삼성전자, AI 반도체 ‘배선 저항’ 45% 낮췄다…미세화 한계 돌파 기술 개발

AI·HPC 반도체 배선 미세화 한계 돌파 기대…연구 결과 사이언스 본지 게재

삼성전자 종합기술원(SAIT)이 초미세 반도체 배선에서 발생하는 저항 증가 문제를 해결할 새로운 원천기술을 개발했다. 미량의 탄소 기반 촉진제를 활용해 금속 결정의 배열과 결정립계를 제어하는 방식으로, 차세대 배선 소재인 루테늄(Ru)의 저항을 크게 낮추는 데 성공했다.

삼성전자는 이번 연구 결과가 세계적 학술지 ‘사이언스(Science)’ 본지에 현지시간 13일 게재됐다고 21일 밝혔다. 총 13명의 연구진 가운데 11명이 삼성전자 SAIT 소속으로, 삼성전자가 연구를 주도했다.

회사 측의 설명에 따르면 AI 반도체의 고성능·저전력 경쟁이 심화하면서 회로 미세화가 가속화되고 있지만, 배선 폭이 좁아질수록 전기 신호가 흐르는 금속 배선의 저항이 급격히 증가하는 문제가 새로운 한계로 떠오르고 있다.

반도체는 트랜지스터를 연결하는 금속 배선을 통해 전기 신호를 전달한다. 트랜지스터 집적도를 높이기 위해 배선을 가늘게 만들면 전자가 금속 내부의 결정립계와 충돌하는 빈도가 증가하면서 전류 흐름을 방해하고 저항이 커진다. 이는 신호 전달 지연과 전력 손실, 발열 증가로 이어질 수 있다.

SAIT 연구진은 배선 소재를 단순히 변경하는 대신 금속 내부의 결정 구조 자체를 제어하는 방식에 주목했다. 미량의 탄소 기반 촉진제를 첨가해 금속 결정이 특정 방향으로 정렬되도록 유도하고, 전자의 이동을 방해하는 결정립계의 영향을 줄이는 기술을 개발했다.

연구진은 이를 루테늄에 적용해 99% 이상의 결정이 동일한 방향으로 배열된 고배향 박막을 구현했다. 일반적인 반도체 공정에서 활용되는 비정질 절연막 위에서도 높은 수준의 결정 배향을 확보했으며, 고품질 단결정 위에서 성장시킨 루테늄에 가까운 전도 특성을 나타냈다.

실제 나노미터급 초미세 배선에 적용한 결과도 확인됐다. 탄소 촉진제를 사용하지 않은 루테늄 배선과 비교해 선저항을 약 45% 낮추는 데 성공했다.

이번 연구는 AI 가속기와 고성능컴퓨팅(HPC)용 첨단 로직 반도체의 성능과 전력효율을 높이는 새로운 접근법을 제시했다는 점에서 의미가 있다. 칩이 고집적화될수록 트랜지스터 성능뿐 아니라 이를 연결하는 배선의 저항과 신호 지연도 전체 칩 성능을 좌우하는 요소가 되기 때문이다.

삼성전자 관계자는 “향후 기술 고도화를 통해 실제 반도체 공정에 적용할 경우 초미세 배선에서 발생하는 전력 손실을 줄이고 신호 전달 속도를 높여 AI·HPC 반도체의 성능 및 전력효율 향상에 기여할 것으로 기대하고 있다”고 말했다.

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

이상현 기자 ishsy@dt.co.kr