금속 배선 (Metal Interconnect / BEOL)

금속 배선의 위치와 역할

금속 배선은 ‘트랜지스터들을 서로 연결해 회로를 만드는 도로망’이다.

한 칩에는 수백억 개의 트랜지스터가 있는데, 이들을 적절히 묶어 게이트·플립플롭·블록·코어 단위의 회로로 만들려면 다층의 금속 배선이 필요하다.

이 배선층 전체를 BEOL이라 부르고, 보통 8~15층의 금속이 절연막과 비아로 연결된 구조를 가진다.

같은 칩이라도 BEOL 면적과 두께가 칩 크기·전력·성능에 큰 영향을 미친다.

알루미늄에서 구리 다마신으로의 전환

90nm 이전에는 알루미늄(Al)이 표준 메탈이었다.

알루미늄을 PVD로 증착하고 식각으로 패턴을 만들어 배선을 형성했다.

그러나 미세화가 진행되면서 알루미늄의 높은 저항과 EM 한계가 문제가 됐고, IBM이 1997년 ‘구리 다마신’ 공정을 양산에 도입하면서 산업 전체가 90nm 노드를 전후로 구리 배선으로 전환했다.

구리는 알루미늄보다 저항이 낮고 EM 내성이 좋아 더 좁은 배선에서도 안정적으로 동작한다.

다만 구리는 식각이 어려워, ‘식각으로 배선을 만드는’ 알루미늄 방식이 아닌 ‘트렌치를 미리 파고 그 안을 채우는’ 다마신 방식이 사용됐다.

다마신·듀얼 다마신 흐름

다마신(Damascene) 흐름은 먼저 절연막(SiO₂ 또는 Low-k)을 증착하고, 식각으로 트렌치(라인 자리)와 비아 자리를 만든다.

그 안쪽 측벽과 바닥에 ALD/PVD로 베리어 메탈(Ta/TaN)과 시드 메탈(Cu)을 깐다.

그 위에 전기도금(Cu plating)으로 트렌치를 채우고, CMP로 트렌치 위쪽의 Cu를 깎아 평탄화한다.

같은 단계에서 라인과 비아를 한꺼번에 만드는 ‘듀얼 다마신’이 표준이다.

이 흐름은 Cu·베리어·캡 메탈(Co, NiSi 등)·캡 절연막(SiCN 등)이 함께 진화한다.

저저항 메탈과 차세대 후보(Co, Ru, Mo)

저저항 메탈은 점점 더 ‘다양’해지고 있다.

구리는 여전히 메탈 라인의 주력이지만, 매우 좁은 라인(15nm 이하)에서는 Cu의 저항이 다시 커지고 베리어층이 라인의 큰 부분을 차지해 효율이 떨어진다.

그래서 코발트(Co)·루테늄(Ru)·몰리브덴(Mo) 같은 후보가 차세대 메탈 또는 베리어로 검토되고 있다.

일부 노드(예: 인텔 10nm 일부, 7nm)에서는 컨택·로컬 인터커넥트에 Co가 양산 도입됐다.

Ru는 베리어/시드 통합 후보로, Mo는 일부 신뢰성·EM 측면에서 강점이 있어 차세대 후보다.

Low-k와 ELK

Low-k와 ELK(Extreme Low-k)는 절연막 측면의 진화다.

라인 사이 커패시턴스를 줄여 RC 지연을 작게 만들기 위해, 유전율이 낮은 다공성 SiOC(carbon-doped oxide), porous low-k 같은 절연막이 사용된다.

다만 다공성 박막은 기계적 강도가 약해 CMP·패키징 응력에 약하다.

그래서 Low-k 도입은 항상 ‘유전율 낮추기 vs 기계적 강도 유지’의 트레이드오프 게임이다.

BEOL 신뢰성 이슈

신뢰성 이슈는 다층 메탈의 가장 큰 적이다.

EM(Electromigration)은 전류가 흐르면서 금속 원자가 이동해 배선이 끊기는 현상이고, 좁은 라인일수록 더 심각하다.

TDDB는 절연막의 시간 의존 절연 파괴고, Stress Migration은 응력으로 메탈이 마이그레이션 되는 현상이다.

이런 이슈를 잡기 위해 캡 메탈(Co, CoWP)·캡 절연막(SiCN)·우수한 베리어 균일도가 활용된다.

백사이드 파워 딜리버리

백사이드 파워 딜리버리(BSPDN)는 첨단 BEOL의 큰 변화다.

기존에는 신호 라인과 전력 라인을 모두 칩의 ‘앞면’에 두었지만, 회로 밀도가 올라갈수록 전력 라인이 신호 라인 면적을 잠식하는 문제가 생겼다.

BSPDN은 전력 라인을 칩의 ‘뒷면’으로 옮겨 앞면을 신호 라인 전용으로 사용하게 한다.

인텔의 PowerVia가 대표적이며, 2nm 이하 노드에서 본격적으로 도입된다.

금속 배선은 ‘조용히 칩의 성능과 수명을 결정하는’ 부분이다.

좋은 트랜지스터를 만들어도 배선이 잘못되면 신호가 늦거나 라인이 끊긴다.

그래서 BEOL은 첨단 노드 R&D의 큰 비중을 차지하고, 신소재·신구조 도입의 주된 무대다.

백사이드 파워 딜리버리 개념 단면도 · 이미지 출처: imec