기존 액체 루테늄(Ru) 전구체에 비해 증기압을 약 100배 이상 높여
반도체의 고성능화·전력 절감 가능해져

일본의 다나까 귀금속 공업이 기존 액체 루테늄(Ru) 전구체에 비해 증기압을 약 100배 이상 높인 CVD·ALD용 전구체 ‘TRuST(트러스트)’를 개발했다고 밝혔다. 해당 실험값은 상온에서 세계 최고 수준 증기압치인 것으로 당사 내부 평가에서 밝혀졌다.

다나까 귀금속 공업이 TRuST 전구체의 설계 및 합성을 실시했고 증착 특성의 최적화를 위한 연구는 한국 영남대학교 공과대학 신소재공학과의 김수현 교수가 담당했다.

이 기술은 스마트폰 및 PC용이나 향후 더욱 많은 수요가 예상되는 데이터 센터에서 사용되는 반도체의 고성능화·전력 절감을 가능하게 한다.

전구체란 CVD(화학 기상 성장법)나 ALD(원자층 증착법) 등의 방법으로 기판 위의 금속 박막, 금속 배선을 형성할 때 사용하는 화합물을 가리킨다. CVD·ALD 프로세스는 단차 피복성이 우수해 다양한 종류의 금속 기판 위에 증착이 가능하고 반도체의 미세화에 따라 구조의 복잡화·세선화가 진행되는 가운데에도 이용이 가능한 매우 유용한 증착 방법이다.

당사는 오랜 기간 루테늄을 비롯한 각종 귀금속 전구체의 개발에 힘쓰고 있으며 이번에 컴퓨터 시뮬레이션 등을 이용해 분자 구조의 소형화·최적화를 실시해 전구체의 중요한 특성인 액체 및 증기압이 높고 증착에 적합한 열적 안정성을 가진 귀금속 화합물의 개발에 성공했다. 그 결과 지금까지의 액체 루테늄 전구체에 비해 증기압을 약 100배 이상으로 세계 최고 수준치까지 높였다. 전구체의 증기압이 높을수록, 또 전구체의 분자 구조가 작을수록 증착실 내의 전구체 농도를 높이거나 기판 표면에 전구체 분자의 흡착 밀도를 높일 수 있기 때문에 TRuST는 기존 전구체와 비교해 우수한 단차 피복성과 증착 속도 향상을 실현할 수 있다.

나아가 영남대학교의 연구 결과에 의하면 ALD 증착 시 증착 속도는 1사이클당 약 1.7Å로 액체 루테늄 전구체의 ALD 증착으로서는 세계 최고 수준의 증착 속도를 나타냈다. 비저항도 증착 후 약 13μΩ·cm라는 수치로 벌크 루테늄 금속값(7.6μΩ·cm)에 가까운 결과를 얻었다.

벌크 루테늄을 증착에 사용하는 경우 3000℃ 가량의 고온이 발생하지만 전구체라는 유기 금속 화합물의 형태로 증착하면 진공 상태에서 실온~200℃ 정도의 저온에서도 기화할 수 있다. 이로 인해 단차 피복성이 우수하고 고품질인 루테늄막을 생산적으로 증착할 수 있을 것으로 기대한다. 기술적으로 이러한 특성을 동시에 모두 만족시키기는 어려워서 그를 실현하는 것이 종래의 과제였으나 이번 ‘TRuST’의 개발은 이를 실현 가능하게 한다. 이 제품의 샘플 출하는 2020년 10월 개시될 예정이다.

한편 지금까지 반도체 배선 재료의 주원료로는 구리나 텅스텐, 코발트가 주로 사용돼 왔으나 반도체가 진화함에 따라 반도체 미세화를 촉진하기 위해 저항은 낮고 내구성이 높은 루테늄의 사용에 대한 기대가 높아지고 있다. 또한 트랜지스터의 게이트용 전극이나 DRAM의 커패시터용 전극 등에서도 루테늄 사용이 검토되고 있다.

IoT나 AI, 5G 기술의 진보에 따라 클라우드나 스마트폰, PC에서 이용되는 디지털 데이터가 급속히 증가하고 있다. 그에 따라 반도체 개발에 있어서는 고성능이며 저전력의 디바이스를 생산할 수 있는 반도체 미세화에 대한 요구가 증가하고 있다. 당사는 귀금속 전문 제조업체로서 앞으로도 보다 고품질 반도체 재료를 개발해 반도체의 진화에 공헌해 나갈 것이다.

이 기술에 관해서는 2020년 10월 5일부터 8일까지 온라인으로 개최되는 IITC 2020(International Interconnect Technology Conference)에서 영남대학교 공과대학 김수현 교수 감수로 작성된 내용을 다나까 귀금속 공업 연구원이 발표한다. 발표 제목은 ‘속도가 빠르고 고품질 Ru(루테늄)막을 얻을 수 있는 ALD 증착(High-growth-rate atomic layer deposition of high-quality Ru using a novel Ru metalorganic precursor)’이다.