반도체 디바이스 내에서 신호를 전송하고 디바이스 간 연결을 합니다. 다양한 소자 간의 통신을 가능하게 하는 통로로 신호 전송 중에 발생하는 전력 소모와 신호 지연을 최소화하고, 신호의 안정성과 품질을 유지하는 것입니다. 금속선과 절연 막으로 구성되는데, 금속선은 전류를 전달하는 도체이고, 절연 막은 금속선들을 분리하고 전기적 간섭을 방지하는 역할을 합니다. 금속선의 재료로는 알루미늄, 구리, 텅스텐 등이 사용되고, 절연막의 재료로는 산화막, 저 유전율 절연막 (Low-k Dielectric), 공기 갭 (Air Gap) 등이 사용됩니다. 이 포스팅에서는 반도체 CMOS Interconnect 비교분석에 대해 알아보겠습니다.
알루미늄 vs 구리 비교
초기 반도체에서는 알루미늄이 주로 사용되었습니다. 그러나 근래에는 전도성이 뛰어난 구리가 더 많이 사용됩니다. 구리의 장점은 알루미늄에 비해 전기 전도율이 높아, 전력 손실을 줄일 수 있으며, 고 성능을 제공하여 신호 전달 속도를 향상시킵니다. 구리의 단점으로는 제조 과정이 어렵고, 추가적인 처리 단계가 필요할 수 있습니다.
구리 vs 텅스텐 비교
구리는 전기저항이 낮고, 가격이 저렴하며, 고온에서도 안정적인 금속입니다. 그러나 구리는 실리콘과 화학적 반응을 일으키기 때문에, 확산 방지막이 필요하고, CMP (Chemical Mechanical Polishing) 공정이 필요합니다. 또한 구리는 산화가 쉽게 일어나기 때문에, 산화방지막이 필요합니다. 텅스텐은 전기저항이 높고, 가격이 비싸며, 고온에서도 안정적인 금속입니다. 그러나 텅스텐은 구리에 비해 실리콘과 잘 결합되기 않아 CVD (Chemical Vapor Deposition) 공정으로 쉽게 증착할 수 있습니다. 또한 텅스텐은 구리에 비해 산화가 잘 되지 않아, 산화방지막이 필요하지 않습니다. 구리와 텅스텐의 선택은 Interconnect의 종류와 목적에 따라 달라질 수 있습니다. 일반적으로 구리는 길고 넓은 Layer에, 텅스텐은 짧고 좁은 Layer에 사용됩니다.
산화막 절연
이산화규소(SiO₂)로 형성됩니다. 이산화규소는 실리콘과 산소 원자로 이루어진 화합물로, 반도체에서는 일반적으로 SiO₂로 알려진 규소 산화물을 의미합니다. SiO₂는 전기 절연체로서 우수한 특성을 가지고 있어 널리 사용되고 있습니다. 산화규소는 뛰어난 전기 절연체로서 전기적으로 안정적이며, 디바이스 간의 간섭을 최소화하는 전기적 특성을 가집니다. 물리적으로 안정적이며, 다양한 환경에서 안정된 성능을 제공합니다. 고온에서도 안정성을 유지하여 반도체 디바이스의 넓은 운영 온도를 가능하게 합니다.
저 유전율 절연 막 (Low-k Dielectric)
이산화규소(SiO₂)보다 상대적으로 낮은 유전 상수를 가진 절연체 소재를 나타냅니다. 낮은 유전 상수는 전기적인 특성 중 하나로, 전류의 흐름을 제한하는 정도를 나타내며, 낮은 유전 상수를 가진 소재는 더 효과적인 전기 절연을 가능하게 합니다. Low-k Dielectric은 일반적으로 2.5 이하의 유전 상수를 가지고 있습니다. 이는 전통적인 이산화규소의 유전 상수(약 4.0)에 비해 적은 값으로, 캐패시턴스를 줄여 전력 소모를 감소시키고 신호 전송 속도를 향상시킵니다. 전기적인 손실이 감소시켜 저 전력을 실현할 수 있으며 고주파 신호의 전달 속도를 높여 빠른 데이터 전송을 가능케 하여 전체적인 성능을 향상시킵니다. 열적으로 안정한 특성을 가지고 있어, 고온에서도 안정한 성능을 유지할 수 있습니다. 기계적으로도 안정성을 유지하면서, 얇은 층을 형성할 수 있는 강도를 가지고 있습니다.
공기 캡(Air Gap)
절연 막 소재 대신 공기를 이용하여 절연 층을 형성하는 기술을 말합니다. 신호 전송 경로를 절연하면서 전력 손실을 줄이고 성능을 향상시키기 위한 기술입니다. 공기의 유전 상수는 거의 1에 가까우며, 이는 신호 전달 시 캐패시턴스를 크게 낮춰 전력 손실을 감소시키며, 따라서 전력 효율성을 향상시킵니다. 전파의 속도를 증가시켜 고주파 신호 전달 속도를 향상시킵니다. 열전도도가 낮기 때문에, 전기적으로 절연성을 유지하면서 열 전달을 감소시킵니다. 이는 반도체 디바이스의 열 안정성을 향상시킵니다.
다양한 기술적인 측면에서 이뤄지고 있으며, 이는 저 전력, 성능 향상, 집적도 증가 등 다양한 이점을 제공합니다. 그러나 새로운 기술 도입이나 재료의 선택은 항상 트레이드오프를 동반합니다. 예를 들어, 높은 성능을 얻기 위해 구리를 사용하는 것은 전기적인 특성에서는 이점이 있지만, 제조 및 가공 단계에서의 어려움이 있을 수 있습니다.