인텔 10nm 공정의 새로운 재료. 코발트 https://gigglehd.com/gg/2125057 이 글의 더욱 자세한 내용입니다.

 

5nm 세대 이후 차세대 배선 기술의 세부 사항과 2nm 세대 이후 궁극적인 배선 기술이 드러나고 있습니다. 마이크로 프로세서와 그래픽 프로세서 등의 첨단 로직 반도체에서 사용하는 다층 배선 기술은 현재 주류인 구리(Cu) 배선에서 일부 코발트(Co) 배선을 도입하는 구조로 바뀝니다.

 

또한 앞으로는 궁극적인 배선 기술이라 할 수 있는 그래핀과 탄소 나노 튜브로 구성된 올 카본의 배선 구조가 나타납니다. 12월 4일~6일 미국 샌프란시스코에서 개최된 국제 학회 IEDM 2017에서 이러한 배선 기술의 미래 이미지가 떠올랐습니다.

 

 

다층 배선 기술의 기초 지식

최첨단 로직의 성능을 이끌어내는 다층 배선은 전기 특성, 발열 특성, 장기 신뢰성을 실용적인 수준으로 유지해야 합니다. 전기적 특성은 주로 배선 저항과 배선 용량(캐패시턴스)을 의미합니다. 모두 낮거나 작은 것이 바람직합니다.

 

배선 저항이 상승하면 배선 때문에 신호 전압이 떨어질 뿐만 아니라, 신호 펄스의 상승 시간이 늘어나고, 저항 손실이 소비 전력을 증가시킴과 동시에 온도가 오릅니다. 배선 용량이 ​​증가하면 신호 펄스의 상승 시간이 길어지고, 인접한 배선 사이의 크로스토크가 증가해 소비 전력도 늘어납니다. 나쁜 것 밖에 없습니다.

 

발열 특성은 주로 배선의 열 컨덕턴스(열 저항의 역수)를 의미합니다. 배선이 소비 전력과 온도 상승에 미치는 영향을 나타내는 특징입니다. 열 전도성은 높을수록 바람집합니다(열 저항은 낮을수록 바람직함). 열전도성이 낮을수록(열저항이 높을수록) 같은 전력 사용량에서도 온도 상승 폭이 커집니다. 그러면 일렉트로 마이그레이션 수명이 줄어들고 케이블 불량이 날가능성이 높아집니다.

 

장기 신뢰성은 배선의 수명입니다. 이를 결정하는 건 주로 3개의 불량인데, 일렉트로 마이그레이션(EM)과 스트레스 마이그레이션(SM), TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)입니다. 전류 밀도가 높아지는 최첨단 로직에선 전자 이동(EM)이 배선의 수명을 결정하는 요인이 됩니다. 배선 금속 이온이 전류에 의해 움직여 배선이나 VIA가 변형되는 현상이 전자 이동입니다. 이런 변형으로 저항이 늘어나거나 단선/단락 같은 불량이 발생합니다. 전자 이동은 온도가 올라갈수록 활발해집니다. 따라서 열전도율이 낮은 배선은 그다지 바람직하지 않습니다.

 

 

알루미늄 배선에서 구리 배선으로 세대 교체가 이루어졌던 시절 

 

최첨단 로직의 다층 배선 기술은 예전에 일대 변혁이 이루어졌던 적이 있습니다. 알루미늄(Al) 배선에서 구리(Cu) 배선으로의 전환입니다. 1990년대 후반~2000년대 초반에 있었던 일로, 이 시절 CPU는 1GHz를 목표로 치열한 경쟁이 이루어졌습니다.

 

알루미늄은 은과 구리 다음으로 저항이 낮습니다. 그래서 알루미늄 박막의 증착 스퍼터링 배선 패턴 가공에 에칭을 쓸 수 있어 양산이 잘 되어 보급도 많이 됐습니다. 그러나 1990년대에는 미세화가 진행되면서 Al 배선의 저항이 늘어나고, 일렉트로 마이그레이션 수명이 떨어지는 문제를 무시할 수 없게 됐습니다.

 

구리는 알루미늄보다 재료 저항(비저항)이 낮고, 전류 밀도의 허용치가 높습니다(일렉트로 마이그레이션 수명이 김). 그러나 구리를 반도체 칩의 다층 배선에 사용하기 위해서는 극복해야 할 과제가 크게 2가지가 있었습니다. 하나는 구리를 일반적인 막 형성 기술인 화학적 기상 증착(CVD), 혹은 스퍼터링을 사용해서 충분한 두께의 박막을 배선에 만들지 못한다는 것. 다른 하나는 구리 박막 애칭으로 패턴 가공이 매우 어려웠다는 것입니다.

 

반도체 산업은 이들 과제를 두가지 핵심 기술을 개발하고 조합해 극복했습니다. 하나는 전기 도금으로 구리 박막을 성장시키는 기술, 다른 하나는CMP (Chemical Mechanical Polishing)로 구리 박막을 더 깎아 평탄화하는 기술입니다. IBM이 이들을 조합한 공정 기술인 dual damascene을 1990년대에 개발해 구리 다층 배선을 반도체 양산에 도입할 수 있었습니다.

 

IBM이 개발한 듀얼 다마스커스 기술로 실용화된 구리 다층 배선. 왼쪽은 구리 다층  배선의 단면을 전자 현미경으로 관찰 한 사진. 듀얼 다마스커스 기술에선 배선층의 VIA 층을 일괄적으로 만들 수 있습니다. 중앙은 구리 다층 배선 구조를 현미경으로 관찰한 사진. 당시에는 배선 패턴이 2차원에 직각으로 구부러져 있었음을 알 수 있습니다. 오른쪽은 이 기술을 실제로 접목한 제품(PowerPC 750 프로세서. 1997년 출시 당시에 0.26μm의 알루미늄 배선으로 제조했으며 1999년에 이를 0.20μm로 미세화하고 구리로 전환). 

 

 

1층 금속 배선에 알루미늄(구리 첨가) 배선과 구리의 시트 저항 실험 결과. 배선 피치는 0.63μm, 배선 폭은 0.32μm입니다. IBM은 20년 전인 1997년 12월에 국제학회 IEDM에서 발표한 논문을 통해 배선 저항이 25% 감소하고 배선 용량이 ​​15% 줄어든다고 밝혔습니다.

 

 

1층 금속 배선의 구리 첨가 알루미늄 배선, 구리 배선의 수명 실험 결과. 구리 배선의 수명(불량률이 50%에 도달할 때까지의 시간)은 알루미늄 배선의 100배입니다. 구리 배선은 싱글 다머스커스 배선(VIA와 배선 와이어를 따로 형성하는 다머스커스 기술)로 제작. 알루미늄 배선은 티타늄(Ti)을 배리어 메탈로 삼은 Ti/Al(Cu)/Al 배선으로 전기 마이그레이션 내성을 강화. 설계 공정은 0.3μm. 온도는 295도, 전류 밀도는 2.5MA/제곱cm. IBM이 20년 전인 1997년 12월에 국제학회 IEDM에서 발표 한 논문에서 발췌.

 

미세화가 진행되며 구리 배선에 알루미늄 배선 시절의 위기가 닥침

 

구리 배선을 채용해 최첨단 로직의 다층 배선 기술에 닥친 큰 벽은 일단 사라졌습니다. 보다 정확히는 연기됐습니다. 미세화가 더욱 진행되면서 2010년대 초반에 구리 배선으로도 기존의 알루미늄 배선 시절과 같은 문제가 드러나게 됐습니다. 배선 저항 값이 높아지고 전류 밀도의 증가(전자 이동 수명 저하)입니다.

 

특히 문제가 된 것이 일렉트로 마이그레이션 수명의 저하입니다. 해결책은 주로 두 가지. 하나는 구리 배선 벽에 얇은 캡 층을 마련해 일렉트로 마이그레이션의 내성을 높이는 것. 다른 하나는 배선 금속 자체를 일렉트로 마이그레이션 내성이 높은 재료로 바꾸는 것입니다.

 

예전에는 캡 층에 쓰려는 금속 원소의 후보 중 코발트(Co)와 루테늄(Ru)가 유력했습니다. 둘 다 구리보다 전류 밀도의 허용치가 높습니다. 다만 단점도 있습니다. 저항이 구리보다 높습니다. 금속 원소 중에서 저항이 가장 낮은 재료는 은, 그 다음이 구리입니다. 다만 은은 마이그레이션이 일어나기 아주 쉬워 배선 재료로 잘 쓰지 않습니다. 따라서 코발트나 루테늄 중 하나를 쓰면 구리 배선보다 저항이 높아질 수 있습니다. 또 열전도율도 은이 가장 높고 그 다음이 구리입니다. 코발트와 루테늄의 열전도율은 그리 높지 않습니다. 

 

 

 

코발트 캡 층과 코발트 배선이 문제를 모두 해결

 

앞으로 미세 배선에 캡 층 재료는 모두 코발트를 쓸 가능성이 높습니다. 이미 일부 첨단 로직 반도체 제조 업체는 배선 공정에 코발트를 사용하기 시작했습니다.

 

IBM과 글로벌 파운드리, 삼성 전자의 공동 개발 그룹은 제조 장비 업체인 Applied Materials와 함께 구리 배선에 코발트 캡 층을 결합, 저항 상승을 억제하면서 일렉트로 마이그레이션 수명을 늘린 다층 배선 기술을 개발하고 있습니다. 배선의 상층과 주변을 캡층으로 감싸 좋은 실혐 결과를 얻었습니다. 이 내용은 2017년 VLSI 심포지엄과 IEDM에서 발표됐습니다.

 

인텔은 최근 개발한 10nm 세대의 첨단 로직 반도체 공정에서 12층의 다층 배선 기술(범프 층 제외) 중 아래쪽 제 0층(M0)과 제 1층(M1)에 코발트를 주 재료로 하는 배선을 채용했습니다. 또한 제 2층(M2)부터 제 5층(M5)에 구리 배선과 코발트 캡 층을 합친(인텔은 이를 cladding layer라고 표현) 것을 도입했습니다.

 

코발트 배선을 채용한 제 0층의 배선 피치는 40nm, 제 1층의 배선 피치는 36nm로 매우 좁습니다. 이 정도로 미세화하면 구리 배선에서 재료 본래의 저항이 아닌 결정 입자와 계면 상태로 인한 저항이 현저히 늘어납니다. 또한 질화 티타늄(TiN)이나 질화 탄탈(TaN) 등의 배리어 층(구리 이온의 절연막으로 확산을 방지하는 층)에 의한 저항 증가가 어렵습니다. 배선 저항의 증가를 억제하기 위해서는 장벽 층을 얇게 만들고 싶으나 그렇게 하면 구리 이온의 확산을 막을 수 없게 됩니다.

 

한편 코발트 배선은 CVD로 증착할 수 있는 에칭 패턴을 가공 가능해 장벽 층이 필요하지 않습니다. 배리어 층으로 인한 저항 증가가 없다는 장점이 있습니다. 전체적으로 보면 같은 공정의 코발트 배선 저항은 구리에 비해 높지 않고 오히려 줄어들 가능성이 적지 않습니다.

 

 

구리 배선에 캡 층을 도입했을 때의 전자 이동 수명 변화. 질화 탄화 실리콘(SiCN)의 캡 층으로 코발트 캡 층의 수명이 10배. 구리 배선 주위를 코발트로 둘러싼 캡 층은 수명이 1000배 성장합니다.

 

 

구리 배선과 코발트 배선, 루테늄 배선의 저항 비교. 7nm 세대의 다층 배선을 상정하고 비교했습니다. Cu(TaN 장벽), Co, Ru는 배선 저항이 거의 같습니다. 코발트 캡 층과 Cu를 조합한 배선(tCoSFB)은 단면적이 같을 때 배선 저항이 절반으로 떨어집니다.

 

다층 배선 기술의 최종 병기. 올 카본 인터커넥트

더 미래로 눈을 돌리면 코발트나 루테늄으로도 한계가 찾아옵니다. 그런 미래에 대비해 연구가 진행되는 것이 다층 배선 기술의 최종 병기인 올 카본 인터커넥트 기술입니다. 다층 그래핀(MLG) 배선에 탄소 나노튜브(CNT) VIA를 형성합니다.

 

그래핀과 탄소 나노 튜브는 모두 카본(탄소)의 동소체(원자는 같으나 배열과 결합이 다른 재료)입니다. 그래핀은 정육각형 격자 구조의 탄소 원자가 무한대로 이어지는 모노 레이어(단층)의 평면 물질입니다. 탄소 나노튜브는 그래핀이 원통형이며 그 직경은 1nm 미만~수십nm로 매우 작습니다.

 

그래핀이 반도체 배선 재료로 주목받게 된 배경에는 우수한 전기적 특성과 열 특성을 지녀서입니다. 이론적으로는 저항이 매우 낮고, 허용 전류 밀도가 매우 높고, 열전도율이 높습니다. 구리에 비해 저항은 2/3, 전류 밀도는 100~1000배, 열전도율은 10배입니다. 매우 높은 품질의 배선 구조를 실현할 수 있는 가능성이 있어 연구 개발이 활발합니다. 

 

 

미세화로 배선 저항과 배선이 허용하는 전류 밀도의 변화. 가로축의 왼쪽 방향이 미세화의 방향. 왼쪽 그림은 미세화에 의해 배선 저항이 증가하는 모습. Cu와 W는 장벽 층, Co, Ru, NiSi(니켈 실리사이드), Doped MLG (다층 그래핀)은 배리어 층 없음. 다층 그래핀의 저항 값이 가장 낮습니다. 오른쪽 그림은 미세화로 허용 전류 밀도가 변화하는 모습. 연두색은 다층 그래핀이 허용하는 밀도, 중앙의 검은 곡선은 요구 사양, 주황색 곡선은 Cu가 허용하는 밀도. 배선 폭이 22nm 이하에선 Cu 배선이 요구를 충족하지 못합니다.

 

 

구리 배선의 다층 배선 구조(왼쪽)와 올 카본의 다층 배선 구조(오른쪽). 올 카본 다층 배선은 배선에 다층 그래핀, VIA에 탄소 나노튜브를 사용합니다.

 

올 카본의 다층 배선 구조가 시작

이런 상황에서 올 카본의 다층 배선 구조를 처음으로 시작한다는 연구가 나왔습니다. 캘리포니아 대학(University of California, Santa Barbara)가 올 카본의 2층 배선 구조를 제작해 그 결과를 발표했습니다. 2층 배선 구조는 다층 그래핀(MLG)의 1층 배선. 탄소 나노 튜브(CNT)는 VIA. 그리고 1층 배선과 평행 방향으로 MLG의 2층 배선입니다.

 

 

카본의 2층 배선 구조 개념도 

 

 

여기서 중요한 건 다층 그래핀 (MLG)과 탄소 나노튜브(CNT)의 연결 부분입니다. 단순 연결로는 그 부위의 저항이 높아집니다. 그래서 MLG와 CNT 사이에 미리 니켈(Ni) 박막을 끼워 전류 어널링함으로 니켈과 탄소 합금을 형성, 연결 저항을 낮춥니다. 연두색 부분의 두께는 5nm.

 

 

2층 올 카본 배선의 단면(위)와 전자 현미경의 단면 관찰 사진(아래). 이미지 우측 하단의 흰색은 2.5μm의 축척입니다. 배선 폭은 2μm, VIA 높이 0.7μm, CNT 직경은 40nm.

 

올 카본 2층 배선 구조를 400도의 고온 스트레스를 주고 전류를 흘려보냈을 때, 전류 밀도는 배선 부분에서 25MA/제곱cm, 연결 부위에서 8.3MA/제곱cm, VIA가 3.1MA/제곱cm로 상당히 높습니다. 10시간이 지나도 저항 값이 늘어나진 않았습니다. 높은 전류 밀도를 허용하는 중요한 특성을 기본적으로 확인할 수 있습니다.

 

그러나 저항 값 자체의 특성은 여전히 ​​좋지 않습니다. 특히 VIA CNT의 저항, MLG와 CNT의 연결 저항이 높습니다. 아직 개선의 여지가 있으며 시간도 충분하니 나아지길 기대해 봅니다.