[반도체 8대 공정] 알루미늄 배선에서 구리 배선으로 넘어간 배경

[반도체 8대 공정] 구리 배선 공정

 

지난 글을 통해 반도체 공정 Beol 단 배선 공정에서 초기 알루미늄 배선을 사용하였지만, 소자 미세화에 따라 구리 배선으로 전환되었음을 알 수 있었습니다. 좀 더 구체적으로 알루미늄 배선에서 구리 배선으로 넘어간 배경을 주제로 공부해 보겠습니다.

 

알루미늄 배선에서 구리 배선으로 넘어간 배경

 

반도체 소자는 설계 기술이 발전하며 동일 Wafer size 내 더 많은 chip을 구현해 내기 위해 갈수록 미세화되었습니다. 그에 따라 Beol 단 배선공정에서도 배선의 단면적이 줄어들게 됩니다. 쉽게 생각하여 전기 도선을 생각하자면 전기가 흐를 수 있는 단면적이 감소한 것이며, 이는 저항이 증가하였음을 의미합니다. 저항이 증가하면 전류는 감소하게 되며, 이 때문에 신호 전달에 지연이 발생하게 됩니다. 문제를 해결하기 위해선 저항의 감소가 필요했으며 알루미늄보다 비저항이 낮은 구리를 사용하게 되면 저항도 낮추며 소모 전력 또한 줄일 수 있게 됩니다. 또한, 구리의 특성은 알루미늄보다 녹는점이 높으며, 원자의 무게 또한 무겁습니다. 높은 열을 가해도 스트레스 기인 특성이 우수하며, 원자의 무게가 무거워 Electro migration 불량 또한 알루미늄보다 덜 나타나게 됩니다. 정리하자면 아래와 같습니다.

 

1. 알루미늄보다 구리가 비저항이 낮다.(구리 : 1.68 *10^(-8)Ω·m, 알루미늄 : 2.65*10^(-8)Ω·m)

2. 알루미늄보다 구리가 원자의 무게가 높다.(Electro migration에 의한 Hillock, void 발생감소)

3. 구리의 녹는점은 1085C로 알루미늄의 녹는점인 660C보다 높다. 이 때문에 후속 공정에서 높은 열을 가하는 공정 진행이 가능하다.

 

구리 배선의 문제점

 

공학에서 Ideal은 존재하지 않듯, 구리 배선에서도 문제점이 있습니다. 첫 번째로는 식각 공정 시  휘발성 반응 부산물을 만들지 못해 식각이 어렵게 됩니다. 식각 시 반응물은 기화되어 날아가야 하지만, 구리는 녹는점뿐 아니라 비등점 또한 높아 기화되는데 많은 에너지가 필요하게 됩니다. 또한, 구리는 Si, SiO2 등으로 확산하는 성질도 있어 알루미늄보다 더한 Junction spiking 현상을 초래할 수 있습니다. 이러한 식각되지 않는 문제를 해결하기 위해 CU 다마신 공정이 등장하게 되었습니다.

 

다마신 공정

 

 

위 그림에서 노란색은 SiO2 같은 산화막을, 갈색은 Cu를 의미합니다. 알루미늄 배선하고 어떤 차이가 있을까요? 알루미늄 배선은 알루미늄 위에 PR Pattern을 형성하여 알루미늄을 ETCH 합니다. 그 후 산화막을 채워넣게 됩니다. 즉, 위 그림에서 노란색 막이 알루미늄이 되는 것입니다. 하지만 Cu는 가스 형성이 안 돼 Etch가 불가하므로 Cu를 채워넣는 방식을 이용합니다. 위처럼 산화막을 먼저 Etch 하여 틀을 만들고 그 사이로 Cu를 채워넣는 방식이 곧 다마신 방식을 의미합니다. 그렇다면 Single Damascene과 Dual Damascene의 차이는 무엇일까요? 반도체 Beol 공정에는 앞서 공부했다시피 Via, Metal layer가 존재합니다. Via는 층과 층을 연결해주는 배선이며, Metal은 층 내에서의 연결을 의미합니다. Single Damascence은 우선 Via를 형성한 후 그 위에 Metal을 형성하는 방식이며, Dual Damascene은 Via와 Metal을 한 번에 형성시키는 모습을 위 그림을 통해 볼 수 있습니다. 공정 진행 수가 두 번에 걸쳐 진행해야 하는 Single Damascene 공정이 더욱 많은 것을 확인할 수 있습니다. 정리하자면 아래와 같습니다.

 

구리배선의 문제점

1. 구리는 식각 공정 시 휘발성 반응 부산물을 만들지 못해 식각이 불가능하다.(다마신 공정으로 해결)

2. 구리는 Si, SiO2 등으로 확산하는 문제가 있다.(확산 방지막 증착이 필요하다.)