반도체 8대 공정 (4) - 금속 배선 공정 - Cu 전해 도금

지난 시간까지 다마신 공정에 대하여 알아보았습니다.

다마신 공정은 증착 후 식각하는 방법이 아닌, 절연막에 먼저 Trench를 만든 후 이곳에 구리를 채우고 CMP 연마를 진행하는 방법이었습니다.

 

Electro-plating

구리의 전해 도금(electro-plating) 공정은 전기 화학반응을 기반으로 이루어집니다.

보통의 화학 도금 공정은 화학적인 포텐셜 차이에 의해 화학반응이 되면서 도금이 진행되지만, 전해 도금은 전기적인 포텐셜 차이로 전하의 이동에 의해 물질이 이온이 되거나 이온이 원자로 석출되는 과정이 일어납니다.

그렇기 때문에 step coverage 특정이 우수하며 공간을 채우는 능력이 좋습니다.

설비적으로는 구리가 석출될 수 있도록 황산구리(CuSO4)와 황산(H2SO4)이 설비 내에 공급되고 전하의 이동을 위한 양극과 음극이 사용됩니다.

양극(anode)에는 구리를 금속 상태로 사용하여 구리 이온이 공급되는 소스원으로 음극(cathode)에는 웨이퍼를 연결한 상태로 구리가 석출 될 수 있도록 합니다.

양극과 음극을 기준으로 전압을 걸어주면 황산구리에서 이온화된 Cu2+가 음극의 웨이퍼 쪽에서 공급되는 전자를 받게 되어 환원의 과정을 거치며 구리로 석출 되게 됩니다.

이러한 반응은 전해 도금 공정 이전에 증착시켜놓은 구리의 seed layer 위에서 일어나게 되는데, 전자의 이동(electron transfer)에 의해 석출 된 구리는 seed layer 구리의 결정성과 grain의 크기 등의 특성을 바탕으로 성장하게 됩니다.

그렇기 때문에 구리의 seed layer 증착 조건 및 두께에 따라 grain size나 방향에 영향을 받게 되며 석출되는 구리의 특성이 결정됩니다.

 

구리의 전해 도금 공정의 특이점은 PVD 증착 방법에서 문제가 되는 over-hang 문제나, 그로 인한 void가 발생하지 않는다는 것입니다.

이는 구리가 석출될 때 botton-up의 형태로 화학반응이 일어나기 때문입니다.

반응이 일어나는 동안 황산구리와 황산 이외에도 여러 첨가물이 들어가게 되는데, accelerator(촉진제)와 inhibitor(leveler)가 via 안쪽과 웨이퍼 표면의 구조적 차이에 의해 분포하는 농도가 다릅니다.

accelerator는 전해 도금 공정 중에 Cu 이온에 전하의 이동이 잘 일어날 수 있도록 촉매 역할을 하는 첨가제인데, 의도적으로 물질을 작게 만들어서 트렌치의 바닥까지 잘 이동할 수 있기 때문에 Via의 바닥면 쪽에서 농도가 높고 빠른 반응이 일어날 수 있도록 하는 역할을 합니다.

 

다음 게시물에서는 inhibitor(leveler)에 대하여 이어서 살펴보겠습니다.