반도체 배선에 사용되는 재료공학!

반도체 배선은 소자의 전기적 신호를 연결하는 핵심적인 역할을 하며 재료 선택은 소자의 성능, 신뢰성, 그리고 제조 공정 안정성을 결정짓는 중요한 요소입니다. 이번 포스팅에서는 반도체 배선에 사용되는 대표적인 재료와, 이들의 재료공학적 특성을 바탕으로 적합성이 평가되는 이유를 다뤄보겠습니다.

 

**반도체 배선 재료의 주요 요구 사항

1. 높은 전기 전도성

• 신호 전달 속도와 전력 손실 감소를 위해 필수
• 저항이 낮은 재료일수록 에너지 효율이 높아지고 고속 신호 전송이 가능

2. 열적 안정성

• 반도체 공정 및 작동 중 발생하는 높은 열을 견뎌야 함
• 열팽창계수가 기판(주로 실리콘)과 유사해야 휨, 크랙, 박리가 발생하지 않음

3. 내구성과 전기적 신뢰성

• 금속 이온의 이동으로 발생하는 전자이동현상(EM, Electromigration)을 최소화
• 내산화성과 내식성 요구

공정 적합성

• 증착, 패터닝, 에칭 등 다양한 공정에서 가공성과 접합성이 우수해야 함

 

*요구사항을 만족하기 위한 주요 인자

 

1. 열팽창 계수 (CTE, Coefficient of Thermal Expansion)

• 열팽창계수 차이로 인한 응력 발생 방지
  -> 실리콘 웨이퍼(CTE: 약 2.6×10−6/℃)와 금속 배선 간의 CTE 차이가 클 경우 온도 변화 시 열적 응력이 발생

구리 CTE : 17 x 10^-6/℃ 

알루미늄 CTE : 23 x 10^-6/℃ 

• 이 응력은 웨이퍼 휨, 크랙, 박막 박리 같은 문제를 유발 
• 설계 단계에서 CTE를 맞추거나 버퍼층을 추가해 문제를 해결

--> 열팽창계수의 차이를 제대로 제어하지 않으면 소자의 물리적 변형이 발생해 전기적 특성이 저하 --> 회로 불량이나 소자 수명 단축으로 이어짐

 

2. 저항 (Resistivity)

• 금속 배선에서의 저항
  • 구리(저항률 1.68×10−8 Ω⋅m)는 알루미늄(저항률 2.82×10−8 Ω⋅m)보다 전기적 저항이 낮아 전류 손실이 적음
  • 저항이 낮을수록 회로 속도가 빨라지고 발열이 줄어들어 효율적인 소자 구현이 가능
• 온도와 저항의 상관관계
  금속의 경우, 온도가 상승하면 원자 진동이 증가해 전자와의 충돌 빈도가 늘어남 --> 온도가 증가하면 저항도 증가
  (이를 온도계수(Temperature Coefficient of Resistance)로 표현)
• 웨이퍼나 배선의 발열 문제는 저항 증가를 유발해 소자의 성능을 저하

3. 열전도율(Thermal Conductivity)

• 실리콘과 금속의 열전도율 비교

실리콘: 약 150 W/(m⋅K)

구리: 약 400 W/(m⋅K)

알루미늄: 약 235 W/(m⋅K)

• 금속 배선은 실리콘보다 열전도율이 높아 열을 더 효과적으로 방출 but, 금속 배선이 지나치게 발열하면 웨이퍼로 열이 전달되어 소자의 성능이 저하될 위험!
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• 발열과 열전도율의 역할

발열이 심한 환경에서는 열전도율이 높은 재료를 선택하여 열 분산(heat dissipation)을 개선

열전도율이 낮으면 열이 국소적으로 축적되어 hot spot이 발생하고 이는 소자의 과열 및 성능 저하로 이어질 수 있음

 

4. 열팽창계수, 저항, 열전도율의 상호작용

이 세 가지 특성은 반도체 공정에서 서로 영향을 주며 최적화를 요구

• 온도 변화와 특성의 연관성

웨이퍼의 발열(저항 증가)은 열팽창계수 차이로 인한 응력을 증가시켜 웨이퍼 휨과 같은 기계적 변형을 유발

열전도율이 낮은 재료는 발열 해소에 어려움을 겪어 온도가 더 상승 -> 저항 증가와 열적 응력의 악화

• 반도체 설계의 균형점
  반도체 설계에서 저항이 낮고 열전도율이 높으며 열팽창계수 차이가 적은 재료를 선택해야 공정 안정성과 신뢰성을 확보

 

결론!! 구리는 저항이 낮고 열전도율이 높으며, 실리콘과의 열팽창계수 차이도 알루미늄보다 적어 반도체 배선 재료로 적합