인천대 연구팀, 차세대 반도체 배선 기술 난제 해결…세계적 학술지 게재

인천대학교 신소재공학과 이한보람 교수 연구팀이 차세대 반도체 배선 소재로 주목받는 루테늄의 원자층 증착 공정에서 계면 산화막 형성 문제를 줄일 수 있는 연구 성과를 냈다. 연구 결과는 화학 분야 국제 학술지인 Journal of the American Chemical Society(JACS)에 게재됐다.

이번 연구는 반도체 미세화가 심화되면서 커지고 있는 금속 배선 저항 문제와 맞닿아 있다. 반도체 소자가 나노미터 단위로 작아질수록 회로 내부 배선의 폭도 함께 줄어드는데, 이 과정에서 기존 구리 배선은 저항 증가와 신뢰성 저하 문제가 나타날 수 있다. 루테늄은 미세 배선 영역에서 대체 소재 후보로 검토돼 왔으며, 관련 연구에서도 구리 배선의 한계를 넘기 위한 차세대 배선 소재로 루테늄 기반 물질 가능성이 다뤄지고 있다.

연구팀은 루테늄 원자층 증착 공정에서 산화제를 사용할 때 하부 기판까지 산화돼 접촉 저항이 높아지는 문제에 주목했다. 원자층 증착은 원자 단위에 가까운 두께 제어가 가능해 복잡한 반도체 구조에 균일한 박막을 형성하는 데 활용되는 기술이다. 그러나 루테늄을 증착하는 기존 방식에서는 산화 반응이 공정 안정성에는 필요하지만, 동시에 계면 산화막을 만들어 전기적 성능을 떨어뜨릴 수 있다는 한계가 제기돼 왔다. 기존 연구에서도 산소 계열 반응물이 루테늄 증착과 영역 선택 증착 공정에서 기판 산화와 접촉 저항 증가를 유발할 수 있는 요인으로 지적됐다.

이한보람 교수 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 원자 상태의 수소를 반응물로 활용하는 방식을 제시했다. 수소 분자는 반응성이 낮아 고순도 루테늄 박막 형성에 한계가 있고, 플라즈마 방식은 3차원 미세 구조 내부에서 균일한 증착을 구현하기 어렵다는 점이 과제로 남아 있었다. 연구팀은 핫와이어 시스템을 통해 원자 수소를 안정적으로 공급하는 공정을 설계하고, 루테늄 전구체의 분해 반응 장벽을 낮추는 데 성공했다.

연구 결과, 100℃ 수준의 낮은 온도에서도 루테늄 전구체에 포함된 유기 리간드를 제거할 수 있었고, 고순도 루테늄 박막 형성이 가능한 것으로 확인됐다. 연구팀은 실험과 이론 분석을 함께 활용해 원자 수소가 전구체 분해와 박막 형성에 작용하는 반응 경로를 규명했다. 이는 고온 공정이나 강한 산화제 사용에 따른 손상을 줄이면서 금속 박막을 형성할 수 있는 화학적 설계 원리를 제시했다는 점에서 의미가 있다.

이번 성과는 차세대 패터닝 기술인 영역 선택적 원자층 증착으로 확장될 가능성도 제시했다. 영역 선택적 원자층 증착은 원하는 표면에만 물질을 성장시키는 방식으로, 미세 회로 제작 과정에서 식각과 패터닝 부담을 줄일 수 있는 기술로 평가된다. 연구팀은 표면 차단층을 활용해 원하지 않는 영역의 루테늄 성장을 억제하고, 목표 표면에만 박막을 형성하는 결과를 확인했다. 관련 분야에서는 영역 선택 원자층 증착이 기존 나노패터닝을 보완할 수 있는 ‘상향식’ 공정으로 연구돼 왔다.

이번 연구는 학술적 성과를 넘어 반도체 제조 공정의 수율과 전기적 성능 개선 가능성을 함께 보여준 것으로 평가된다. 인공지능 반도체와 고성능 컴퓨팅 수요가 커지면서 칩 내부 신호 전달 속도와 전력 효율은 핵심 경쟁 요소가 되고 있다. 배선 소재와 증착 공정의 개선은 트랜지스터 성능 향상만으로 해결하기 어려운 병목을 줄이는 기반 기술로, 국내 반도체 소재·공정 연구 경쟁력 확보에도 중요한 의미를 갖는다.

인천대 연구팀은 앞서 루테늄 원자층 증착 장비 및 공정 기술과 관련해 반도체·디스플레이 장비 기업과 기술이전 계약을 체결한 바 있다. 당시 해당 기술은 구리 등 기존 금속 소재를 대체할 수 있는 고품질 금속 도전체 형성 기술로 소개됐으며, 빠른 칩 구동과 인공지능 연산 성능 향상에 기여할 수 있는 공정으로 평가됐다.

연구팀은 이번 성과가 고집적·고성능 반도체 제조에 필요한 차세대 금속 배선 기술의 기반을 넓히고, 복잡한 3차원 구조 내부에서도 균일한 금속 박막을 구현하는 후속 연구와 산업 적용으로 이어질 수 있을 것으로 보고 있다.