요즘 반도체가 느린 이유는 트랜지스터가 아니야

삼성전자와 광주과학기술원(GIST)이 8월 21일 공동 발표를 냈어. 반도체 초미세 금속 배선의 저항을 약 45% 낮추는 기술을 세계 최초로 구현했다는 내용이야. 관련 논문은 그보다 앞선 **8월 13일 국제학술지 '사이언스(Science)'**에 게재됐어.

반도체 뉴스는 보통 트랜지스터 얘기야. 3나노, 2나노, 게이트올어라운드(GAA) 같은 말들. 그런데 지금 칩 성능을 실제로 발목 잡고 있는 건 트랜지스터가 아니라 트랜지스터를 잇는 전선이야.

칩 안에는 수십억 개의 트랜지스터가 있고, 그것들을 연결하는 금속 배선이 수십 층으로 쌓여 있어. 회로가 미세해질수록 이 배선도 같이 가늘어져. 그리고 전선이 가늘어지면 저항이 커져. 저항이 커지면 신호가 늦게 전달되고, 열이 더 나고, 전력을 더 먹어. 트랜지스터를 아무리 빠르게 만들어도 배선이 못 따라가면 칩 전체가 느려져.

업계에서는 이 문제를 'RC 지연'이라고 불러. R은 저항, C는 정전용량이야. 미세공정이 진행될수록 트랜지스터 스위칭 시간보다 배선을 타고 신호가 오가는 시간이 지배적이 돼. 지금 AI 가속기와 HPC용 칩에서 전력 효율이 안 나오는 원인의 상당 부분이 여기 있어.

등장인물 정리 — 구리의 한계, 그리고 루테늄

오랫동안 배선 재료는 구리였어. 1990년대 후반 IBM이 알루미늄에서 구리로 전환한 이래로 표준이야. 구리는 전기가 잘 통하고 가공도 비교적 쉬워.

그런데 구리는 아주 가늘어지면 성질이 나빠져. 이유가 두 가지야.

첫째, 전자 산란이야. 금속 안에서 전자는 원래 자유롭게 움직이는데, 배선이 아주 가늘어지면 표면과 결정립 경계에 부딪히는 빈도가 급격히 늘어. 도체의 굵기가 전자의 평균 자유 행로에 가까워지면 벌크 상태의 전도도가 안 나오는 거야. 구리는 이 효과가 특히 심해.

둘째, 장벽층 문제야. 구리는 주변 절연막으로 확산해 들어가는 성질이 있어서, 이를 막는 얇은 장벽층과 접착층을 배선 둘레에 둘러야 해. 배선이 굵을 때는 이 층이 차지하는 비중이 무시할 만했는데, 배선 폭이 수 나노미터대로 내려가면 장벽층이 배선 단면적의 상당 부분을 잡아먹어. 실제로 전류가 흐르는 구리의 단면이 그만큼 줄어드는 거야.

그래서 대안으로 떠오른 게 루테늄(Ru)이야. 루테늄은 벌크 전도도로는 구리보다 나쁜데, 아주 가는 배선에서는 오히려 유리해. 전자의 평균 자유 행로가 짧아서 미세화에 따른 성능 저하가 완만하고, 무엇보다 확산 장벽층이 거의 필요 없어. 장벽층을 안 쓰면 그만큼 도체 단면을 다 쓸 수 있어. 코발트와 몰리브데넘도 후보로 연구돼 왔는데, 루테늄이 최근 몇 년간 가장 유력하게 다뤄져 왔어.

다만 루테늄에도 숙제가 있었어. 얇은 막으로 증착했을 때 결정립이 작고 방향이 제각각이면 전자가 결정립 경계에서 계속 산란돼. 즉 재료를 바꾼다고 자동으로 저항이 낮아지지는 않아. 결정을 크게, 그리고 방향을 가지런히 만들어야 재료의 이점이 실제 성능으로 나와.

결정 방향이 왜 중요한지 조금 더 풀어볼게. 금속 박막은 수많은 작은 결정 알갱이(결정립)가 모여 만들어져. 알갱이와 알갱이가 만나는 경계에서 전자는 산란돼. 알갱이가 크면 경계가 적어지고, 알갱이들의 결정 방향이 가지런하면 경계에서의 산란도 약해져. 그래서 같은 재료, 같은 두께라도 미세구조가 어떻게 형성됐느냐에 따라 저항이 크게 달라져. 재료를 고르는 것만큼이나 그 재료를 어떤 미세구조로 만드느냐가 중요한 영역이고, 이번 성과가 정확히 그 지점에 있어.

여기에 표면 상태라는 변수도 붙어. 배선이 극도로 얇아지면 표면 근처 전자의 거동이 벌크와 달라지고, 밴드 구조 자체가 변형되는 효과까지 고려해야 해. 최근 발표된 초박막 루테늄 배선 연구들이 이 문제를 이론적으로 다루고 있어. 실험과 계산이 같이 붙어야 답이 나오는 영역이라, 대학·연구소와의 공동연구가 필수적인 이유이기도 해.

삼성이 한 일 — 탄소를 촉진제로 쓴 것

삼성종합기술원(SAIT)이 찾은 방법은 미량의 탄소를 쓰는 거야.

증착 과정에 소량의 탄소를 넣어 루테늄 박막이 재결정화되는 과정을 유도해, 결정립 크기와 결정 방향을 제어한 거야. 그 결과 결정 방향이 고도로 정렬된 루테늄 막이 만들어져. 여기서 중요한 건 탄소가 최종 막에 남는 성분이 아니라는 점이야. 공정 과정에서 작용하는 일시적인 촉진제고, 목표는 어디까지나 완성된 루테늄 막의 미세구조야.

기술적으로 더 눈여겨볼 지점은 격자 정합 에피택셜 성장에 의존하지 않았다는 거야. 보통 결정 방향을 정렬하려면 아래쪽 기판의 결정 구조에 맞춰 결을 이어 붙이는 방식을 써. 그런데 이 방법은 기판 재료가 제한되고 실제 양산 공정에 넣기 까다로워. 촉진제로 재결정화를 유도하는 방식은 그 제약에서 자유로워.

항목 내용
성과 초미세 금속 배선 선저항 약 45% 감소
비교 기준 탄소 촉진제를 쓰지 않은 동일 루테늄 배선
방법 미량 탄소로 루테늄 결정 크기·방향 제어
게재 사이언스 (2026-08-13)
저자 총 13명 — 삼성 SAIT 11명, GIST·MIT 연구진 참여
발표 삼성전자·GIST 공동 (2026-08-21)

45%라는 숫자를 읽을 때 기준을 정확히 봐야 해. 이건 구리 대비가 아니라, 탄소 촉진제를 쓰지 않은 같은 루테늄 배선 대비야. 즉 "루테늄으로 바꾸면 저항이 45% 준다"가 아니라 "루테늄을 쓸 때 이 기법을 적용하면 저항이 45% 더 준다"는 뜻이야. 기사 제목만 보고 오해하기 쉬운 지점이야.

저자 구성도 이 연구의 성격을 말해줘. 13명 중 11명이 삼성 SAIT 소속이고 GIST와 MIT 연구진이 참여했어. 대학 주도 기초연구가 아니라 기업 연구소가 주도하고 대학이 이론·분석을 보탠 구조야. 사이언스에 실렸다는 건 학술적 새로움이 인정받았다는 뜻이고, 동시에 양산 적용까지는 별개의 긴 과정이 남아 있다는 뜻이기도 해.

선행 연구도 있었어. SAIT는 2025년 11월 IEDM에서 원자층증착(ALD) 루테늄의 결정 방향 제어에 관한 연구를 발표한 바 있어. 이번 사이언스 논문은 그 흐름의 연장선에 있고, 학회 발표에서 최상위 학술지 게재로 넘어간 셈이야.

'세계 최초'라는 표현도 정확히 읽을 필요가 있어. 이건 루테늄 배선을 처음 만들었다는 뜻이 아니야. 루테늄 배선 연구는 여러 기관에서 오래 진행돼 왔고, imec 같은 컨소시엄에서도 후보 재료로 폭넓게 다뤄왔어. 이번 발표에서 최초에 해당하는 건 탄소 촉진제로 재결정화를 유도해 결정 방향을 정렬하는 방식으로 이 정도 저항 감소를 실증했다는 것이야. 기업 발표의 '세계 최초'는 대개 특정 조건과 방식에 한정된 표현이라, 무엇이 최초인지를 짚고 읽는 게 좋아.

각자의 이득 — 이 성과가 누구에게 무엇인가

삼성 파운드리에게는 공정 로드맵의 재료야. 파운드리 경쟁은 트랜지스터 구조만으로 결정되지 않아. 같은 노드에서도 배선 저항이 낮으면 동작 주파수를 올리거나 전력을 낮출 수 있어. TSMC와의 경쟁에서 트랜지스터 밀도만큼 중요한 축이 배선이고, 여기서 앞선 기술을 갖는 건 실질적인 카드야.

AI 칩 설계사들에게는 전력 예산이 걸린 문제야. 지금 데이터센터 GPU와 AI 가속기의 가장 큰 제약이 전력과 발열이야. 랙 하나에 넣을 수 있는 칩 수, 냉각 비용, 그리고 데이터센터 전체 전력 계약까지 모두 여기에 묶여 있어. 배선 저항이 내려가면 같은 성능을 더 낮은 전력으로 낼 수 있고, 그건 곧 같은 전력 예산으로 더 많은 연산을 뜻해.

GIST와 국내 연구 생태계에게는 레퍼런스야. 국내 대학이 글로벌 기업 연구소와 함께 사이언스급 성과를 내는 사례는 후속 연구비와 인재 유치에 직접적인 영향을 줘. MIT가 참여했다는 점도 국제 공동연구 채널이 작동한다는 신호고.

소재·장비 업계에게는 새로운 수요야. 루테늄 전구체와 증착 장비, 그리고 탄소 촉진제를 다루는 공정 제어는 기존 구리 공정과 다른 장비 구성을 요구해. 루테늄 배선이 실제 공정에 들어가면 소재 공급망과 장비 시장이 재편돼. 다만 루테늄은 백금족 금속이라 공급량이 제한적이고 가격 변동성이 커.

반면 당장 이득을 보기 어려운 쪽도 있어. 실제 칩을 사는 고객 입장에서 이 기술이 제품에 반영되는 데는 시간이 걸려. 연구 성과가 양산 공정으로 넘어가려면 수율, 신뢰성, 장기 열화 특성, 기존 공정 흐름과의 정합성을 전부 검증해야 해. 논문에서 파운드리 라인까지는 보통 몇 년 단위야.

국내 반도체 인력 관점에서도 의미가 있어. 소재·공정 분야는 설계나 소프트웨어에 비해 상대적으로 주목을 덜 받아왔는데, 미세화가 물리적 한계에 부딪히면서 오히려 이 영역의 중요도가 올라가고 있어. 트랜지스터 구조를 바꾸는 것만으로는 더 이상 성능이 안 나오는 구간에 들어섰기 때문이야. 이런 성과가 사이언스에 실리는 건 해당 분야 연구자들에게 실질적인 신호가 돼.

과거 유사 사례 — 배선 재료 전환의 역사

가장 큰 선례는 알루미늄에서 구리로의 전환이야. 1997년 IBM이 구리 배선 공정을 발표했을 때도 지금과 비슷한 문제의식이었어. 배선이 가늘어지면서 알루미늄의 저항과 일렉트로마이그레이션(전류에 의해 금속 원자가 이동하는 현상)이 한계에 부딪혔거든. 구리로의 전환은 성공했지만, 표준이 되기까지 여러 해가 걸렸어. 구리 확산을 막는 장벽층 기술과 다마신 공정이 함께 성숙해야 했기 때문이야.

이 사례가 말해주는 건 재료 하나를 바꾸는 게 아니라 공정 전체를 다시 짜는 일이라는 거야. 루테늄도 마찬가지야. 증착 방식, 식각, 평탄화, 검사 — 배선 재료가 바뀌면 그 전후 공정이 다 영향을 받아.

코발트 배선 시도는 절반의 사례야. 인텔이 10나노 공정에서 하위 배선층에 코발트를 도입했는데, 이론적 기대와 달리 양산에서 어려움을 겪었어. 인텔의 10나노 지연에는 여러 원인이 있지만 코발트 배선도 그중 하나로 자주 언급돼. 실험실 결과가 좋아도 양산 수율에서 무너질 수 있다는 경고 사례야.

EUV 노광 도입은 반대로 인내가 통한 사례야. ASML이 EUV를 상용 수준으로 끌어올리는 데 20년 가까이 걸렸고, 중간에 여러 차례 실패 선언이 나왔어. 그런데 결국 성공했고 지금은 미세공정의 필수 요소가 됐어. 여기서 얻을 교훈은 반도체 원천기술은 성과 발표와 양산 사이의 간격이 길다는 것을 전제로 봐야 한다는 거야.

**하이브리드 본딩과 후면 전력 공급(BSPDN)**도 비슷한 방향의 시도야. 배선 문제를 재료가 아니라 구조로 푸는 접근인데, 전력 공급 배선을 칩 뒷면으로 옮겨 신호 배선의 혼잡을 줄이는 방식이야. 재료 개선과 구조 혁신이 동시에 진행 중이고, 실제 칩에서는 이 둘이 합쳐져야 효과가 나와.

경쟁자 카운터 플레이

TSMC도 루테늄을 포함한 대체 배선 재료를 오래 연구해왔어. 파운드리 경쟁에서 이런 원천기술은 학회와 논문으로 어느 정도 공개되지만, 실제 양산 적용 시점과 조건은 영업 비밀이야. 삼성이 사이언스에 먼저 실었다고 해서 양산에서도 앞선다고 단정할 수는 없어.

인텔은 후면 전력 공급 쪽에서 앞서 있다고 주장해왔어. 배선 혼잡 문제를 구조로 접근하는 전략이야. 재료 개선과 구조 개선 중 어느 쪽이 먼저 효과를 낼지는 아직 결론이 안 났어.

imec 같은 공동연구 컨소시엄의 역할도 커. 배선 재료 연구는 개별 기업이 다 감당하기 어려워서, 컨소시엄에서 후보 재료를 폭넓게 스크리닝하고 그 결과를 회원사가 공유하는 구조가 자리잡았어. 루테늄이 유력 후보로 좁혀진 것도 이런 공동연구의 결과야.

중국 반도체 업계의 접근도 변수야. 첨단 노광 장비 확보가 제한된 상황에서, 중국 연구기관들은 노광 미세화가 아닌 다른 축 — 재료, 3차원 적층, 패키징 — 에서 성능을 끌어올리는 연구에 자원을 집중해 왔어. 배선 재료는 장비 의존도가 상대적으로 낮은 영역이라 이런 전략과 맞아떨어져. 실제로 루테늄과 몰리브데넘 배선 관련 논문 발표가 최근 몇 년 사이 눈에 띄게 늘었어.

장비·소재 업체들은 어느 재료가 채택되든 이익을 볼 수 있는 위치지만, 준비에는 리드타임이 필요해. 루테늄 전구체를 안정적으로 공급할 수 있는 회사는 제한적이고, 백금족 금속의 원료 확보는 지정학적 변수도 안고 있어.

메모리 쪽에도 파급이 있을 수 있어. 배선 저항 문제는 로직 칩만의 문제가 아니야. D램과 낸드도 셀이 미세해지면서 워드라인·비트라인 저항이 성능을 제약하는 요인이 되고 있어. 삼성은 로직과 메모리를 다 하는 회사라, 한쪽에서 확보한 배선 기술이 다른 쪽으로 넘어갈 여지가 있어. 다만 메모리는 공정 구조와 요구 조건이 달라서 그대로 적용되지는 않아.

그래서 뭐가 달라지는데

반도체 업계에 있다면 이 발표는 배선이 주요 경쟁 축으로 올라왔다는 신호야. 지난 몇 년간 공정 경쟁의 언어는 트랜지스터 구조 중심이었는데, 앞으로는 배선 재료와 후면 전력 공급 같은 항목이 로드맵 발표에 더 자주 등장할 거야.

AI 인프라를 운영한다면 당장 바뀌는 건 없어. 다만 방향은 알아둘 만해. 칩당 전력 효율이 개선되는 경로가 여러 갈래로 진행 중이고, 배선 저항 개선도 그중 하나야. 데이터센터 전력 계약을 몇 년 단위로 잡을 때, 현재 세대 칩의 전력 특성을 그대로 외삽하면 과대추정이 될 수 있어.

투자자라면 이 뉴스만으로 판단할 건 많지 않아. 연구 성과와 양산 적용 사이의 간격이 길고, 삼성이 이 기술을 어느 노드에 언제 넣을지는 공개되지 않았어. 확인할 지점은 향후 삼성 파운드리의 공정 로드맵 발표에서 루테늄 배선이 언급되는지야.

소재·장비 쪽에 있다면 루테늄 관련 공급망은 주목할 영역이야. 백금족 금속이라 공급이 제한적이고, 전구체 화학과 증착 장비에서 진입 장벽이 높아. 재료 전환이 확정되면 수요가 급격히 생기는 구조라 준비 시점이 중요해.

칩 설계자라면 배선 저항 개선은 설계 여유로 돌아와. 지금은 배선 지연을 감당하려고 리피터를 곳곳에 넣고, 배선 폭을 넓히고, 층을 더 쌓는 식으로 대응하는데 이게 전부 면적과 전력을 먹어. 저항이 낮아지면 그 보상 회로를 줄일 수 있고, 결과적으로 같은 면적에 더 많은 기능을 넣을 수 있어. 다만 이건 해당 공정을 쓸 수 있게 됐을 때의 얘기라, 지금 진행 중인 설계에 반영할 사항은 아니야.

연구자나 학생이라면 이 사례는 산학 협력의 형태를 보여줘. 기업 연구소가 주도하고 대학이 이론과 분석을 맡는 구조가 최상위 학술지 게재로 이어졌어. 반도체 소재 분야에서 학계 단독으로 접근하기 어려운 문제가 많다는 점도 같이 보여주는 사례야.

🥄 남은 궁금증 세 가지

— 45%면 칩이 45% 빨라지는 거야? 아니야. 이건 특정 배선의 선저항이 낮아진 수치고, 그것도 탄소 촉진제를 안 쓴 같은 루테늄 배선과 비교한 값이야. 칩 전체 성능은 트랜지스터, 배선, 메모리 대역폭, 아키텍처가 다 얽혀서 결정돼. 배선 저항 개선은 그중 한 축이고, 특히 전력 효율 쪽에서 의미가 큰 개선이야.

— 그럼 언제 실제 칩에 들어가? 공개된 일정은 없어. 반도체에서 논문 성과가 양산 공정에 들어가려면 수율, 신뢰성, 장기 열화, 기존 공정과의 정합성을 다 검증해야 하고, 보통 몇 년이 걸려. 인텔의 코발트 배선처럼 실험실에서 좋았는데 양산에서 어려움을 겪은 전례도 있어서, 발표 하나로 시점을 예상하긴 어려워.

— 구리는 이제 안 쓰는 거야? 당분간 계속 써. 배선은 칩 안에 수십 층으로 쌓이는데, 층마다 굵기가 달라. 가장 가는 하위 층에서만 대체 재료를 쓰고 위쪽 굵은 층은 구리를 그대로 쓰는 혼합 구성이 현실적인 경로야. 재료 전환은 전면 교체가 아니라 층별로 조금씩 진행돼.

참고 자료

수치는 발표 시점 기준이라 바뀔 수 있어.