BEOL 공정 다마신 구리 배선 방식

1. BEOL 공정

  BEOL이란 Back End Of Line 후공정을 말합니다. 금속 회로를 만들고, 수직으로 소자가 외부와 소통할 수 있도록 콘택트(Contact)와 비아홀(Via Hole)을 형성합니다. 이와 같이 소자를 외부와 연결하는 과정을 '금속배선 공정'이라고 합니다. 

1-1.알루미늄

 

  원래 이 배선 물질은 알루미늄이었습니다. 여러 가지 다양한 재질의 금속 배선 재질이 있었지만 가장 많은 이점이 있는 알루미늄이 가장 오랫동안 사용되었습니다.  W의 경우 알루미늄으로 채우기 힘든 비아홀에 주로 적용되었습니다. 알루미늄은 낮은 비저항을 가지기 때문에 쉽게 전자들이 통과할 수 있습니다. 비저항이라는 것은 일종의 저항 성분의 상수값입니다. 저항 값은 단면적과 길이에 따라 달라지지만, 전기 비저항 성분은 재질마다 일정합니다.

 

그리고 무엇보다 알루미늄은 금속 패턴을 만들기 쉬운 재질입니다. 그렇기에 오랫동안 사용되어 왔지만 그만큼 단점도 같이 존재했습니다. 금속 선은 어떠한 경우든 최소한의 일정 폭을 유지해야만 도선으로서 역할을 다할 수 있습니다. 그러나 기술이 발전하면서 금속선이 점점 좁아짐에 따라 알루미늄을 사용한 금속선은 선이 끊기거나 전류가 제대로 전달되지 못하는 Critical한 문제가 빈번하게 발생하게 되었습니다.

 

그 이유 중의 하나는 전자들이 알루미늄 입자와 충돌 시 알루미늄 입자들이 전자가 흐르는 방향으로 조금씩 제자리를 이탈하는 EM(Electromigration) 현상이 있습니다. 알루미늄 입자들 이동량이 많으면 특정 부분에 입자들이 부족해서 void가 발생하거나 반대로 너무 많은 입자들로 인해 경계면에 Hillock(돌출)이 생기기도 합니다. 알루미늄은 또한 연한 재질이기 때문에 양 옆에서 압력이 가해지면 표면에 힐락이 발생하기도 합니다.

 

그리고 높은 온도에서 실리콘 위에 증착될 때, 두 재질이 상호 확산되며 섞이게 되어 경계면이 파괴되는 spiking 및 junction short 현상이 발생합니다. 실리콘 표면에 크랙이나 void 등이 발생하면 알루미늄이 쉽게 파고듭니다. 이를 방지하기 위해 실리콘과 알루미늄 경계면에 금속 성질인 Barrier를 증착합니다. 혹은 알루미늄 재질에 2wt% 미만 소량의 실리콘을 섞어 확산 현상을 줄이지만 다른 전기적 부작용을 만들었습니다.

 

 

1-2.구리

  금속선 선폭이 Down Scaling 되면서, 50nm 이하에서는 더 이상 알루미늄을 사용하기 어려웠습니다. 이때 구리-다마신이 정착하게 됩니다. (Damascene)

 

구리는 알루미늄보다 30% 낮은 전기 비저항으로 전도도가 높고, 신호를 더 빠르게 통과시켜 줍니다. 전력 소모도 낮아 소자에서 발생하는 열을 줄이고 알루미늄의 단점이던 전자 충돌에 의한 구리 입자가 움직이는 EM 발생 확률을 급격히 줄어들게 하여 void, hillock 발생을 줄일 수 있었습니다. 내구성과 신뢰성도 높아졌지요.

 

구리는 알루미늄보다 더욱 치명적인 spiking, junction short를 발생시키기 때문에 구리의 확산을 방지하기 위해 베리어를 설치합니다. 구리막이 식각되지 않는 문제는 다마신 즉 상감 기법을 적용해 해결합니다.

 

반도체 회로를 구리로 대체하기 만든 상감 기법은 현재 가장 널리 사용 되는 방법입니다. 10nm이하 금속선 폭에서도 구현이 가능하여 향후에도 오랫동안 사용이 가능할 것으로 보입니다. 

 

 

출처 :

[반도체 특강] 다마신 구리 배선 방식_ 알루미늄의 한계를 극복하다 (skhynix.co.kr)