- 초고속ㆍ저전력의 차세대 반도체소자 배선

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│ 1997년 9월 미국 IBM사가 세계 최초로 구리 칩 기술을 개발 │
│했다고 발표한 이후 1년 뒤인 1998년 9월 구리 배선을 이용한 │
│마이크로프로세서인 Power PC 750의 출하 개시를 발표하였고 │
│이 발표가 구리 배선 붐을 조성하는 역할을 했다. 그 이후 모토로라,│
│TI, AMD 등 외국 반도체 업체는 물론 삼성전자, 하이닉스반도체 │
│등 국내업체들도 구리 칩 개발 계획을 잇따라 밝히는 등 구리 칩 │
│제조공정 도입에 가속도가 붙고 있다. │
│ 구리 칩 제조공정은 현재 반도체 회로에서 배선으로 사용되는 │
│알루미늄 대신 구리를 배선으로 사용하여 최대 1억 개 가까운 │
│트랜지스터를 한 개의 칩에 집적시킬 수 있는 기술로서 신호전송 │
│능력을 40%가량 향상시키고 전력소모량을 크게 줄일 수 있으며, │
│CPU 같은 다층 배선 제품에서는 제조비용을 지금보다 30%가량 │
│줄일 수 있는 차세대 반도체 제조 기술이다. │
│ 이 때문에 구리 칩은 빠른 처리 속도와 저전력 소모를 요구하는 │
│CPU, DSP, PLD 등과 같은 각종 시스템 IC 분야에서 기가(G) DRAM │
│급 메모리 소자에 이르기까지 폭넓게 사용될 것으로 전망된다. │
│ 반도체 업체들의 구리 칩 양산 속도경쟁에 따라 배선 공정 분야의│
│특허출원에 있어서도 구리 배선에 관한 특허출원이 급격히 증가하고 │
│있다. │
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○구리 기술은 지난 수년간 마이크로 프로세서를 지배해온 알루미늄을
대체하는 차세대 반도체 기술이다. 구리의 성능이나 신뢰도는
알루미늄보다 우세하다. 구리의 저항률(1.67x10-6Ωcm)은 알루미늄의
저항률(2.66x10-6Ωcm)보다 낮아 배선 지연 시간이 짧아져 IC의 높은
동작 주파수를 얻을 수 있다. 그 결과 소비전력도 감소할 수 있게 된다.
높은 전류가 흐르면 단선이 일어나는 일렉트로마이그레이션
(electromigration)에 대한 구리 배선의 수명도 알루미늄보다 10배 길다.

○ 구리 배선의 제조 비용은 알루미늄 배선에 비해 낮다는 것도 장점이다.
구리 배선의 형성에 전해도금법과 이중 다마신(damascene) 프로세서를
사용할 경우 공정 수를 줄일 수 있고 또한 제조비용도 낮출 수 있다.
배선층 수의 절감에 따라 제조비용을 약 30% 절감할 수 있다는 견해도
있다.

○ 구리 칩의 양산 체제로 갈 경우 설계 도구는 현재의 것을 사용할 수
있고 설계 방법에도 큰 변경은 없다고 한다. 구리 배선은 새로운
기술이지만 설계면에 있어서는 알루미늄의 전문적 기술과 경험을
사용할 수 있다.

○ 반도체 제조업체들은 서버와 워크스테이션용 프로세서나 고속 ASIC에
구리 배선의 채용을 시작하고 있다. IBM사는 1998년 9월 구리 칩
기술을 적용한 64비트 마이크로프로세서 Power PC 750의 출하 개시를
발표하였고 최근에는 2개의 1GHz 64비트 마이크로프로세서를 단일 칩에
집적하고 0.18μm기술과 SOI 기술을 이용한 Power4 프로세서 기술을
선보였다.

○ 삼성전자는 0.18μm의 4층 구리 배선 공정 기술을 개발, 컴팩과
공동으로 개발하고 있는 알파 프로세서에 적용하는데 성공했다.
올해 안으로 7층 구리 배선의 기술로 1.2GHz의 알파 칩을 개발할
계획이며 향후 비메모리 반도체 전 제품에 구리 칩 기술을 적용하기로
했다.

○ AMD는 0.18μm 구리 배선 공정으로 차세대 마이크로 프로세서
애슬론을 생산하고 있으며 올해부터는 1GHz급 구리 칩 애슬론을
생산할 계획이다.

○ Fujitsu Microelectronics사는 작년 0.11μm 구리 공정을 발표했다.
기존 Fujitsu의 0.18μm 공정 기술로 제작되던 ASIC 제품보다 집적도는
두 배가 된다. Fujitsu의 새 공정으로 생산되는 첫 제품은 low-power,
고집적의 Standard Cell CS91과 quick TAT(Turn Around Time) Embeded
Array CE91 ASIC 제품으로 고집적이면서 핀 수가 많은 LSI와 휴대용
시스템 LSI가 될 것이다.

○ 배선 재료로 구리가 알루미늄보다 좋다는 것은 이전부터 잘 알려진
사실이다. 그러나 웨이퍼 프로세스에 있어서 구현하기 어렵다는
점으로 인해 이제까지 채용되지 않았다. 구리 칩 공정을 실제 양산
라인에 도입하기 위해서는 구리 공정에서만 특이하게 발생하는 각종
프로세스상의 문제점을 해결할 수 있는 새로운 제조공정 기술과
장비들이 요구되고 있다. 구리는 에칭에 의한 가공이 곤란하여
CMP(chemical Mechanical Polishing)에 의한 이중 다마신에 의한
배선 형성 공정이 주로 사용되는데 구리는 부드러운 금속이므로
dishing 등의 문제가 있다. 또한 회로선폭의 미세화에 따르는 barrier
metal층과 seed층을 도포하기 위한 새로운 기술이 필요하다. 구리
공정의 대중화는 절연재료에 달렸다는 견해도 있다. 회로선폭의
미세화에 의해 배선간 용량이 증가하므로 저유전율의 층간절연막이
요구되기 때문이다.

○ 이러한 공정 기술상의 여러 문제점에도 불구하고 구리 칩 양산은
반도체 제조업체들이 해결해야 할 과제이다. 구리로의 배선재료
대체는 선택이 아니기 때문이다. 따라서 새로운 구리 증착 및
에칭 장비, CMP, 그리고 구리 도금 장비 등의 분야에서 반도체 장비
업체들의 연구 개발도 매우 활발하게 진행되고 있다.

○ 반도체 업체들의 구리 칩 양산 속도경쟁에 따라 배선 공정 분야의
특허출원에 있어서도 구리 배선에 관한 특허출원이 급격히 증가하고
있다. 표1(표2)은(첨부 참고) 최근 6년간 반도체 공정 관련 분야에서의
특허(실용)출원에 대하여 배선 공정 분야가 차지하는 비율을 나타내고
있다. 최근 산업재산권 전 분야의 출원은 증가하는 추세이나 반도체
관련 출원은 소폭 감소하는 경향인데 이는 국내업체들의 출원이 상당히
줄어들었기 때문으로 분석되고 이는 또한 내실 위주의 출원 추세에
따른 것으로 추정된다.

○ 그림1(첨부 참고)에서 나타난 바와 같이 반도체 공정 관련 특허출원
중에서 배선 공정 분야가 차지하는 비율은 매우 높고 이 중에서 구리
배선에 관련된 기술의 특허출원은 급격히 증가하고 있다. 배선 공정
기술의 특성상 실용신안출원이 차지하는 비율은 미미하다. 이 밖에도
절연막 분야, 박막의 증착, 식각 분야 등에서도 구리 배선 관련 기술의
특허출원이 증가하고 있다.

* 문의 : 심사4국 반도체1심사담당관실
권인희 사무관. 전화 042)481-5727