레이아웃 설계에서 배선을 구성하는 메탈(Material)은 단순한 연결 도체가 아닌, 회로의 전기적 특성과 기생 요소를 결정짓는 핵심 변수입니다. 금속 재질의 종류와 메탈 레이어의 적층 구조(Stack Structure)는 기생 저항, 기생 정전용량, 열전도 특성 등 다양한 특성에 영향을 미치며, 특히 아날로그 회로나 고속 회로에서 그 차이가 크게 나타납니다.
이번 글에서는 금속 재질과 적층 구조가 기생 요소에 어떤 영향을 주는지, 설계 시 고려해야 할 실질적인 선택 기준과 전략을 정리합니다.
1. 금속 재질이 기생 특성에 미치는 영향
배선 재료는 주로 알루미늄(Al)과 구리(Cu)가 사용됩니다. 최근에는 저유전율 유전체와 함께 구리를 사용하는 Cu/Low-k 공정이 보편화되고 있으며, 이는 다음과 같은 전기적 특성 차이를 유발합니다.
| 재질 | 저항 특성 | 기생 용량 영향 | 열전도도 | 주 용도 |
|---|---|---|---|---|
| 알루미늄 (Al) | 낮음 (상대적) | 유전율이 높아 기생 커패시턴스 증가 | 보통 | 중간층 배선 (Metal2~3) |
| 구리 (Cu) | 매우 낮음 | Low-k와 결합 시 기생 용량 감소 | 높음 | Top Layer, Power/Ground 배선 |
구리는 저항이 낮아 전류 손실이 적고, 고속 신호나 전력 공급망에 적합합니다. 하지만 공정 복잡성 및 제조 비용 증가가 단점입니다.
2. 적층 구조와 기생 요소의 관계
IC 레이아웃에서는 다층 금속 배선이 필수적이며, 각 층의 배치와 유전체 두께는 기생 특성에 직접 영향을 줍니다.
● 저층(Metal1~2)
- 트랜지스터와 가장 가까우며 기생 용량이 큼
- 배선 폭이 좁고 간격도 작아 기생 저항 증가 위험
- 주로 로직 내부 연결, 셀 간 배선에 사용
● 중층(Metal3~5)
- Signal Routing용 중간 경로로 사용
- 적절한 두께와 간격으로 기생 특성 균형 확보
● 상층(Metal6 이상)
- 두껍고 간격이 넓어 기생 저항/용량 최소화
- Power/Ground Stripe, Clock Net 등에 사용
3. 설계자가 고려해야 할 선택 전략
● 고전류 라인 → 두꺼운 구리 배선
- Electromigration(EM) 방지와 IR Drop 최소화
● 민감한 신호 → 상층 배선 우선 사용
- Substrate와의 기생 커플링 최소화
● High-Speed 신호 → 메탈 길이 최소화 + Low-k 유전체 사용
- Slew Rate 유지 및 노이즈 억제
● 공정 제한 사항 확인 필수
- 일부 PDK에서는 특정 레이어에만 구리 사용 허용
- 유전체 층 두께가 고정되어 있는 경우도 많아 설계자가 조정 불가
4. 기생 분석 도구 활용
레이아웃 설계 후 다음과 같은 분석을 통해 금속 선택과 기생 영향의 적절성을 검증할 수 있습니다:
- RC Extraction (PEX): 레이아웃 기반 기생 저항/용량 정량 추출
- IR Drop Simulation: Power Delivery Network 품질 확인
- EM Analysis: 구리 배선의 전자 마이그레이션 내성 검증
한 줄 요약
"금속은 단순한 도체가 아니라, 회로의 신뢰성과 성능을 좌우하는 결정적 자원이다."
다음 글 예고
👉 [Chapter4] IR Drop 계산 및 저항 최소화 설계법