm(마이크로옴 센티미터)의 낮은 비저항값도 관찰했다. 이는 탄소 촉진제를 사용하지 않은 Ru보다 29.0% 낮은 수준이다.

특히 실제 초미세 배선 구조로 제작했을 때에는 배선 저항이 탄소 촉진제를 사용하지 않은 Ru대비 45.4% 감소했다.

연구팀은 또 종횡비가 33대 1에 이르는 좁고 깊은 홈(트렌치) 구조에 12nm 두께의 Ru을 입힌 결과, 홈의 측면과 바닥까지 99.1%의 높은 균일도로 Ru이 코팅됐다. 또한 복잡한 구조의 측면과 바닥에서도 루테늄 결정의 방향이 유지되는 것을 확인했다.

조용륜 박사후연구원은 "선폭이 2nm 수준으로 작아진 차세대 반도체 배선에 요구되는 전기적 성능을 충족했다"고 부연 설명했다.

탄소 촉진제(C-promoter)에 의한 루테늄(Ru) 결정립의 성장과 결정 방향 정렬 과정을 단계별로 나타낸 그림.(출처=GIST)

조 박사후연구원은 "3D 메모리 및 차세대 반도체 배선 공정으로 확장 가능하다"며 "특히, Ru 외에도 금속 박막의 결정 성장과 배향 제어가 필요한 다양한 소재·공정으로의 확장 가능성이 있다"고 말했다.

향후 GIST는 보유 현미경을 활용해 금속 박막의 결정 성장·재결정화·계면 변화에 대한 동적 메커니즘 연구로 이번 성과를 이어갈 계획이다. 일시적 탄소촉진 개념을 다양한 금속 소재와 첨가 원소로 확장해 범용적인 결정구조 제어 전략으로 발전시킨다는 복안이다.

또 GIST 중앙기기연구소의 첨단 전자현미경 역량을 기반으로 산업체 및 국내외 연구기관과의 공동연구 확대할 계획이다.