구리 다마신(Damascene) 공정의 모든 것

칩을 만들어내는 전공정과 중간공정을 지나고, 반도체 칩을 보호할 후공정을 진행하게 됩니다. 후공정은 IC Chip을 외부 충격으로부터 보호하고 금속회로를 깔아서 소자가 외부와 소통할 수 있도록 하는 배선과 via 그리고 hole 등을 만들어내야 하는데요. 이렇게 소자와 외부를 잇는 공정을 바로 "금속 배선 공정"이러고 합니다.

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구리 다마신공정은 어떻게 등장했나요?

경박단소라는 말 들어보셨을 것입니다. 가벼워지고, 작아지며, 짧아진다는 얘기인데요. 전자 부품의 경우 경박단소가 모든 분야에서 이루어지고 있습니다. 금속 배선 공정에서도 이와 마찬가지로 경박단소화가 이루어지고 있습니다. 패턴의 크기와 폭은 점점 작아지고 있습니다. 기존에 금속 베선 공정에서 사용하는 Al(알루미늄)은 이러한 경박단소화의 추세에 따라오지 못했습니다. 알루미늄은 식각을 통해 패턴을 만들어내기 쉽지만, 작은 선폭을 형성하는데는 굉장히 큰 단점을 가지고 있습니다.

 

 

또한, 전자들의 이동에 따라 기존에 형성된 회로에서 벗어난 electromigration이 발생하게 되었는데요. 이렇게 EM이 발생하게 되면, 특정 부분에 Void가 생기거나, 아니면 Al이 모여 hillock을 형성하는 등 회로의 신뢰성에 굉장히 큰 문제점을 만들어냈습니다. 또한, 알루미늄은 녹는점이 낮은 물질이기에 고온의 환경에서 무척이나 취약해서 소자를 파괴하는 현상 등을 야기했습니다.

 

이러한 문제점을 벗어나고자 등장한 것이 바로 구리입니다. 구리는 알루미늄보다 비저항 성분이 적기에, 전기전도도도 높고 낮은 선폭을 구현하는데 굉장히 큰 이점을 가지고 있습니다. 또한, EM현상이 알루미늄보다 적어 회로의 신뢰성을 크게 올릴 수 있었습니다. 하지만, 기존에 이러한 장점을 두고, 알루미늄을 사용했던 이유가 있겠죠. 바로 구리는 패턴을 형성하는 것이 굉장히 어렵다는 것입니다.

 

 

패턴을 형성하기 위해서는 구리를 이온 식각을 이용해서 깎아야 하는데, 구리라는 원소는 챔버 안에서 굉장히 다른 물질과 반응을 잘하기에 오염도를 조절하는 것이 쉬운 것이 아닙니다. 또한, 이렇게 형성된 구리 화합물은 가스형태로 배출되지도 않기 때문에 또다른 클리닝 공정을 거쳐야합니다.

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구리 다마신 공정을 해결하기 위한 방법은 무엇인가요?

배리어를 이용해서 구리의 높은 확산성을 방지할 수 있습니다. 배리어를 만들고 전기 도금을 통해 배선을 형성하는 것이죠. 전기 도금은 Wet 방식이기에 대량으로 회로를 만들어내기에도 유리합니다. 물론, 회로를 PVD나 CVD, ALD와 같은 방법으로도 형성할 수 있겠지만, 양산에 적합하지 않습니다.(가격이 비싸고, 대량 생산이 힘듬). CVD의 경우, 어떠한 경우에서도 중간에 SEAM(틈)이 발생해서 회로의 신뢰성을 떨어뜨립니다.

 

오늘은 반도체 칩의 다마신 공정에 대해서 알아보았습니다. 새로운 공정이 나올 때마다, 이것을 계발해낸 엔지니어 분들이 대단하다고 느껴지네요. 감사합니다.