구리·코발트·루테늄 배선의 차이: 비저항·크기 효과·배리어층·신뢰성 비교
굵은 배선에서는 벌크 비저항이 가장 낮은 구리가 가장 좋은 재료이며, 현재도 배선의 대부분은 구리입니다. 그런데 선폭이 수십 nm 이하가 되면 전자가 배선 표면이나 결정립계에서 산란되어 비저항이 올라가고(크기 효과), 구리에 필요한 배리어층도 단면의 많은 부분을 차지하게 됩니다. 코발트나 루테늄은 벌크 비저항이 구리의 수 배이지만, 전자의 평균 자유 행로가 짧아 가늘게 해도 비저항이 잘 올라가지 않고 배리어층을 얇게 할 수 있습니다. 그래서 가장 가는 배선이나 콘택트, 비아에의 적용이 추진되고 있습니다.
| 비교 항목 | 구리(Cu) | 코발트(Co) | 루테늄(Ru) |
|---|---|---|---|
| 벌크 비저항(실온, 대표값) | 약 1.7 µΩ·cm | 약 6 µΩ·cm | 약 7 µΩ·cm |
| 전자의 평균 자유 행로(대표값) | 약 40 nm로 김 | 10 nm 전후 또는 그 이하로 짧음 | 10 nm 전후 또는 그 이하로 짧음 |
| 가는 배선에서의 비저항 상승 | 큼. 수십 nm 이하에서 표면·입계 산란이 늘어 벌크의 수 배가 되기도 함 | 구리보다 작음 | 구리보다 작음 |
| 배리어층 | 필요. TaN/Ta 등 수 nm로 측면과 바닥을 감쌈 | 얇은 라이너(TiN 등)를 사용하지만 구리보다 얇게 할 수 있음 | 절연막으로 잘 확산되지 않아 배리어를 매우 얇게 하거나 생략할 수 있는 가능성이 있음 |
| 녹는점(기준) | 약 1085 ℃ | 약 1495 ℃ | 약 2334 ℃ |
| 일렉트로마이그레이션 내성 | 대책이 필요. 상면 캡층이나 라이너로 강화함 | 구리보다 높음 | 높음 |
| 가공·매립 | 다마신법. 시드층 위에 전해 도금으로 매립함. 건식 식각은 어려움 | CVD나 도금으로 가는 홀이나 트렌치도 매립하기 쉬움 | CVD나 ALD로 성막할 수 있음. 막을 만든 후 식각으로 가공하는 방식도 검토되고 있음 |
| 사용되는 층 | 중간층에서 상층까지의 배선 대부분 | 콘택트나 비아의 매립, 최하층 일부의 가는 배선, 구리 배선의 캡이나 라이너 | 가장 가는 배선이나 비아에의 도입이 연구·개발되고 있음. 라이너에도 사용됨 |
| 재료의 입수성 | 풍부하고 저렴 | 구리보다 고가 | 백금족 귀금속으로 자원이 적고 고가 |
수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.