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신비한 '다막신' 공정: 구리는 어떻게 작은 채널을 완벽하게 채울까?
IBM과 모토로라가 1997년에 처음으로 집적 회로 상호연결에 구리를 사용한 이래로, 이 혁신적인 공정은 반도체 산업의 모습을 계속해서 바꾸어 왔습니다. 알루미늄에 비해 구리의 전도성이 뛰어나 많은 IC를 더 얇은 와이어로 설계할 수 있으며, 에너지 소비를 크게 줄여 궁극적으로 전체 성능을 향상시킵니다.
구리의 장점은 전도성뿐 아니라 전류 흐름 중 전기 이동에 대한 저항성에도 있습니다.
그러나 알루미늄에서 구리로 전환하는 과정은 쉽지 않습니다. 이를 위해서는 금속 패터닝 방법을 완전히 개편하는 것을 포함하여 완전히 새로운 제조 기술과 공정이 필요합니다. 포토레지스트 마스크와 플라즈마 에칭에 의존하는 이전 기술은 구리 응용 분야에 성공적이지 못했습니다. 이로 인해 과학자들은 금속 패터닝 과정을 재고하게 되었고, 결국 다마신 공정이라는 방법을 개발하게 되었습니다.
다마신 공예 과정
다마진 공정에서는 도체의 위치를 결정하기 위해 기본적인 실리콘 산화물 절연층을 명확한 홈으로 깎아야 하며, 그런 다음 절연층을 구리로 두껍게 도금하여 필요한 충전 용량을 초과합니다. 그런 다음 화학적 기계적 평탄화(CMP) 기술을 통해 절연층 위쪽에 있는 구리를 제거하고, 절연층에 가라앉은 구리는 섬세하고 기능적인 도체로 남게 됩니다.
이 공정을 통해 과학자들은 다층 상호연결 구조에 최대 10개 이상의 금속 층을 채울 수 있었으며, 이는 다마진 공정의 탄력성과 확장성을 입증했습니다.
금속 차단의 역할
구리 도체의 효과적인 사용을 보장하기 위해서는 장벽 금속층을 완벽하게 덮는 것이 중요합니다. 과도한 구리 확산은 주변 물질과 바람직하지 않은 상호 작용을 일으킬 수 있으며, 특히 실리콘 내에 구리가 깊은 함정을 형성할 위험이 있습니다. 따라서 장벽 금속은 양호한 전기적 접촉을 유지하는 동시에 구리의 확산 특성을 줄여야 합니다. 얇은 차단층은 접촉 오염으로 이어질 수 있지만, 두꺼운 차단층은 전반적인 저항성을 높입니다.
전기이동의 과제
전자공학에서 전기 이동은 금속 도체가 전류의 영향으로 모양이 변하는 과정으로, 궁극적으로 도체가 끊어지는 결과를 초래할 수 있습니다. 구리는 이 공정에서 알루미늄보다 성능이 뛰어나 동일한 크기의 와이어를 통해 더 높은 전류를 견딜 수 있어 반도체 산업에서 선호하는 도체 재료가 되었습니다.
기술의 발달로 구리 소재의 응용은 점점 더 성숙해지고 있으며, 오늘날 반도체 산업의 핵심이 되었습니다.
초정형 전착 기술의 추가 개발
2000년대에 프로세서 주파수가 3GHz에 도달하면서 상호 연결의 용량성 RC 결합이 속도를 제한하는 주요 요인이 되었습니다. 이때, 구리를 선택할 때는 낮은 임피던스와 낮은 커패시턴스 성능이라는 두 가지 요구 사항을 모두 고려해야 합니다. 구리 전기 도금 공정은 부착된 시드 층을 기반으로 하며, 그 다음에 초정형 전기 도금을 통해 작은 채널을 채웁니다. 이 공정에 포함된 다양한 첨가제는 또한 채널에 구리를 채우는 것을 최적화합니다.
전착 모델에 대한 뛰어난 적합성
초전도 금속 전기 도금에서는 그 메커니즘을 설명하는 데 주로 두 가지 모델이 있습니다. 첫 번째는 곡률 강화 흡착제 농도 모델로, 바닥 채널에서 가속기의 중요성을 강조합니다. 두 번째는 S형 음성 차등 저항 모델로, 억제제의 역할이 더 중요하다고 주장합니다. 그들의 주장은 다르지만, 둘 다 전기 전도도를 향상시키는 핵심 요소를 강조합니다.
미래 전망
반도체 기술에 대한 수요가 계속 증가함에 따라 구리와 관련 기술의 응용 분야도 발전하고 있습니다. 현재 과학자들은 기존의 구리-실리콘 접합 방법을 대체할 새로운 소재와 더 효율적인 제조 기술을 찾아 현재의 장애물을 극복하고자 노력하고 있습니다. 그렇다면 이 분야의 연구는 앞으로 반도체 산업에 어떤 영향을 미칠까요?
