차세대반도체연구회

일본의 NEC는, LSI가 미세화 됨에 따라 구리(Cu) 배선의 저항이 급격하게 증가하는 기술적인 과제를 극복하기 위해 배선 내부의 계면 전자 산란을 억제하는 방법으로 Cu 배선을 저저항화할 수 있는 새로운 배선 재료 기술을 개발했다고 밝혔다. 이 재료 기술은 결정 배열을 제어한 루테늄(Ru)을 이용하여 Cu 배선을 피복하는 방식으로 Cu 결정의 고품질화를 도모한 것이다. 새로운 재료의 비저항을 -253oC의 극저온 측정 결과를 통해 확인한 결과, 종래의 Ta/Cu 배선에 비해, 계면 근방의 금속 결정 격자의 흐트러짐에 기인한 전자 산란에 의한 잔류 저항이 12% 정도 줄어든다는 것을 알 수 있었다. LSI 디바이스의 미세화가 진행되면서 트랜지스터 사이를 연결하는 Cu 배선의 미세화도 함께 이루어지고 있다. LSI의 소비전력과 처리 속도에 영향을 미치는 배선 저항은 배선 단면적과 배선 재료의 고유 물성값인 비저항에 의해 결정된다. LSI의 미세화 과정에서는 단면적의 축소에 비례하여 배선 저항이 커지게 되며, 특히 배선의 폭이 수백 나노미터 이하로 미세화되면, 세선효과(細線效果)에 의해 배선 저항이 급격히 증가하는 현상이 나타나게 된다. 이 현상은 미세화에 따라 Cu 배선의 단위 체적에 대한 계면의 비율이 증가하고, 계면 부분에서 전자의 흐름이 산란되어 배선 저항의 급격한 증가로 이어지는 것으로 이해되고 있다. 따라서, 미세 배선의 비저항을 줄이기 위해서는 계면 부분의 Cu 결정에서 전자가 산란될 가능성을 가능한 한 줄일 필요가 있다. 현재의 Cu 배선은 일반적으로 층간 절연막에 Cu가 확산되는 것을 방지하기 위해 Ta과 TaN로 구성되는 적층 베리어 금속층을 이용하여 피복하고 있다. 이 경우, Ta 막과 구리 막이 접촉하는 계면층이 형성되는 데, Ta의 경우 뛰어난 구리 확산 내성을 가지고 있는 반면, 구리와 약 18%의 결정 격자 부정합이 발생하게 된다. 이 때문에 계면 부근의 Cu의 격자 배열이 흐트러져 전자가 산란되면 배선 저항이 증가하게 되는 것이다. 다시 말해서, 미세 배선을 흐르는 전자의 산란을 억제하여 저저항화를 달성하기 위해서는 Cu 결정과의 정합성이 뛰어난 재료를 계면 보호층으로 채용해야 한다는 것을 의미한다. 이번 기술 개발에서는 Ru을 계면 보호층으로 이용함으로써 Cu 결정과의 격자 부정합을 6%까지 줄였다. NEC에 의하면, 이번 기술 개발은 세선 효과에 의한 Cu 배선 저항의 증가 현상을 본질적으로 해결하고, 저저항화가 필요한 초고주파 신호를 취급하는 고주파 대역의 무선 휴대 단말기나 고속, 대용량 서버 등의 기기의 고성능 및 저전력화가 가능할 것이라고 설명했다 한편, 배선의 저저항화를 달성하기 위해 최근 매우 활발한 선행 연구가 이루어지고 있는 분야는 카본 나노튜브를 배선 재료로 사용하기 위한 관련 연구 분야이다. 그 예로 후지츠연구소에서는 카본 나노튜브를 Cu 배선을 연결하는 비아(via) 부분에 사용하기 위한 기술을 개발하여 발표한 바 있다. 이 기술에서는 금속 나노 입자를 촉매로 사용하여 CVD법을 통해 실리콘 기판 위에 다층 카본 나노튜브의 다발을 수직 방향으로 성장시켜 비아를 형성하기 위한 핵심 요소 기술을 제공한다. 특히, 기존 실리콘 공정과의 정합성을 높이기 위한 공정들이 개발되었다. 또한, 카본 나노튜브 자체를 배선 재료로 사용하기 위한 재료 합성 방법 및 원천 기술들도 활발히 연구되고 있다. 요약부분에서 설명한 바와 같이, LSI의 신호 지연은 배선의 저항값 뿐만 아니라, 배선 사이의 기생 용량과도 밀접한 관련이 있다. 따라서, Cu 배선 사이에 위치하는 층간 절연막 재료를 저유전율화하여 기생용량의 값을 줄일 필요가 있다. 최근 히타치(Hitachi)제작소에서는 50nm 공정 세대 이후에 본격적으로 도입하게 될 층간 절연막 재료 기술로서, 도포형이며 비유전율이 2.4인 초저유전율 절연막 재료를 이용한 배선 기술을 개발하여 발표한 바 있다. 이 배선기술에서는 2.5이하의 낮은 유전율을 가지면서도 높은 기계적인 강도와 내열성을 함께 겸비한 층간 절연막 재료 기술을 개발하고, 이 재료를 이용한 리소그래피 및 드라이 에칭 공정 등의 관련 배선 공정을 개발했다. * 출처: 과학기술정보포털서비스 및 NEC 홈페이지 (기사) 첨부파일은 NEC에서 기재하고 있는 내용을 정리하여 옮긴 것임.