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 항목구리(Cu)코발트(Co)루테늄(Ru)
벌크 비저항(실온, 대표값)약 1.7 µΩ·cm약 6 µΩ·cm약 7 µΩ·cm
전자의 평균 자유 행로(대표값)약 40 nm로 김10 nm 전후 또는 그 이하로 짧음10 nm 전후 또는 그 이하로 짧음
가는 배선에서의 비저항 상승큼. 수십 nm 이하에서 표면·입계 산란이 늘어 벌크의 수 배가 되기도 함구리보다 작음구리보다 작음
배리어층필요. TaN/Ta 등 수 nm로 측면과 바닥을 감쌈얇은 라이너(TiN 등)를 사용하지만 구리보다 얇게 할 수 있음절연막으로 잘 확산되지 않아 배리어를 매우 얇게 하거나 생략할 수 있는 가능성이 있음
녹는점(기준)약 1085 ℃약 1495 ℃약 2334 ℃
일렉트로마이그레이션 내성대책이 필요. 상면 캡층이나 라이너로 강화함구리보다 높음높음
가공·매립다마신법. 시드층 위에 전해 도금으로 매립함. 건식 식각은 어려움CVD나 도금으로 가는 홀이나 트렌치도 매립하기 쉬움CVD나 ALD로 성막할 수 있음. 막을 만든 후 식각으로 가공하는 방식도 검토되고 있음
사용되는 층중간층에서 상층까지의 배선 대부분콘택트나 비아의 매립, 최하층 일부의 가는 배선, 구리 배선의 캡이나 라이너가장 가는 배선이나 비아에의 도입이 연구·개발되고 있음. 라이너에도 사용됨
재료의 입수성풍부하고 저렴구리보다 고가백금족 귀금속으로 자원이 적고 고가

수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.

상황별 선택 기준

구리(Cu)
선폭에 여유가 있는 중간층·상층 배선. 여기서는 벌크 비저항이 가장 낮다는 이점이 그대로 효과를 발휘합니다.
코발트(Co)
트랜지스터에 가까운 콘택트나 비아 등 홀이 매우 가늘어, 구리로는 배리어와 시드만큼 실효 저항이 올라가는 곳. 구리 배선의 신뢰성을 높이는 캡이나 라이너.
루테늄(Ru)
선폭이 십수 nm 이하인 가장 가는 배선이나 비아의 후보. 배리어를 생략한 부분까지 도체로 쓸 수 있으므로, 가는 배선에서는 구리보다 실효 저항이 낮아질 가능성이 있습니다.

자주 묻는 질문

벌크 비저항은 구리가 가장 낮은데, 왜 코발트나 루테늄이 검토되나요?

가는 배선에서는 벌크 비저항보다 표면이나 입계에서의 산란과 배리어층의 두께로 실효 저항이 정해지기 때문입니다. 구리는 평균 자유 행로가 약 40 nm로 길어서 가늘게 하면 비저항이 크게 오르고, 수 nm의 배리어도 필요합니다. 코발트나 루테늄은 가늘게 해도 비저항이 잘 오르지 않고 배리어를 얇게 할 수 있으므로, 아주 가는 배선에서는 구리에 가깝거나 그보다 낮은 저항이 될 가능성이 있습니다.

크기 효과란 무엇인가요?

배선의 폭이나 두께가 전자의 평균 자유 행로와 비슷하거나 그 이하가 되면, 배선 표면이나 결정립계에서 전자가 산란되기 쉬워져 비저항이 벌크 값보다 올라가는 현상입니다. 가는 배선에서는 결정립도 작아지므로 입계에서의 산란이 더욱 늘어납니다.

구리 배선에 배리어 메탈이 필요한 이유는 무엇인가요?

구리는 절연막이나 실리콘 속으로 확산되기 쉬워, 실리콘에 들어가면 트랜지스터의 누설이나 열화의 원인이 되고, 절연막 속에서는 배선 간 절연을 나쁘게 하기 때문입니다. 그래서 측면과 바닥을 TaN/Ta 등의 배리어 메탈로 감싸고, 상면을 유전체 캡막으로 덮습니다.

구리 배선은 모두 다른 금속으로 대체되나요?

대체되지 않습니다. 선폭에 여유가 있는 중간층이나 상층 배선에서는 벌크 비저항이 가장 낮은 구리가 계속 유리합니다. 새로운 재료는 트랜지스터에 가까운 콘택트나 비아, 가장 가는 배선 등 구리의 약점이 두드러지는 곳부터 도입됩니다.

이해도 확인

Cu 배선의 폭이 매우 좁아지면 배선의 실효 저항률이 상승하는 주된 이유는?

  1. A배선의 온도가 내려가기 때문
  2. B전자의 표면 산란과 입계 산란이 늘고, 저항이 높은 배리어층이 차지하는 비율도 커지기 때문
  3. CCu가 반도체로 바뀌기 때문
정답과 해설 보기

정답: B. 전자의 표면 산란과 입계 산란이 늘고, 저항이 높은 배리어층이 차지하는 비율도 커지기 때문

배선 폭이 전자의 평균 자유 행로(Cu에서 약 40 nm)와 같은 정도 이하로 좁아지면 배선 표면이나 결정 입계에서의 전자 산란이 늘어 저항률이 벌크의 몇 배에 이르기도 합니다. 가는 배선에서는 결정립도 작아지므로 입계 산란이 더욱 늘어납니다. 게다가 일정 두께가 필요한 배리어층이 단면에서 차지하는 비율도 커집니다. 그래서 평균 자유 행로가 짧은 코발트, 루테늄, 몰리브덴 등의 새로운 배선 재료가 검토·도입되고 있습니다.

Cu를 대체할 미세 배선 재료로 검토되고 있는 루테늄(Ru) 등의 금속의 장점으로 올바른 것은?

  1. A가는 배선에서도 저항률 상승이 비교적 작고 배리어층을 얇게 할 수 있다(또는 불필요하게 할 수 있을 가능성이 있다)
  2. B구리보다 훨씬 저렴하다
  3. C빛을 투과시키므로 검사하기 쉽다
정답과 해설 보기

정답: A. 가는 배선에서도 저항률 상승이 비교적 작고 배리어층을 얇게 할 수 있다(또는 불필요하게 할 수 있을 가능성이 있다)

Cu는 굵은 배선에서는 저항률이 낮지만, 폭 10~20 nm대의 매우 가는 배선에서는 표면과 입계에서의 산란이 늘고 수 nm의 배리어층도 필요하여 실효 저항이 올라갑니다. 루테늄이나 몰리브덴은 전자의 평균 자유 행로가 수 nm~십수 nm로 짧아 가늘게 해도 저항률 상승이 작고, 절연막으로의 확산이 적어 배리어를 얇게 하거나 불필요하게 할 가능성이 있습니다. 식각으로 가공할 수 있다는 점도 장점입니다.

Cu 배선에서 Ta나 TaN 등의 배리어 메탈을 두는 주된 목적은?

  1. A배선의 저항을 낮추기 위해
  2. BCu가 절연막이나 실리콘으로 확산되는 것을 막기 위해
  3. CCu 표면을 산화시키기 위해
정답과 해설 보기

정답: B. Cu가 절연막이나 실리콘으로 확산되는 것을 막기 위해

Cu는 절연막이나 실리콘 속으로 확산되기 쉬우며, 실리콘에 들어가면 깊은 준위를 만들어 트랜지스터의 누설과 특성 열화를 일으키고, 절연막 속에서는 배선 간 절연을 악화시킵니다. 그래서 Cu 배선의 측면과 바닥을 Ta/TaN 등의 배리어 메탈(수 nm)로 둘러싸고 상면은 유전체 캡막으로 덮어 확산을 막고 있습니다. 배리어 메탈은 절연막과의 밀착성을 높이고 Cu 결정의 방향을 정렬시키는 역할도 합니다.

  1. 실온에서의 구리(Cu)의 저항률에 가장 가까운 값은? (벌크 값)
  2. Cu 배선의 상면에 코발트 등의 캡층을 설치하는 주된 목적은?
  3. 일렉트로마이그레이션에 대한 설명으로 올바른 것은?

배선 공정 문제 풀기

주요 용어 설명

배리어 메탈(Barrier Metal)
구리 배선 둘레에 두어 구리가 절연막이나 실리콘으로 확산되는 것을 막는 얇은 금속막. Ta, TaN 등이 쓰인다.
일렉트로마이그레이션(Electromigration)
전류에 의해 배선의 금속 원자가 이동하는 현상. 보이드와 힐록이 생겨 단선이나 단락의 원인이 된다.
다마신 공정(Damascene)
절연막에 홈을 파서 금속을 채우고, 남은 금속을 CMP로 제거하여 배선을 형성하는 방법. Cu 배선에 사용한다.
RC 지연
배선의 저항(R)과 용량(C)의 곱으로 결정되는 신호 지연. 미세화로 배선이 가늘어질수록 커져 성능을 제한한다.
MOL(Middle-of-Line)
트랜지스터(FEOL)와 다층 배선(BEOL) 사이를 잇는 컨택트와 국소 배선 부분. 미세화로 저항이 커져 성능을 제한하는 요인이 되고 있다.

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