韓·美 공동연구팀, 루테늄 배선 저항 45% 절감 기술 개발

한국과 미국 연구기관으로 구성된 공동 연구팀이 차세대 반도체 배선 소재인 루테늄(Ru)의 전기저항을 기존 대비 45% 수준으로 낮추는 미세구조 제어 기술을 개발하는 데 성공했다. 이번 성과는 국제 학술지에 게재되며 반도체 소재 분야에서 주목받고 있다.

루테늄은 백금족에 속하는 희귀 전이금속으로, 2nm 이하 초미세 공정에서 기존 구리 배선을 대체할 소재로 반도체 업계의 관심이 집중되어 왔다. 구리는 배선 폭이 좁아질수록 전자 산란이 심해져 저항이 급격히 증가하는 반면, 루테늄은 이러한 문제에서 상대적으로 자유롭다는 장점이 있다.

연구팀은 루테늄 박막 증착 과정에서 결정 방향(배향)을 정밀하게 제어하는 방식으로 전자 이동 경로를 최적화했다. 이를 통해 기존 루테늄 배선의 가장 큰 단점으로 꼽히던 높은 벌크 저항값을 획기적으로 낮추는 데 성공한 것으로 알려졌다.

이번 기술의 핵심은 원자층 증착(ALD) 공정 조건을 최적화해 결정립 경계에서 발생하는 전자 산란을 억제한 것이다. 연구팀은 특정 온도 구간과 전구체 노출 시간을 조합해 루테늄 박막의 결정 배향도를 기존 대비 60% 이상 향상시켰다고 밝혔다.

연구에 참여한 국내 대학의 한 교수는 '이번 결과는 루테늄 배선이 실제 양산 공정에서도 구현 가능하다는 것을 증명한 것'이라며 '2nm 이하 로직 반도체의 배선 저항 문제를 해결하는 실질적인 솔루션이 될 수 있다'고 설명했다.

반도체 업계에서는 인텔, TSMC, 삼성전자 등 주요 파운드리 업체들이 이미 루테늄 배선 기술에 상당한 연구 인력과 자원을 투입하고 있다. TSMC는 2nm 공정인 N2P 이후 세대부터 루테늄 배선을 부분 적용하는 방안을 검토 중인 것으로 알려졌다.

국내 반도체 소재 기업들 역시 루테늄 전구체 및 증착 소재 개발에 속도를 내고 있다. 일부 국내 기업은 글로벌 파운드리 업체와 공동 평가를 진행 중이며, 이번 연구 성과가 관련 소재 개발에 중요한 참고 데이터를 제공할 것으로 기대된다.

루테늄의 주요 생산국은 남아프리카공화국이 약 80%를 차지하고 있어 공급망 리스크도 주목된다. 현재 글로벌 루테늄 연간 생산량은 약 35톤 수준으로, 반도체 배선 소재로 본격 채택될 경우 수급 불균형 문제가 발생할 수 있다는 우려도 나온다.

배선 소재 전환과 함께 관련 장비·소재 기업의 수혜가 예상된다. 루테늄 ALD 공정용 전구체를 개발하는 국내외 소재 기업과, 정밀 박막 증착 장비를 공급하는 장비사들이 새로운 수요를 확보할 가능성이 높다.

전문가들은 루테늄 배선이 2027~2028년 양산 공정에 본격 적용되기 시작할 것으로 전망하며, 그에 앞서 전구체 소재의 순도 향상과 대량 생산 기술 확보가 선결 과제라고 지적한다. 이번 연구팀의 성과가 관련 상용화 일정을 앞당기는 계기가 될지 주목된다.

소재타임스 분석에 따르면, 루테늄 관련 특허 출원 건수는 2023년 이후 연평균 35% 이상 증가하고 있으며, 주요 파운드리 업체들의 선행 연구 투자도 빠르게 확대되고 있어 관련 밸류체인 전반에 걸친 투자 기회가 가시화되고 있다.