금속 배선 — 소자를 잇는 다층 고속도로

트랜지스터를 아무리 잘 만들어도 서로 이어 주지 않으면 회로가 되지 않습니다. 수십억 개의 소자를 잇는 배선은 한 층으로는 어림도 없어서, 10층이 넘는 금속 배선을 겹겹이 쌓아 올립니다. 아래층은 가늘고 촘촘하게 국소 연결을, 위층은 굵고 길게 전원과 클럭을 나릅니다.

구리는 깎을 수 없다

알루미늄 시절에는 금속을 전면에 깔고 필요 없는 부분을 식각해 배선을 만들었습니다. 그런데 구리는 플라즈마 식각으로 날려 보낼 휘발성 화합물이 마땅치 않습니다. 그래서 순서를 뒤집습니다. 절연막에 먼저 홈을 파고, 구리로 채우고, 넘치는 부분을 갈아 냅니다. 이것이 다마신입니다.

배선이 들어갈 트렌치와 아래층으로 내려갈 비아를 한 번에 파서 함께 채우면 듀얼 다마신입니다. 시뮬레이션에서 홈이 파이고, 배리어가 깔리고, 구리가 차오르고, CMP로 평탄해지는 순서를 재생해 보세요.

좁아지면 저항률 자체가 올라간다

단면이 줄면 저항이 커지는 것은 당연합니다. 문제는 그것만이 아니라는 점입니다. 전자가 원자와 충돌하기 전까지 평균적으로 날아가는 거리(평균자유행로)가 구리에서 약 39 nm인데, 배선 폭이 그보다 좁아지면 전자가 표면과 결정립 경계에 먼저 부딪히기 시작합니다. 그만큼 저항률 자체가 올라갑니다.

그래서 아주 좁은 선에서는 벌크 저항이 구리의 네 배나 되는 코발트나 루테늄이 오히려 유리해집니다. 평균자유행로가 짧아 크기 효과를 덜 받기 때문입니다. 선폭을 100 nm에서 10 nm까지 내리며 세 곡선의 순위가 뒤집히는 지점을 찾아보세요.

RC 지연 — 소자보다 배선이 느리다

신호가 배선을 건너가는 시간은 배선 저항과 용량의 곱으로 정해집니다.

소자는 작아질수록 빨라지는데 배선은 작아질수록 느려집니다. 어느 세대부터는 칩 성능을 배선이 결정하게 되었고, 그래서 저항을 낮추려 알루미늄을 구리로 바꾸고, 용량을 낮추려 절연막을 저유전막으로 바꿨습니다. 절연막의 k를 3.9에서 2.2로 내려 보면 지연이 얼마나 줄어드는지 볼 수 있습니다.

전류가 금속을 밀어낸다

배선 단면이 좁은데 전류는 그대로면 전류밀도가 올라갑니다. 전자가 금속 원자와 충돌하며 운동량을 전달해 원자를 조금씩 밀어내는데, 이것이 일렉트로마이그레이션입니다. 원자가 빠져나간 자리에는 보이드가, 쌓인 자리에는 힐록이 생겨 결국 단선이나 단락이 됩니다.

전류밀도의 제곱에 반비례하므로 전류가 두 배면 수명은 4분의 1이 됩니다. 구리가 알루미늄을 밀어낸 이유 중 하나도 활성화 에너지가 높아 EM에 훨씬 강하다는 점이었습니다.