반도체 8대 공정 (4) - 금속 배선 공정 - Cu 전해 도금 - 다마신(1)

이번 시간에는 금속 배선 공정의 Cu 전해 도금 (Electroplating) 공정에 대하여 알아보겠습니다.

 

구리는 전기전도도가 매우 높은 물질로, 전기적인 특성이 우수합니다.

반도체에서도 소자와 소자 간 연결을 위해 도선이 필요한데, 과거에는 알루미늄(비저항 2.66)을 사용하였으나 소자가 미세화되고 scale down이 진행되면서, 배선의 저항이 증가됨에 따라 신호의 지연 현상이 나타나게 되어 구리(비저항 1.67) 공정으로의 전환이 필요하게 되었습니다.

하지만 구리 배선공정에서 기존의 방법으로 증착 후 패턴을 에치하는 경우 물질이 잘 제거되지 않는 특성을 보입니다.

식각은 챔버 내에서 반응에 의해 반응물과 부산물이 형성되고 이것들이 휘발되어 제거되는 것을 이용하는 것인데, 식각 공정 시 반응을 위해 사용되는 Cl 또는 F의 할로겐 원소와의 결합을 통해 생성된 CuCl2(염화구리) 또는 CuF2(불화구리)는 잘 휘발되지 못합니다.

그렇기 때문에 구리의 배선 공정은 증착 후 식각하는 방법이 아닌 절연막에 먼저 Trench를 만든 후 여기에 구리를 채우고 나서 CMP 공정으로 상부의 구리를 연마합니다.

이를 다마신(Damascene) 공정이라 하는데, 최종적으로 절연체에 구리가 채워진 구조로 만들게 됩니다.

 

* Trench : 바닥을 파서 제작된 도랑 모양의 구조

 

1. 다마신 공정

 

다마신 공정은 고려청자를 만들던 방법과 유사하여 상감기법이라고도 불립니다.

고려청자는 다음과 같은 방법으로 제작됩니다.

도자기의 표면에 구현하고자 하는 형태의 모양을 파서 공간을 먼저 만든 후 거기에 다른 물질을 채우고 구우면 다른 색의 원하는 모양의 형태가 만들어집니다.

반도체 공정에서도 금속 배선이 되는 라인(lead)과 하부 배선과 상부 배선을 이어주는 컨택(via)이 필요한데, 이 두 가지 모두 다마신 공정을 이용하고 있습니다.

방법에 따라 라인과 비아를 차례로 진행하는 것을 Single damascene, 동시에 진행하는 것을 dual damascene이라고 합니다.

공정상 dual damascene이 더 복잡하긴 하지만 공정수를 줄일 수 있는 장점이 있기 때문에 더 선호됩니다.

 

 

다음 시간에는 dual damascene의 공정 순서에 대하여 자세하게 알아보겠습니다.