배리어 메탈

구리는 실리콘 산화막과 실리콘 속으로 쉽게 확산하는 금속이다. 구리 원자가 트랜지스터까지 닿으면 실리콘 안에 깊은 준위를 만들어 접합 누설을 키우고 소자 특성을 바꾼다. 절연막으로 번지면 절연 성능이 떨어져 배선 사이 누설과 단락 불량이 생긴다. 그래서 구리 배선과 절연막 사이에는 확산을 막는 얇은 금속막이 필요하고, 이것이 배리어 메탈이다.

배리어 메탈은 배선 금속이 주변 절연막이나 실리콘으로 확산하는 것을 막고, 배선이 절연막에서 들뜨지 않게 붙들어 주는 얇은 막이다. 갖춰야 할 조건은 다음과 같다.

• 구리가 확산하기 어려운 치밀한 막이어야 한다.
• 절연막과 구리 양쪽에 접착력이 좋아야 한다.
• 저항이 낮고 매우 얇게 만들 수 있어야 한다.
• 깊고 좁은 홈에서도 고르게 덮여야 한다.

물이 스미지 않도록 벽 안쪽에 깔아 두는 방수막과 같다. 구리를 홈에 채우기 전에 홈 안쪽 벽과 바닥에 방수막을 먼저 입혀서 구리가 벽 속으로 스며들지 못하게 한다. 방수막이 얇거나 끊어진 곳으로는 물이 새듯이, 배리어가 끊어진 곳으로 구리가 새어 나간다.

텅스텐은 접점과 비아를 채우는 금속(플러그)이고 배리어 자리에는 Ti/TiN이 들어간다. 구리 배선에서는 Ta/TaN이 가장 널리 쓰였다.

확산 방지 성능은 가열이나 전압 스트레스를 가한 뒤 SIMS로 구리가 번진 깊이를 보거나, 절연막의 누설과 파괴를 BTS 시험으로 확인한다. 막의 두께와 연속성은 단면 TEM으로 본다. 저항은 4점 탐침으로 면저항을 재서 구하고, 접착력은 박리 시험이나 4점 굽힘 시험으로 확인한다.

배리어를 얇게 하려는 이유는 구리의 단면을 지키기 위해서이다. 그런데 얇아질수록 연속성을 지키기 어렵고, 끊어진 곳은 곧바로 확산 통로가 된다. 홈이 깊고 좁으면 PVD로는 입구에 막이 먼저 쌓여 바닥과 벽이 얇아진다. 막 사이 계면의 접착력이 약하면 구리가 들뜨고 전자 이동 수명도 짧아진다.

• ALD로 TaN을 증착해 깊은 홈의 벽면까지 고른 두께로 덮는다.
• 구리와 접착이 좋은 Co나 Ru 라이너를 써서 배리어를 얇게 해도 구리가 잘 채워지게 한다.
• 구리 합금 시드나 스스로 배리어를 만드는 방식 등 새로운 구조를 연구한다.
• 증착 전 표면 세정으로 계면의 산화물과 오염을 제거한다.

• 구리는 SiO₂와 Si 속으로 확산하므로 배리어가 반드시 필요하다.
• 구리 배선의 배리어는 Ta/TaN이 대표적이고, 텅스텐 플러그에는 Ti/TiN을 쓴다.
• 배리어는 얇을수록 확산 방지가 약해지고 두꺼울수록 배선 저항이 커진다.
• ALD는 깊은 홈의 단차 피복성이 좋아 얇은 배리어에 유리하다.
• 성능은 SIMS, 단면 TEM, 면저항, 접착력 시험으로 확인한다.