[논문 Review] 물질 및 공정 변화에 따른 Electromigration(EM) 특성

신뢰성 관련 항목 중 TDDB에 관련된 포스팅에 이어 Electromigration(EM)에 대해 정리해보았습니다. Electromigration은 BEOL 선폭이 작아지면서 점점 중요하지고 있는 신뢰성 항목 입니다. 이번 포스팅을 위해 다양한 자료들을 참고하였지만, 대표적인 논문 및 Article에 대해 소개하겠습니다.

Understanding the Cu Void Formation by TEM Failure Analysis
1.4.5 Impact of Microstructure and Material Interfaces

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1. Electromigration(EM) 이란?

Electromigration(EM)은 전자가 anode 방향으로 이동하면서 결정 격자 내 금속 원자에 운동량을 전달하고, 그 결과 원자들도 anode 방향으로 이동하는 현상입니다. 이동한 원자들 때문에 void가 발생하고, anode 쪽에는 원자가 모이면서 hillock이 형성됩니다. 좀 더 미시적으로 설명하면, 결정 격자 내 금속 원자가 움직이기 위해서는 Energy barrier를 넘어야 합니다. 전류 밀도나 온도가 낮으면 Cu 원자는 에너지 우물에 갇혀 이동하지 않습니다. 그러나 전류 밀도나 온도가 높아지면 Energy barrier를 넘어 원자가 이동하게 되고, 그 과정에서 hillock과 void가 만들어집니다.

그림 1. Electromigration 매커니즘

 

신뢰성을 판단하기 위해서는 Failure 기준이 필요합니다. Electromigration의 경우에는 Void가 형성되면서 금속 라인의 저항이 증가하게 되며, 이로 인해 초기 저항 대비 일정 수준 이상 열화되었을 때 Fail로 판단합니다. 일반적으로는 초기 저항 대비 10% 이상의 증가를 Failure 기준으로 삼습니다.

Electromigration 신뢰성 예측에는 Black’s Equation이라는 가속 모델이 주로 사용됩니다. 이 모델에는 Activation Energy(Ea)라는 인자가 포함되어 있으며, 이는 앞서 언급한 Energy Barrier에 대응되는 물리적 의미를 가집니다. 즉, Activation Energy가 높다는 것은 금속 원자가 이동하기 위해 넘어야 하는 장벽이 크다는 것을 의미하며, 이는 곧 확산(Diffusion)이 어렵고, 따라서 Electromigration에 대한 내성이 높다는 뜻입니다.

이를 통해 Activation Energy(Ea)를 통해 Electromigration이 주로 발생하는 경로를 파악할 수 있습니다. Electromigration은 Bulk, Grain Boundary, Surface, Interface 등 다양한 경로를 따라 발생할 수 있으며, 각 경로마다 원자 확산에 필요한 에너지가 다릅니다. 따라서 Ea 값을 비교함으로써 어떤 경로에서 Electromigration이 지배적으로 발생하는지를 유추할 수 있습니다. 이 내용은 뒤에서 심도있게 다루도록 하겠습니다.

그림 2. Diffusion Path 경로 및 Black's Equation

2. Al과 Cu Metal의 Electromigration 매커니즘 비교

Electromigration의 매커니즘을 비교하기 위해, Al에서 Cu로 물질이 변화된 이유와 공정적 차이에 대해 말씀드리겠습니다. 소자가 미세화됨에 따라 Gate 트랜지스터의 동작 속도는 빨라지고 있지만, 반면 배선에 의한 RC Delay는 점점 더 크게 작용하고 있습니다. 이러한 지연을 줄이기 위해 저항이 더 낮은 금속이 필요하게 되었고, 그 결과 Al 대신 Cu가 BEOL 공정에서 주된 배선 물질로 채택되었습니다.

하지만 Cu는 Al과 달리 Etch 공정으로는 정밀하게 패터닝하기 어렵기 때문에, 기존의 방식과는 다른 접근이 필요했습니다. 이에 따라 Damascene이라는 공정이 도입되었으며, 이 공정을 통해 트렌치를 먼저 형성한 후 Cu를 채워넣고 CMP 공정으로 평탄화하여 원하는 배선 구조를 구현하고 있습니다.

그림 3. 물질에 따른 RC Delay 및 Cu Dual Damascene Flow

 

이러한 공정상의 차이로 인해 Electromigration이 주요하게 발생하는 경로도 달라집니다. 예를 들어, Al은 Grain Boundary를 따라 확산이 우세한 반면, Cu는 표면(Surface) 확산이 가장 활발한 경향을 보입니다. 그 원인을 공정 관점에서 분석해보면 다음과 같습니다.

Cu는 Damascene 공정을 통해 패터닝되며, 이 과정에서 ⑤ Cu CMP(Polishing) 공정이 포함됩니다. 이 CMP 과정에서는 미세한 scratch, dislocation 등의 CMP Damage가 발생할 수 있고, 또한 oxide layer 형성이나 slurry 잔류물이 Cu 표면에 남게 됩니다. 이러한 표면 결함들은 상부의 Passivation Layer와 Cu 간의 계면 결합력을 약화시키며, 그 결과 Electromigration이 Surface 또는 Interface 경로를 따라 쉽게 발생할 수 있는 환경을 만듭니다.

그림 4. Al, Cu Activation Energy 비교

 

실제 CMP 공정 중 발생할 수 있는 대표적인 불량 사례를 살펴보겠습니다. Cu CMP 이후 일부 영역에서 Void가 관찰되었고, 성분 분석 결과 해당 Void 아래에 CuO₂, CuO₃ 등의 산화물이 존재하는 것이 확인되었습니다. 논문에서는 이러한 산화가 결함 밀도가 높고 표면 에너지가 큰 Grain Boundary 영역에서 우선적으로 일어나며, CMP 과정 중 Cu가 산화된 Grain Boundry을 따라 뜯겨나가면서 결국 Grain 형태의 Void가 발생한 것으로 해석하고 있습니다. 이러한 Void는 Passivation과 계면 결합력을 약화시키면서 Electromigration을 쉽게 유발할 수 있습니다.

그림 5. Cu CMP에 의한 Void

3. Electromigration 개선 방안

(1) Al-Cu Alloy

Al의 주요 Diffusion Path는 Grain Boundary입니다. 따라서 Al의 Electromigration을 개선하기 위해서는 Grain Boundary를 통한 확산을 제어하는 것이 중요합니다. AlCu 합금은 Grain Boundary에 CuAl₂ 석출물을 형성하여, 그 경로를 따라 이동하는 원자들을 물리적으로 차단함으로써 확산을 억제합니다. 다만, 순수 Al에 비해 저항이 다소 증가한다는 단점이 있습니다.

그림 6. AlCu Alloy EM 개선

 

(2) Co Capping

Cu의 주요 Diffusion Path는 표면(Surface)입니다. 앞서 언급했듯이, 표면과 Capping Layer 간의 접착력(Adhesion)이 우수할수록 Electromigration 특성이 개선됩니다. 일반적으로 절연체인 SiN 대비 금속 Capping, 특히 Co Capping은 Cu와의 접착력이 뛰어나 Electromigration 특성을 10배 이상 향상시킬 수 있습니다. 이러한 이유로 많은 Foundry에서는 Co Liner 및 Capping Layer를 실제 공정에 적용하고 있습니다. 다만 Co Capping 공정은 Metal 위에서 선택적으로 증착되는 공정으로, 만약 IMD 위에서 성장하게 된다면 회로 간 short가 발생할 수 있습니다.

그림 7. Co Capping Layer

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결론 및 의견

Cu CMP에 의한 Void 외에도, Metal 간 CD나 Pitch가 감소함에 따라 Cu ECP 공정 중 충분히 채워지지 않으면서 Void가 발생할 수 있습니다. 이러한 Void는 Passivation Layer와의 접착력(Adhesion)을 저하시킬 뿐만 아니라, Void 주변에서 전류 밀도가 국소적으로 증가하여 EM 신뢰성을 악화시키는 원인이 됩니다.

그림 8. Cu ECP 공정 중 Void