왼쪽부터 이한보람 교수 , 민경민 석박통합과정

인천대학교(총장 이인재) 신소재공학과 이한보람 교수 연구팀이 주도한 연구 결과가 세계 최고 권위의 화학 학술지인 Journal of the American Chemical Society(JACS, 피인용지수: 15.7)에 게재되었다. 이번 연구는 차세대 반도체의 배선 물질로 주목받는 루테늄의 원자층 증착 공정에서 고질적인 걸림돌이었던 계면 산화막 형성 한계를 근본적으로 해결하여 학계와 산업계의 이목을 집중시키고 있다.

최근 반도체 공정이 나노미터 단위로 극미세화됨에 따라, 기존 구리 배선을 대체할 유력한 후보로 루테늄이 각광받고 있다. 그러나 기존 루테늄 증착 공정은 강한 산화제에 의존해 왔다. 이 방식은 초기 증착 과정에서 하부 기판을 동시에 산화시켜 접촉 저항을 급격히 높이는 치명적인 부작용을 유발한다. 이를 우회하기 위해 수소 분자나 플라즈마를 활용하는 공정이 대안으로 제시되기도 했다. 하지만 수소 분자는 화학적 반응 장벽이 너무 높아 순도 높은 루테늄을 증착하기 어려웠고, 플라즈마 공정은 복잡한 3차원 구조 내부에서 활성 입자가 기판 바닥에 도달하기 전에 재결합하여 박막이 고르게 쌓이지 않는 한계가 존재했다.

이한보람 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 분자 상태의 수소를 미리 쪼갠 원자 수소를 반응물로 도입하는 독창적인 접근법을 시도했다. 연구팀은 핫와이어(hot-wire) 시스템을 이용해 안정적으로 원자 수소를 공급하는 공정을 설계했다. 이 원자 수소는 루테늄 전구체의 분해 반응 장벽을 획기적으로 낮추어 100 °C의 매우 낮은 증착온도에서도 루테늄 전구체의 유기 리간드를 효과적으로 제거한다. 연구팀은 이러한 화학적 메커니즘을 이론적·실험적으로 완벽히 규명했다.

더 나아가 연구팀은 차세대 미세 패터닝 기술인 영역 선택적 원자층 증착법 (area-selective atomic layer deposition, ASD)으로의 확장 가능성도 함께 제시했다. 반도체 소자의 특정 표면에만 선택적으로 루테늄 박막을 증착시키는 차세대 패터닝 기술을 확고히 다진 것이다. 연구 결과, 표면 차단층을 재투입하는 공정을 통해 원치 않는 영역의 성장을 완벽히 차단하고 목표 영역에만 정밀하게 루테늄을 성장시켰다.

연구팀의 이번 성과는 복잡한 나노 스케일 반도체 아키텍처 내에서 고순도 금속 배선을 균일하게 증착할 수 있는 화학적 가이드라인을 제공했다는 점에서 학술적 가치가 매우 높다. 산업적으로도 차세대 반도체 제조 공정의 수율과 전기적 성능을 극대화할 수 있는 금속 배선 기술 경쟁력 확보에 핵심적인 결과가 될 것으로 기대된다.

원자 수소의 화학적 메커니즘을 이용한 루테늄의 영역 선택적 원자층 증착법 구현