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광주과학기술원 중앙기기연구소 첨단분석센터의 조융륜 박사는 투과전자현미경으로 루테늄 박막 속 원자 배열을 들여다봤다. 한·미 공동연구팀이 탄소를 소량 넣어 열처리한 결과, 초미세 배선 저항이 탄소를 넣지 않은 루테늄보다 45.4% 감소했다. 연구 결과는 삼성전자 SAIT와 미국 매사추세츠공과대학교 연구진이 함께 수행해 학술지 사이언스에 게재됐다.
Dr. Jo Yung-ryun of the Advanced Analysis Center at the Central Research Facilities of the Gwangju Institute of Science and Technology examined the atomic arrangement inside a ruthenium thin film using a transmission electron microscope. After the South Korean-American research team added a small amount of carbon and applied heat treatment, ultrafine wiring resistance fell 45.4% versus ruthenium without carbon. The research was conducted jointly by researchers from Samsung Electronics SAIT and the Massachusetts Institute of Technology and was published in the journal Science.
루테늄은 배선 폭이 수 나노미터로 좁아질 때 구리의 전기적 한계를 보완할 후보 소재다. 문제는 얇은 금속막의 내부에서 생기는 결정립계다. 작은 결정들이 맞닿는 이 경계에서 전자가 산란하면 배선 저항이 높아진다. 결정 방향을 제어하는 기존 방식은 결정 구조가 잘 맞는 기판이나 높은 열처리 조건을 요구해 실제 반도체 공정에 제약이 있었다.
Ruthenium is a candidate material that could address copper’s electrical limitations as wiring widths narrow to several nanometers. The problem is the grain boundaries that form inside thin metal films. When electrons scatter at these boundaries, where small crystals meet, wiring resistance increases. Existing methods for controlling crystal orientation require substrates with well-matched crystal structures or high-temperature heat-treatment conditions, limiting their use in actual semiconductor processes.
연구팀은 탄소를 제거해야 할 불순물이 아니라 잠시 작동하는 조력자로 사용했다. 루테늄 원자 1000개 가운데 약 5개인 0.48 at% 탄소를 넣자 열처리 중 결정립의 성장과 방향 정렬이 가장 효과적으로 촉진됐고, 탄소가 지나치게 많으면 오히려 정렬을 방해했다. 실시간 가열 투과전자현미경 관찰에서는 450℃ 처리 뒤 평균 결정립 크기가 약 13㎚에서 91.7㎚로 커졌으며, 결정 배향도는 99.3%였다.
The researchers used carbon not as an impurity to be removed but as a temporary helper. Adding 0.48 at% carbon—about 5 of every 1000 ruthenium atoms—most effectively promoted grain growth and orientation during heat treatment; excessive carbon instead interfered with alignment. In-situ heating transmission electron microscopy showed that after treatment at 450°C, the average grain size grew from about 13 nm to 91.7 nm, while the degree of crystallographic orientation reached 99.3%.
전기적 결과도 함께 나타났다. 두께 8㎚인 루테늄 박막의 비저항은 11.2 μΩ·㎝로 측정돼 탄소 촉진제를 쓰지 않은 경우보다 29.0% 낮았다. 연구팀은 선폭이 2㎚ 수준인 초미세 배선 구조에서도 저항 감소를 확인했고, 차세대 배선에 요구되는 전기적 성능을 충족했다고 밝혔다.
The electrical results showed a similar improvement. The resistivity of an 8 nm-thick ruthenium thin film was measured at 11.2 μΩ·cm, 29.0% lower than that of a film without the carbon promoter. The team also confirmed reduced resistance in an ultrafine wiring structure with a linewidth of about 2 nm, saying it met the electrical performance required for next-generation wiring.
그래서 달라지는 것은 차세대 칩의 배선 설계 선택지다. 비정질 절연 기판에서도 금속 결정의 방향을 맞출 수 있고, 연구팀은 복잡한 3차원 반도체 구조와 3차원 메모리에도 적용 가능성을 확인했다. 다만 현재 확인된 것은 공동연구팀의 실험 결과다. 양산 공정이나 실제 제품에서의 성능과 수율이 입증됐다는 뜻은 아니며, 기술의 성숙도는 연구실 단계에 머문다.
The result expands the design options for next-generation chip wiring. Metal crystals can be oriented even on amorphous insulating substrates, and the researchers confirmed potential applications in complex three-dimensional semiconductor structures and 3D memory. However, the findings are currently limited to the joint team’s experimental results. They do not demonstrate performance or yield in mass-production processes or actual products, and the technology remains at the laboratory research stage.