구리 배선

구리 배선(copper interconnects)은 집적 회로에서 전달 지연과 전력 소비량을 줄이기 위해 사용된다. 구리는 알루미늄보다 더 좋은 도체이므로, 구리를 배선으로 사용하는 IC는 더 좁은 치수의 배선을 가질 수 있으며, 전기를 통과시키는 데 더 적은 에너지를 사용한다. 이러한 효과들이 합쳐져 더 좋은 성능의 IC를 만들게 된다. 구리 배선은 IBM이 모토로라의 도움을 받아 1997년에 처음 도입했다.^[1]

알루미늄에서 구리로의 전환은 금속을 패턴화하는 근본적으로 다른 방법뿐만 아니라 잠재적으로 손상될 수 있는 구리 원자로부터 실리콘을 격리하기 위한 배리어 금속층의 도입을 포함하여 제조 기술에 상당한 발전을 필요로 했다.

초고순도 구리 전기도금 방법은 1960년대 후반부터 알려져 있었지만, (서브)마이크론 비아 스케일(예: 마이크로칩)에 적용된 것은 1988-1995년부터였다 (그림 참조). 2002년까지 이 기술은 성숙해졌고, 이 분야의 연구 개발 노력은 감소하기 시작했다.

패터닝

어떤 형태의 휘발성 구리 화합물이 1947년부터 존재한다는 것이 알려져 있었지만,^[2] 세기가 진행됨에 따라 더 많은 것이 발견되었음에도 불구하고,^[3] 산업적으로 사용되는 것은 없었으므로 구리는 알루미늄에 성공적으로 사용되었던 포토레지스트 마스크 및 플라스마 식각의 이전 기술로는 패터닝할 수 없었다. 구리를 플라스마 식각할 수 없다는 것은 금속 패터닝 공정에 대한 급진적인 재고를 요구했고, 이 재고의 결과는 전통적인 금속 상감 기법과 유사하게 "다마신" 또는 "듀얼 다마신" 공정으로도 알려진 첨가 패터닝이라는 공정이었다.

이 공정에서는 기본 실리콘 산화물 절연층이 도체가 위치해야 할 개방형 트렌치로 패턴화된다. 트렌치를 상당히 넘치게 채우는 두꺼운 구리 코팅이 절연체 위에 증착되고, 화학적 기계적 평탄화 (CMP)가 절연층 상단 위로 확장되는 구리 (오버버든이라고 함)를 제거하는 데 사용된다. 절연층 트렌치 내부에 가라앉은 구리는 제거되지 않고 패턴화된 도체가 된다. 다마신 공정은 일반적으로 다마신 단계당 단일 특징을 구리로 형성하고 채운다. 듀얼 다마신 공정은 일반적으로 한 번에 두 가지 특징을 구리로 형성하고 채우는데, 예를 들어 비아 위에 놓인 트렌치는 듀얼 다마신을 사용하여 단일 구리 증착으로 모두 채워질 수 있다.

연속적인 절연체 및 구리 층을 통해 다층 배선 구조가 생성된다. 층의 수는 IC의 기능에 따라 달라지며, 10개 이상의 금속 층도 가능하다. 평면적이고 균일한 방식으로 구리 코팅을 제거하는 CMP의 능력과 구리-절연체 계면에서 반복적으로 멈추는 CMP 공정의 능력 없이는 이 기술은 실현 불가능할 것이다.

배리어 금속

배리어 금속 층은 모든 구리 배선을 완전히 둘러싸야 한다. 왜냐하면 구리의 주변 재료로의 확산은 그 특성을 저하시킬 수 있기 때문이다. 예를 들어, 실리콘은 구리로 도핑될 때 깊은 준위 트랩을 형성한다. 이름에서 알 수 있듯이 배리어 금속은 구리 확산을 충분히 제한하여 구리 도체를 아래의 실리콘으로부터 화학적으로 격리해야 하지만, 좋은 전자 접촉을 유지하기 위해 높은 도전율을 가져야 한다.

배리어 필름의 두께도 상당히 중요하다. 너무 얇은 층에서는 구리 접촉이 연결된 장치 자체를 오염시키고, 너무 두꺼운 층에서는 두 배리어 금속 필름과 구리 도체의 스택이 알루미늄 배선보다 총 저항이 더 커져 어떤 이점도 상실된다.

이전의 알루미늄에서 구리 기반 도체로의 도전율 개선은 미미했으며, 알루미늄과 구리의 벌크 도전율을 단순 비교하여 예상되는 만큼 좋지는 않았다. 구리 도체의 사방에 배리어 금속을 추가하면 순수하고 저저항인 구리로 구성된 도체의 단면적이 크게 줄어든다. 알루미늄은 실리콘이나 알루미늄 층에 직접 접촉할 때 낮은 옴 저항을 촉진하기 위해 얇은 배리어 금속이 필요했지만, 주변 실리콘 산화물 절연체로부터 알루미늄을 격리하기 위해 금속 라인의 측면에 배리어 금속이 필요하지는 않았다. 따라서 과학자들은 완충층을 사용하지 않고 구리의 실리콘 기판으로의 확산을 줄이는 새로운 방법을 찾고 있다. 한 가지 방법은 구리-게르마늄 합금을 배선 재료로 사용하여 완충층(예: 질화 타이타늄)이 더 이상 필요하지 않도록 하는 것이다. 에피택시얼 Cu₃Ge 층은 평균 비저항 6 ± 1 μΩ cm 및 일함수 ~4.47 ± 0.02 eV를 각각 나타내어^[4] 구리의 좋은 대안으로 인정받고 있다.

일렉트로마이그레이션

금속 도체가 흐르는 전류의 영향으로 모양이 변형되어 결국 도체가 파손되는 현상인 일렉트로마이그레이션에 대한 저항은 알루미늄보다 구리에서 훨씬 우수하다. 이러한 일렉트로마이그레이션 저항의 개선은 알루미늄에 비해 주어진 크기의 구리 도체를 통해 더 높은 전류가 흐르도록 허용한다. 도전율의 소폭 증가와 일렉트로마이그레이션 저항 개선의 결합은 매우 매력적임을 입증했다. 이러한 성능 향상에서 파생된 전반적인 이점은 궁극적으로 고성능 반도체 장치를 위한 구리 기반 기술 및 제조 방법에 대한 전면적인 투자를 유도하기에 충분했으며, 구리 기반 공정은 오늘날 반도체 산업에서 최첨단 기술로 남아 있다.

구리의 초고순도 전기도금

초고순도 구리 전기도금에 대한 전 세계 특허 패밀리 수(log(N+1)) 및 비특허 간행물 수(연간)

그림 A. 전기도금의 여러 시나리오를 보여주는 개략도. (a) 상단에서 더 빠른 증착률, (b) 균일한 증착률, (c) 하단에서 더 빠른 증착률(초과 충진).

2005년경 프로세서 주파수는 이전 몇 년 동안 온칩 트랜지스터 크기의 지속적인 감소로 인해 3GHz에 도달했다. 이 시점에서 배선의 정전용량 RC 결합이 속도(주파수) 제한 요인이 되었다.^[5]

R과 C를 모두 줄이는 과정은 1990년대 후반에 시작되었는데, 이때 낮은 R(저항)을 위해 알루미늄 (알루미늄)이 구리 (구리)로 대체되었고, 낮은 C(정전용량)를 위해 SiO₂가 저유전율 유전체로 대체되었다. 구리는 상온에서 저비용 재료 중 가장 낮은 전자 저항을 가지며, 알루미늄보다 느린 일렉트로마이그레이션을 보이기 때문에 알루미늄의 대체물로 선택되었다. 주목할 점은 알루미늄 배선의 경우 패터닝 공정이 코팅되지 않은 영역에서 선택적인 알루미늄 식각(즉, 감산 제조 공정)을 포함하고, 이어서 유전체를 증착하는 것이었다. 구리를 공간적으로 선택적으로 식각하는 방법이 알려지지 않았기 때문에, 대신 유전체 식각(패터닝)이 구현되었다. 구리 증착(즉, 첨가 제조 공정)을 위해 1990년대 후반 IBM 팀은 전기도금을 선택했다. 이것이 반도체/마이크로칩 산업에서 "구리 혁명"을 시작하게 되었다.

구리 도금은 비아의 벽을 보호층(Ta, TaN, SiN 또는 SiC)으로 코팅하는 것으로 시작되며, 이는 구리가 실리콘으로 확산되는 것을 방지한다. 그런 다음 비아 벽에 얇은 시드 구리 층을 물리적 기상 증착한다.^[6] 이 "시드 층"은 다음 전기도금 단계의 촉진제 역할을 한다. 일반적으로 Cu²⁺ 이온의 느린 질량 수송으로 인해 전기도금은 비아 내부 깊은 곳에서 더 느리다. 이러한 조건에서는 비아 충전 시 내부에 공동이 형성된다. 이러한 결함을 피하려면 그림 A에 표시된 것처럼 상향식 충전(또는 초고순도 충전)이 필요하다.

초고순도 구리 전기도금용 액상 용액은 일반적으로 밀리몰 농도의 여러 첨가제를 포함한다: 염화 이온, 억제제(예: 폴리에틸렌글리콜), 가속제(예: 비스(3-술포프로필)이황화물) 및 평탄화제(예: 야누스 그린 B).^[7] 초고순도 금속 전기도금에 대한 두 가지 주요 모델이 제안되었다.

1) 곡률 강화 흡착물 농도(CEAC) 모델은 비아 바닥에 있는 구리 층의 곡률이 증가함에 따라 흡착된 가속제의 표면 피복도 증가하여 이러한 영역에서 동역학적으로 제한된 구리 증착을 촉진한다고 제안한다. 이 모델은 가속제의 역할을 강조한다.

2) S자형 음의 미분 저항(S-NDR) 모델은 대신 주 효과가 억제제에서 비롯된다고 주장한다. 억제제는 높은 분자량/느린 확산으로 인해 비아 바닥에 도달하지 않고 비아 상단에 우선적으로 흡착하여 구리 도금을 억제한다.

두 모델을 모두 지지하는 실험적 증거가 있다. 화해적인 의견은 상향식 비아 충전의 초기 단계에서 바닥에서 구리 도금 속도가 더 빠른 것은 PEG 억제제 분자가 부족하기 때문이며(이들의 확산 계수가 충분히 빠른 질량 수송을 제공하기에는 너무 낮음), 더 작고 빠르게 확산되는 분자인 가속제는 비아 바닥에 도달하여 억제제 없이 구리 도금 속도를 가속시킨다는 것이다. 도금 말기에는 가속제가 도금된 구리 표면에 고농도로 남아 최종 범프 형성을 유발한다.

같이 보기

• 배선에서의 탄소 나노튜브