반도체 BEOL 구리(Cu)와 알루미늄(Al) 배선 방식 비교

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반도체 소자의 미세화가 가속화됨에 따라 전단 공정(FEOL)의 트랜지스터 스케일링 못지않게 후단 공정(BEOL, Back-End Of Line)인 금속 배선 기술의 중요성이 대두되고 있다. 과거 업계 표준이었던 알루미늄(Al)이 한계에 봉착하면서 구리(Cu)가 주류로 자리 잡았으나, 공정의 복잡성과 비용 문제로 인해 여전히 두 소재는 각기 다른 영역에서 활용되고 있다. 본고에서는 공학적 관점에서 두 금속 배선 재료의 물리적 특성, 공정 난이도, 신뢰성 및 경제성을 정량적, 정성적으로 비교 분석한다.

RC 지연 극복과 전기적 특성의 차이

반도체 칩의 동작 속도를 제한하는 주된 요인은 트랜지스터 자체의 스위칭 속도가 아닌, 신호가 배선을 통과할 때 발생하는 RC 지연(Resistance-Capacitance Time Delay)이다. 공정 미세화로 배선의 선폭이 좁아지면 저항(R)이 급격히 증가하고, 배선 간 간격이 좁아지면 기생 정전용량(C)이 증가하여 신호 전달 속도가 저하된다.

구리는 비저항(Resistivity)이 약 1.7 µΩ·cm로, 알루미늄(약 2.7 µΩ·cm) 대비 약 40% 낮은 값을 가진다. 이는 동일한 단면적에서 구리가 알루미늄보다 훨씬 낮은 전압 강하와 신호 지연을 보임을 의미한다. 따라서 고성능 로직(Logic) 반도체에서는 구리 배선 도입이 필수불가결한 선택이 되었다.

공정 통합 방식의 차이: Subtractive vs Damascene

두 금속의 가장 결정적인 차이는 가공 방식, 즉 패터닝(Patterning) 기술에서 비롯된다. 이는 각 금속의 화학적 성질에 기인한다.

알루미늄: 식각(Etching) 중심의 Subtractive 공정

알루미늄은 염소(Cl) 기반의 플라즈마를 이용한 건식 식각(Dry Etch)이 용이하다. 반응 부산물인 알루미늄 염화물(AlCl3)이 휘발성을 가지기 때문이다. 따라서 '증착(Deposition) → 포토(Photo) → 식각(Etch)'의 전통적인 방식을 따른다. 공정 프로세스가 직관적이고 성숙도가 높다는 장점이 있으나, 미세 패턴에서 금속 배선 사이를 절연막으로 채우는 갭필(Gap-fill) 공정의 난이도가 기하급수적으로 증가하는 단점이 있다.

구리: 상감 기법을 응용한 Damascene 공정

구리는 알루미늄과 달리 저온에서 휘발성 화합물을 형성하지 않아 기존의 건식 식각 적용이 거의 불가능하다. 이를 해결하기 위해 도입된 기술이 다마신(Damascene) 공정이다. 절연막을 먼저 식각하여 트렌치(Trench)를 형성한 후, 전해 도금(Electroplating) 방식으로 구리를 채워 넣고 CMP(화학적 기계적 연마)로 평탄화하는 방식이다.

Dual Damascene 기술의 경제성 구리 공정은 층간 연결을 위한 비아(Via)와 배선(Line)을 각각 형성해야 하는 알루미늄과 달리, 두 가지를 동시에 형성하는 '듀얼 다마신(Dual Damascene)' 기술을 적용할 수 있다. 이는 노광 및 식각 횟수를 획기적으로 줄여, 전체 공정 스텝(Step) 수를 약 30% 절감하는 생산성 향상 효과를 가져온다.

신뢰성 분석: Electromigration(EM) 내성

소자의 신뢰성 측면에서 가장 중요한 지표 중 하나는 일렉트로마이그레이션(Electromigration, EM) 내성이다. 이는 고밀도의 전류가 흐를 때 금속 원자가 전자의 운동량에 의해 밀려 이동하면서 배선에 보이드(Void, 빈 공간)가 생기거나 단락(Short)되는 현상을 말한다.

구리는 알루미늄보다 원자량이 크고 융점(Melting Point)이 높다(Cu: 1085°C vs Al: 660°C). 이는 구리 원자의 활성화 에너지(Activation Energy)가 더 높음을 의미하며, 결과적으로 구리 배선은 알루미늄 대비 약 100배 우수한 EM 수명을 제공한다. 이는 고전류밀도가 요구되는 고성능 AP나 CPU에서 구리가 선택되는 핵심적인 이유 중 하나이다.

공정 난이도 및 수율 이슈

구리의 우수한 물성에도 불구하고 공정 난이도는 알루미늄 대비 현격히 높다.

• 확산 방지막(Diffusion Barrier) 필수: 구리 원자는 실리콘이나 절연막으로 빠르게 확산(Diffusion)되어 소자의 문턱 전압을 변화시키는 등 치명적인 오염을 유발한다. 이를 막기 위해 탄탈륨(Ta)이나 질화탄탈륨(TaN)과 같은 확산 방지막 증착이 필수적이며, 이는 배선의 유효 단면적을 감소시켜 저항을 높이는 원인이 되기도 한다.
• CMP 결함 제어: 구리는 연성(Ductility)이 높아 CMP 공정 중 디싱(Dishing)이나 이로전(Erosion) 같은 평탄도 불량이 발생하기 쉽다. 이는 후속 공정의 마진을 떨어뜨리는 주된 요인이다.

종합 비교 분석

구분	알루미늄 (Aluminum)	구리 (Copper)
비저항 (Resistivity)	~2.7 µΩ·cm	~1.7 µΩ·cm (전도성 우수)
패터닝 방식	RIE 건식 식각 (Subtractive)	Dual Damascene (CMP 필수)
신뢰성 (EM 내성)	낮음 (전류밀도 한계 존재)	매우 높음 (Al 대비 10~100배)
확산 계수	낮음 (실리콘 내 확산 느림)	높음 (확산 방지막 필수)
제조 비용 (Cost)	단층 공정 시 저렴	다층 배선 시 공정 수 감소로 유리
주요 응용처	Memory(DRAM/NAND), Power IC, Pad	Logic(CPU/AP), Fine Pitch Layer