[이데일리 조용석 기자] 삼성전자와 GIST(광주과학기술원)가 함께 탄소 촉진제를 활용해 초미세 배선의 저항을 획기적으로 낮추는 기술을 세계 최초로 구현했다.

21일 업계에 따르면, 삼성전자 SAIT(옛 삼성종합기술원), GIST 중앙기기연구소, 미국 매사추세츠공과대학교(MIT) 연구진이 함께 수행한 탄소 활용 초미세 배선 저항 감소 기술 연구 결과가 세계 최고 권위의 학술지 중 하나인 ‘Science’ 본지에 게재됐다.

AI 반도체의 성능 경쟁이 치열해지면서 반도체 회로를 더욱 작고 촘촘하게 만드는 ‘미세화’ 기술의 중요성은 더욱 중요해졌다. 하지만 회로가 미세해질수록 칩 내부에서 전기 신호를 전달하는 금속 배선도 가늘어져 저항이 급격히 증가한다. 배선 저항을 잡느냐가 반도체 성능 향상의 핵심 중 하나다.

연구진은 배선 소재 자체를 바꾸는 것을 넘어 미량의 탄소 기반 촉진제를 활용해 문제를 해결했다. 금속 결정이 일정한 방향으로 가지런히 재정렬되도록 제어하는 방식으로 접근했다.

연구진은 차세대 배선 소재로 주목받는 루테늄(Ru)에 이 기술을 적용해 결정의 99% 이상이 동일한 방향으로 정렬된 박막을 구현했다. 루테늄에 미량의 탄소를 첨가해 열처리 과정에서 탄소가 결정립의 성장과 재배열을 돕는 방식이다.

이 같은 방식을 나노미터 수준의 미세 배선에 적용한 결과 탄소 촉진제를 적용하지 않은 루테늄 배선 대비 선저항을 약 45% 낮추는 데 성공했다. 선폭이 2나노미터(nm) 수준으로 작아진 차세대 반도체 배선에 요구되는 전기적 성능을 충족했다.

또 해당 기술은 복잡한 3차원 반도체 구조에서도 적용할 수 있음을 확인했다.

반도체 업계에서는 이번 기술이 초미세 배선에서 발생하는 저항 증가 문제를 근본적으로 완화할 수 있는 새로운 접근법을 제시했다고 평가한다. 특히 향후 기술이 고도화돼 실제 반도체 공정에 적용될 경우 AI·HPC용 첨단 로직 반도체의 신호 전달 속도를 높이고 전력 손실을 줄여 반도체의 성능 및 전력 효율 향상에 기여할 것으로 기대할 수 있다.

이번 연구논문은 총 13명의 저자 중 11명이 삼성전자 SAIT 연구진이다. 제1저자 4명 중 임용철·하윤후 박사, 이영민 연구원이 삼성전자 SAIT 소속이며, 조용륜 박사는 GIST 중앙기기연구소 소속이다.