미세한 구리 배선의 전기 저항을 대폭 낮추어 가열 처리하는 기술이 VLSI 토론회에서 발표됐다. 펄스폭이 나노초로 짧은 레이저와 구리 배선을 급속히 가열하여 급속히 냉각함으로써 동작의 결정 입자를 크게 성장시키는 기술이다. 14nm세대의 FinFET을 사용하여 CMOS 로직의 다층 배선으로 1층 구리 배선(M1)에 적용했는데 선 저항률이 35% 줄었다.

그 뿐만 아니라 배선 저항(R)과 배선 용량(C)의 곱이 15% 가량 떨어졌다. 다시 말하면 신호 전송의 시작 시간이 15% 정도로 짧아졌다. 그리고 일렉트로 마이그레이션 수명(EM)이 증가했다. 비아(V0)와 1층 배선(M1) 접속부의 EM 수명은 27% 증가했으며 1층 비아(V1)와 1층 배선(M1)의 접속부 EM 수명은 36% 늘었다. 또한 인접한 1층 배선(M1) 간의 절연 내압이 10% 가량 향상됐다.

이 획기적인 레이저 어닐 기술을 개발한 것은 대형 파운드리 기업 GLOBALFOUNDRIES.(강연 번호 T6-2) 적용된 1층 구리 배선은 64nm, 14nm FinFET과 11층 구리 배선으로 구성되는 CMOS 플랫폼에 도입했다.

나노초 레이저 가열 처리에서 결정 입자 크기가 2.7배 성장

이들의 성능 향상은 짧은 펄스 레이저에 의한 급속 가열과 급속 냉각에 의해 가능했다. 비교용 구리 배선은 100℃의 온도와 60분의 가열 시간에서 진행 된 것이며 어닐 기술 차이가 구리 배선의 성능을 크게 변화시키고 있다.

비교용 구리 배선과 나노초 레이저로 어닐한 구리 배선에서 결정 입자 크기가 현저히 다르다. 비교용 구리 배선의 결정 입자 치수는 20nm~30nm에 집중됐다. 이에 비해 나노초 레이저 어닐 처리 구리 배선의 결정 입자 치수는 60nm~80nm로 커졌다. 중앙값에 비교하면 약 2.7배 크기로 성장했다.

구리 배선 미세화 대응이 크게 높아질 가능성 상승

구리 배선은 종래 미세화에 의한 전기 저항 상승이 크게 우려되어 왔다. 미세화의 진행에 의해 입간(결정 입자와 결정 입자 경계)에 의한 전자 산란과 배선 표면에 의한 전자 산란이 심해진다. 전자의 이동도가 저하되고 저항률이 상승한다. 10nm세대와 7nm세대 등의 CMOS 로직에서 미세 피치의 구리 배선으로는 저항이 급격히 증가될 것으로 예측되고 있다.

이 때문에 예를 들어 결정 입자가 커서 입계의 산란이 적은 코발트로 배선 재료를 변경하는 것이 진지하게 검토되고 있다. 그런데 이번 GLOBALFOUNDRIES의 연구 개발팀은 14nm세대의 미세한 구리 배선에서 결정 입자를 3배 가까이 크게하여 저항치를 35% 절감할 수 있음을 선보였다. 현재의 발표 결과는 64nm 구리 배선이다. 48nm과 40nm 등의 더 미세한 구리 배선으로 역시 효과가 얻어지면 구리 배선의 미세화 한계는 기존의 예측보다 대폭 연기 될 가능성이 나왔다. 다시 말하면 코발트 배선의 차례가 늦춰질 가능성이 상승했다.

구리 배선에 저유전율 절연 피막을 씌우고 레이저 조사

나노초 펄스 레이저에 의한 어닐 공정은 기존 어닐 공정과는 상당히 다르다. 종래는 평탄화 앞에 어닐를 실시했다. 이번 어닐 기술은 평탄화를 마무리 하고 구리 배선 위에 저유전율 절연 막을 씌운다. 그 위에서 레이저를 조사하고 구리 배선을 가열하며 가열 온도 제어성을 높이기 위해 밀리초 펄스 레이저 빔과 나노초 펄스 레이저 빔 2종류의 레이저 빔(더블 빔)에 의해 가열과 냉각 프로파일을 세세하게 조정하고 있다.

MOS FET, 절연 피막에 대한 악영향은 거의 없다

레이저 어닐이 MOS FET, 절연 피막 등의 특성에 미치는 영향도 강연에서 밝혔다. MOS FET의 온 전류는 약간 개선되고 저유전율 절연 피막은 배선 용량을 조금 상승시키는 것으로 기판 온도(웨이퍼 온도)의 조건 변경 등으로 용량의 증가는 억제된다고 한다. 인접 배선 간의 절연 내압은 1할 가량 상승하고 오히려 특성이 좋아지고 있다.

더 미세한 구리 배선으로의 적용이 가능할지, 어닐 처리의 산출량은 어느 정도일지 등 변수는 남아 있지만 장래성은 충분히 있을 것이며 향후 발전을 크게 기대한다.