세미툰 인터랙티브 교과서 · 금속 배선

수십억 개의 스위치를
금속의 길로
잇다

트랜지스터가 아무리 빨라도 신호가 지나갈 길이 막히면 칩은 느려진다. 칩 위에는 폭이 수십 nm까지 가늘어진 금속 선이 여러 층으로 쌓여 트랜지스터들을 잇는다. 이 교과서는 금속의 저항이 어디서 오는지에서 출발해, 금속을 쌓고 채우고 깎는 공정, 콘택, 배선이 끊어지는 신뢰성 문제, 새로 등장하는 금속, 장비와 계측, 현업에서 부딪히는 문제까지 시뮬레이터로 직접 움직여 보며 익히게 한다.

1장부터 시작하기 → 전체 목차
12개 챕터 공대 학부 수준 장비와 현업 노트 면접 포인트 시뮬레이터 74개 참고문헌 270여 개 · 모든 근거에 출처
금빛 금속 선을 다루는 세미툰 캐릭터 메탈메탈 · 칩 속 금속의 길을 잇는 친구

첫 실험: 전자가 원자를 밀어낸다

배선에 전류가 흐르면 수많은 전자가 금속 원자에 부딪히며 지나간다. 원자 하나하나는 아주 조금씩 전자가 가는 쪽으로 밀린다. 오랜 시간이 쌓이면 전자가 들어오는 쪽에는 원자가 빠져나간 빈자리(Void)가 모이고, 반대쪽에는 원자가 밀려 쌓인다. 이것이 배선을 끊는 대표적인 고장인 Electromigration이다. 7장에서 자세히 다룬다.

ANIMATION

배선 속 원자의 이동과 Void

온도
흐른 시간 (모의)0
음극 끝 Void (단면 비율)0%
배선 저항 변화+0%
상태정상
해볼 것: ① 그대로 두고 지켜보자. 먼저 오른쪽 위의 틈으로 원자(금색)가 밀려 나오고, 그만큼 생긴 빈자리가 전자 흐름을 거슬러 왼쪽 끝(전자가 들어오는 음극 쪽)으로 모인다. 15~20초쯤 지나 왼쪽 끝 단면이 다 비면 배선이 끊어진다. ② 온도를 '낮음'으로 바꾸고 처음부터 다시 보자. 같은 일이 약 5배 느리게 일어난다. 그래서 신뢰성 시험은 높은 온도와 큰 전류로 고장을 앞당겨 본다. ③ 전류 밀도를 0으로 낮추고 처음부터 다시 보면 원자는 처음 있던 빈자리 근처에서 흔들리기만 하고, 틈으로 밀려 나오지도 한쪽으로 모이지도 않는다. 0.2쯤이면 빈자리가 퍼지기만 하고 끊어지지는 않는다. (학습용 모델: 원자가 이웃한 빈자리로 뛰어드는 격자 모형. 전자가 가는 방향으로 뛸 확률만 높게 두었다. 양 끝은 원자가 드나들 수 없는 W 비아, 오른쪽 위는 덮개막이 약한 자리로 가정했고, 전류가 원자를 밀 때만 그 틈으로 원자가 올라간다고 두었다. '음극 끝 Void'는 음극 쪽 비아 위 단면 가운데 가장 많이 빈 단면의 비율이고, 붉은 곳은 빈자리가 서너 개 이상 모인 자리다. 온도는 원자가 뛰는 횟수만 바꾼다. 실제 원자 수, 시간, 저항 값과는 관계없다.)

숫자로 보는 금속 배선

이 교과서를 끝내면 아래 숫자가 어디서 나오는지, 공정에서 무엇을 뜻하는지 설명할 수 있게 된다.

약 40 nm

Cu 속 전자가 한 번 부딪힌 뒤 다음에 부딪힐 때까지 가는 평균 거리. 배선 폭이 이보다 좁아지면 표면과 결정립계에 부딪히는 일이 늘어 비저항이 커진다(2장).

300 → 475 Ω/µm

IRDS 2023 로드맵이 적은 가장 가는 배선(Mx)의 선 저항. 피치 32 nm(2023년)에서 24 nm(2025년)로 줄 때다. 1 µm짜리 선 하나가 수백 Ω이다(1·2·8장).

약 220 nm/min

10 mA/cm²로 Cu를 전기 도금할 때 막이 자라는 속도. Faraday 법칙으로 계산한 값이다. 도금에서는 흘린 전하가 곧 두께다(4장).

20~25%

막 도금한 Cu의 비저항이 기대값보다 높은 정도. 상온에 두기만 해도 몇 시간에 걸쳐 결정립이 자라며 내려간다. 그래서 CMP 전에 어닐한다(4장).

0.87 → 1.4 eV

Cu 배선 Electromigration의 활성화 에너지. 위를 덮는 Cap이 없을 때와 Ta/TaN으로 덮었을 때다. 원자가 새는 길(계면)을 막으면 수명이 크게 는다(7장).

2,800~3,500 A/cm

Cu 배선의 Blech 곱 (jL)c(단일 다마신, 300 °C 측정). 전류 밀도 × 길이가 이보다 작은 짧은 배선은 EM으로 끊어지지 않는다(7장).

이 책을 읽는 방법

눈으로 읽고 끝나는 책이 아니다. 숫자를 바꿔 보고, 결과를 먼저 예측해 보고, 왜 그런지 설명해 보는 책이다.

읽기개념과 원리를 먼저 쉬운 말로. 영어 용어는 현장에서 쓰는 그대로 두고 뜻을 풀어 쓴다.
바꿔 보기실험 카드의 값을 끝까지 밀어 보자. 무너지는 지점에서 가장 많이 배운다.
예측하기예측 카드는 결과를 보기 전에 답을 먼저 고른다. 도전은 목표를 맞히는 문제다.
현업 노트현업 노트는 공개 논문과 장비사 자료에 근거해 현장에서 조심하는 지점을 짚는다.
면접 포인트면접 포인트는 그 장의 개념을 원인 → 결과 → 확인 방법으로 이어 말하는 연습이다.

전체 챕터

1~2장은 원리, 3~6장은 공정, 7~8장은 신뢰성과 미래, 9~10장은 장비와 계측, 11장은 현업의 이상 분석이다.

세미툰 공정 교과서 시리즈

반도체 공정을 한 권씩 나누어 같은 방식으로 만든다. 캐릭터마다 맡은 공정이 있다.

이 페이지의 근거

홈 화면의 숫자 카드에 쓴 근거만 모았다. 각 장 끝에는 그 장에서 인용한 참고문헌이 있고, 책 전체의 참고문헌은 12장 · 전체 참고문헌에서 한꺼번에 볼 수 있다. 근거: Cu의 평균 자유 행로, IRDS 선 저항 목표, 도금 속도 계산의 상수(패러데이 상수, Cu 원자량, Cu 밀도), 도금 Cu의 자가 어닐, Cap에 따른 EM 활성화 에너지, Blech 곱.