반도체 8대 공정 (4) - 금속 배선 공정 - BEOL 공정 - EM

지난 시간에는 금속 배선 공정 BEOL 공정의 접합 스파이킹(Junction spiking)에 대하여 알아보았습니다.

이번 시간에는 EM(Electro-migration)에 대하여 알아보겠습니다.

 

 

2. Electro-migration (EM)

 

알루미늄 배선은 소자의 도선 역할을 하면서 신호의 이동에 따라 전류가 흐르게 되는데, 스케일이 계속 줄어들면서 배선의 너비와 폭도 줄어들게 되었습니다.

그러면서 단위 면적당 흐르는 전류의 밀도가 높아지게 되는데, 전자의 흐름에 따른 원자와의 충돌에 의해 원자의 이동이 발생합니다.

원자의 이동은 주로 결정립계(grain boundary)를 통해 일어나게 되고, 원자가 이동하기 전 원래 있던 공간에 Void가 생기게 되고 반면에 이동한 원자가 쌓이게 되는 영역에는 힐록(hillock)이라는 언덕 모양으로 솟아오른 형태가 됩니다.

도선에 Void가 생기면 단선(open)이 되고, hillock이 생기면 단락(short)이 발생할 수 있습니다.

이러한 문제는 신뢰성 문제로 이어지게 되는데, 처음에는 정상 상태로 동작하지만 어느 정도 시간이 지나면 불량으로 이어지게 됩니다.

정량적으로 MTF(Mean Time to Failure)의 방법으로, 물질과 사용 환경에 따른 불량 확률을 계산할 수 있습니다.

 

MFT = c J^(-2) exp(E_a/kT)

 

J : 전류밀도

E_a : activation energy (알루미늄의 경우 0.4~0.5eV)

T : 온도

 

EM을 개선하기 위하여 알루미늄에 다른 물질을 소량 섞어서 grain boundary를 통한 확산을 억제해 주는 방법이 있습니다.

알루미늄 95%에 구리 4%와 실리콘 1% 수준의 타겟을 이용한 스퍼터링을 이용하면 EM 뿐만 아니라 스파이킹 현상도 억제할 수 있는 것으로 확인되고 있습니다.

하지만 알루미늄의 설분비가 낮아지고 구리나 실리콘의 성분비가 높아지면 합금화되면서 전기 저항이 증가하기 때문에 전기 저항과 EM 및 스파이킹 현상을 제어할 수 있는 수준으로 성분비가 제어되어야 합니다.

 

이러한 void나 hillock은 전자의 이동에 기인한 원인 외에도 발생합니다.

기판의 실리콘과 알루미늄 간 열팽창계수가 달라 응력이 발생하게 되고, 이로 인한 원자의 이동이 발생하게 됩니다.

-> SM (Stress induced migration)

알루미늄은 실리콘보다 열팽창계수가 크기 때문에 온도가 올라가면 실리콘보다 더 많이 팽창하면서 실리콘 기판에 의해 압축 응력(Compressive stress)을 받게 되고, 주변에서 미는 힘을 받게 되니 솟구치는 결정립, 즉 hillock이 생기게 됩니다.

반면에 온도가 낮아지면 반대로 알루미늄은 실리콘 기판보다 더 축소되려는 성질 때문에 인장 응력(Tensile stress)을 받게 되고 주변에서 잡아당기는 힘을 받게 되니 void가 발생합니다.