반도체의 새로운 전자 도로를 찾아서, 나노크기를 갖는 루테늄(Ru)의 전기특성 파악

▲김영근 고려대 신소재공학부 교수

고려대학교(총장 정진택) 공과대학 신소재공학부 김영근 교수 연구팀(문준환, 김승현 교수) 이 차세대 반도체 금속배선로 주목받고 있는 루테늄(Ru)을 나노크기로 제작하고, 지름별로 비저항과 물질 확산 여부를 확인했다.

연구결과는 9월 13일 금속학 분야 최상위 국제학술지인 저널 오브 머티리얼즈 사이언스 & 테크놀로지(Journal of Materials Science & Technology) 온라인 게재됐다.(정식 발간은 2022년 4월 22일)

반도체 주요 공정 중 하나인 금속배선(metallization)은 마치 빌딩을 연결하는 도로망처럼, 실리콘 웨이퍼 상에 형성된 반도체 소자들을 연결하는 공정이다. 

손톱만한 반도체 칩 한 개에는 수십 km 길이의 구리(Cu) 배선이 사용되며, 전자가 흐르는 통로로 정보를 전달하는 역할을 한다. 

최근 반도체 칩의 계속된 집적화로 인해 배선의 선폭이 수 나노미터(nm)까지 줄어들었고, 이 과정에서 배선의 저항이 급격히 증가하는 문제에 직면해 있다.
* 전기저항의 크기 효과 : 도체의 크기가 전자 평균 이동 경로보다 작아지면서, 도체 내 전자산란이 심해져 저항의 급격한 증가를 일으킨다. 반도체 소자에서 이러한 저항의 증가는 신호지연을 유발하고, 소자 전체의 성능을 저하시키는 문제가 있다.

연구팀은 다공성 나노 멤브레인과 전기도금법을 이용하여 루테늄(Ru, 원자번호 44)계 나노선을 제작했다. 

루테늄은 비저항 크기 효과가 작고 원자간 응집력도 높아 전기 이동(electromigration)과 배선 주변을 감싸고 있는 유전체 막으로 확산되는 경향이 낮아 차세대 배선 소재 중 하나로 주목받고 있다. 

다만, 수용액에서 전기도금 시 경쟁반응인 수소 발생 반응으로 인해 금속 루테늄으로 환원하기가 어려운 문제점이 있었다. 

그러나 연구팀은 도금액에 수소 발생을 억제할 수 있는 완충제와 첨가제를 사용하여 다양한 지름을 갖는 루테늄계 나노선을 제작할 수 있었다.

진공 상태의 정교한 측정장비를 이용하여 루테늄 나노선 한 가닥의 저항을 측정했고, 전자산란 계수를 도출했다. 

한편, 다공성 멤브레인 벽 내부를 저유전체 산화실리콘(SiO2) 막으로 코팅하고 루테늄을 채운 후, 반도체의 후공정 온도에서 열처리했다. 

원소분석 결과 루테늄이 산화실리콘 쪽으로 확산되지 않았다. 

이번 연구 성과는 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 진행(주 연구기간인 2017년 9월부터 2020년 8월까지)됐고, 이후 착수된 삼성전자 반도체연구소 산학과제의 지원을 받아 추가 연구가 진행됐다.