김영근 회원 (고려대) 연구팀, 반도체의 새로운 전자 도로를 찾아서
나노크기를 갖는 루테늄(Ru)의 전기특성 파악
차세대 저저항 반도체 금속배선 탐색
 
▲ 왼쪽부터 김영근 교수(교신저자), 문준환 (제1저자), 김승현 (제1저자)

우리 학회 학술부회장인 고려대학교 공과대학 신소재공학부 김영근 교수 연구팀이 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 발간 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.
 
▲ 그림 1. 나노선의 비저항 측정 방식과 루테늄의 직경에 따른 비저항 변화. 4-point-probe 방법으로 나노선의 비저항을 측정하는 방법, (a) 그림, (b) 실제 측정과정을 전자 현미경(SEM) 이미지 (c) 루테늄 나노선의 직경에 따른 비저항.
 
연구팀은 다공성 나노 멤브레인과 전기도금법을 이용하여 루테늄(Ru, 원자번호 44)계 나노선을 제작하였다. 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.
 
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▲ 그림 2. 열처리 이후 루테늄계 나노선의 확산 평가. (a) 450℃ 1시간 열처리 이후의 루테늄@산화실리콘 코어쉘 나노선의 원소 분석. (b) 450℃ 1시간 열처리 이후의 루테늄-코발트 합금@산화실리콘 코어쉘 나노선의 원소 분석
 
진공 상태의 정교한 측정장비를 이용하여 루테늄 나노선 한 가닥의 저항을 측정하였고, 전자산란 계수를 도출하였다. 한편, 다공성 멤브레인 벽 내부를 저유전체 산화실리콘(SiO2) 막으로 코팅하고 루테늄을 채운 후, 반도체의 후공정 온도에서 열처리하였다. 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. 

■ 용어설명
1. 전기저항 크기 효과
  : 물질의 크기가 해당 물질의 고유 전자 평균 이동 경로보다 작아지면서 나타나는 현상으로, 도체 내 전자 산란이 급증하면서 비저항의 급격한 증가를 야기한다. 반도체 소자에서 이러한 비저항의 증가는 RC delay를 유발하고, 소자 전체의 성능을 저하시키는 문제점이 있다. 
2. 비저항 (resistivity)
  : 물질의 고유 단위로서 단위면적·단위길이당 저항을 나타내는 값이다. 물질이 전류의 흐름에 얼마나 세게 맞서는지를 측정한 물리량으로, 전기전도도의 역수이다. 저항과 달리 같은 물질이면 크기에 상관없이 같은 값을 가지는 세기 성질이지만 나노스케일로 작아지면서 전자산란에 따라 커지는 경향을 보인다.
3. 루테늄계 나노선
  : 원자번호 44번 금속인 루테늄(Ru)이 포함된 나노선으로 루테늄은 낮은 비저항 크기 효과와 원자간 높은 응집력으로 인해 반도체 배선에 필요한 저저항과 신뢰성 측면에서 구리(Cu)를 대체할 수 있는 소재로 각광 받고 있다.
  : 본 연구에서 해당 단어는 순수한 단일 루테늄 나노선과 루테늄과 더불어 배선 소재로 각광 받고 있는 코발트(Co)를 포함하는 루테늄-코발트 합금 나노선을 지칭한다.
4. 4-point-probe 방식
  : 4개의 탐침을 이용하여 2개의 탐침에는 전류를 흘리고, 2개의 탐침은 전압을 측정하여 물질의 비저항을 측정하는 방법으로 측정 물질과 탐침 사이의 접촉 저항을 없애 측정 물질의 비저항을 정교하게 측정하는 방식이다.
5. 저유전체
  : 4 이하의 낮은 유전 상수(dielectric constant) 값을 가지는 물질로, 반도체 금속 배선의 층간 물질로 사용된다.
 
■ 논문정보
* 논문명: Electrical resistivity evolution in electrodeposited Ru and Ru-Co nanowires
* 저자: 김영근 (교수) (교신저자/고려대학교), 문준환 (제1저자, 고려대학교), 김승현 (제1저자, 고려대학교), 김태순 (공동저자, 고려대학교), 전유상 박사 (공동저자, 고려대학교), 김양희 (공동저자, 한국과학기술연구원), 안재평 (공동저자, 한국과학기술연구원)
*URL: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.06.073
* 과제번호 : SRFC-TA1703-06 (삼성전자 미래기술육성센터), IO210317-08500-01 (삼성전자 반도체연구소)

-출처: 고대뉴스