삼성, AI 반도체 ‘배선 저항’ 저감 기술 세계 최초 구현

미량 탄소로 배선 저항 45% 낮춰
AI가속기·HPC 반도체 성능 향상

탄소 촉진제(C-promoter)에 의한 루테늄(Ru) 결정립의 성장과 결정 방향 정렬 과정. [GIST 제공]

(왼쪽부터) 임용철 삼성종합기술원 박사, 하윤후 박사, 이영민 연구원, 조용륜 GIST 중앙기기연구소 첨단분석센터 박사. [GIST 제공]

삼성전자가 반도체 회로 미세화에 따라 배선 저항이 커지는 문제를 해결할 수 있는 신기술을 세계 최초로 구현했다. 인공지능(AI)·고성능컴퓨팅(HPC)용 반도체의 성능과 전력 효율을 높일 수 있는 원천 기술로 주목된다.

삼성전자 SAIT(삼성종합기술원)는 미량의 탄소를 이용해 차세대 반도체 배선 소재인 루테늄의 결정 크기와 방향을 제어해 초미세 금속 배선의 저항을 크게 낮추는 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

이번 연구 결과는 세계적인 학술지 ‘사이언스(Science)’ 본지에 지난 13일(현지시간) 게재됐다. 이번 논문에는 총 13명의 연구자가 참여했으며 이 가운데 11명이 삼성전자 SAIT 소속이며, 광주과학기술원(지스트)와 매사추세츠공과대학교(MIT) 연구진 등이 참여했다.

최근 AI 반도체의 성능 경쟁이 치열해지면서 반도체 회로를 더욱 작고 촘촘하게 만드는 미세화 기술의 중요성이 커지고 있다. 문제는 반도체가 작아질수록 트랜지스터를 연결하는 금속 배선도 함께 가늘어져 전기가 흐르기 어려워진다는 점이다.

특히 금속 배선이 일정 수준 이하로 가늘어지면 저항이 급격히 커진다. 배선 내부를 이동하는 전자가 금속 결정 사이의 경계인 ‘결정립계(Grain Boundary)’와 자주 부딪히면서 이동이 방해받기 때문이다.

배선의 저항이 커지면 반도체 내부의 신호 전달 속도가 느려지고 전력 소모와 발열도 증가한다. 트랜지스터 성능을 높이더라도 이를 연결하는 배선에서 신호가 지연되면 전체 반도체 성능 향상에도 한계가 생길 수 있다.

SAIT 연구진은 차세대 배선 소재로 주목받는 루테늄에 미량의 탄소 기반 촉진제를 넣어 이 문제를 해결했다. 탄소를 이용해 루테늄을 이루는 작은 결정들이 한 방향으로 가지런히 배열되도록 만든 것이다.

연구진은 이를 통해 루테늄 결정의 99% 이상이 같은 방향으로 정렬된 박막을 구현했다. 결정의 방향을 가지런히 맞춰 전자가 이동할 때 부딪히는 장애물을 줄이고 전기가 보다 원활하게 흐르도록 했다. 특히 실제 반도체 제조에 사용되는 비정질 절연막 위에서도 높은 수준의 결정 정렬을 구현했다. 연구진이 해당 기술을 나노미터 수준의 미세 배선에 적용한 결과, 탄소 촉진제를 사용하지 않은 기존 루테늄 배선보다 선저항이 약 45% 낮아졌다.

이번 기술은 AI 가속기와 HPC용 반도체의 성능을 높이는 데 활용될 것으로 기대된다. AI 반도체가 처리해야 할 연산량이 늘면서 칩의 성능은 높이고 전력 소모는 줄이는 기술이 중요해지고 있기 때문이다.

특히 반도체 회로가 더욱 미세해질수록 트랜지스터뿐 아니라 이들을 연결하는 금속 배선에서 발생하는 저항과 신호 지연도 칩 성능을 좌우하게 된다.

삼성전자는 “이번 기술은 초미세 배선에서 발생하는 저항 증가 문제를 근본적으로 완화할 수 있는 새로운 접근법을 제시했다는 데 의미가 있다”며 “향후 기술이 상용화될 경우 AI·HPC용 첨단 로직 반도체 내부에서 전기 신호를 더 빠르게 전달하고 전력 손실을 줄여 칩의 성능과 전력 효율을 높이는데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 박지영 기자