Cu 다마신과 전기 도금

Al 배선은 금속 막을 깔고 필요 없는 부분을 깎아 만들었다. Cu는 그렇게 깎을 수 없었다. 그래서 순서를 뒤집었다. 절연막에 배선 모양의 홈을 먼저 파고, 그 홈을 Cu로 넘치게 메운 다음, 넘친 부분을 갈아 낸다. 이 방식이 다마신(Damascene)이고, 홈을 메우는 수단이 전기 도금이다. 이 장에서는 다마신의 공정 흐름을 단계별로 따라가고, 전하를 세어 Cu를 쌓는 Faraday 법칙, 좁고 깊은 홈을 바닥부터 채우게 만드는 첨가제의 원리, 전류를 어떻게 줘야 Seam과 Void가 남지 않는지, 그리고 도금한 Cu가 상온에서 스스로 바뀌는 자가 어닐까지 시뮬레이터로 직접 확인한다.

Al 식각에서 Cu 다마신으로

1장에서 본 것처럼 배선은 가늘고 길수록 저항이 커지고 신호가 늦어진다. 모양이 같다면 비저항이 낮은 금속이 유리하다. Stanford 강의 자료의 표에서 벌크 비저항은 Ag 1.63, Cu 1.67, Au 2.35, Al 2.67, W 5.65 µΩ·cm다. 계산하면 Cu의 비저항은 Al의 약 63%다. IBM의 Andricacos는 Cu를 쓰면 배선 저항을 최대 45%까지 줄일 수 있다고 정리했고, 0.3 µm 선을 295 °C, 2.5 MA/cm²로 시험했을 때 절반이 끊어지는 시간(T50)이 Ti/Al(Cu)/Ti 선보다 100배 넘게 길었다. 저항도 낮고 큰 전류도 오래 견딘다는 뜻이다. 전류가 원자를 밀어내는 Electromigration은 7장에서 다룬다.

그런데도 오랫동안 배선 금속은 Al이었다. 이유는 만드는 법에 있다. Al 배선은 '깔고 깎는' 방식으로 만든다. 웨이퍼 전체에 Al 막을 스퍼터링으로 깔고, 감광막(PR)으로 선 모양을 그린 뒤, 반응성 이온 식각(RIE)으로 나머지를 깎아 낸다. 선과 선 사이는 절연막으로 메운다. 이렇게 금속을 빼서 모양을 만드는 방식을 Subtractive 공정(Subtractive etch)이라 한다. 위아래 층을 잇는 구멍은 W으로 채운 플러그를 썼다. Havemann과 Hutchby는 2001년에도 식각한 Al 합금 배선과 W 플러그가 가장 널리 쓰이는 배선 방식이라고 적었다.

Cu는 이 길을 따라갈 수 없었다. 플라즈마로 금속을 깎으려면 금속이 식각 기체와 반응해 기체로 날아가는 화합물이 되어야 한다. 그런데 Cu와 할로겐 원소의 화합물은 상온에서 휘발하지 않는다. Cu에는 휘발성 화합물이 적어서 식각으로 선을 만들기 어려웠다. Andricacos는 Al에 쓰던 '스퍼터 증착 + RIE' 같은 조합이 Cu에는 없었다는 것이 핵심 문제였다고 정리한다. Stanford 자료는 이 밖에도 Cu의 약점으로 절연막과의 약한 접착, SiO₂ 속에서 쉽게 움직여 소자를 오염시키는 성질, 산화와 부식에 약한 점을 꼽고, 해법으로 다마신 패터닝과 확산 방지막을 든다.

다마신(Damascene)은 순서를 뒤집는다. 금속 대신 절연막을 깎는다. 절연막에 배선 모양의 홈인 Trench(배선이 들어갈 긴 홈)와 아래층으로 이어지는 구멍인 Via(층 사이를 잇는 기둥 자리)를 파고, 그 안을 Cu로 넘치게 채운 뒤, CMP(Chemical Mechanical Polishing, 화학 기계 연마)로 위로 넘친 Cu를 갈아 홈 안에만 남긴다. 이름은 금속을 새겨 넣던 옛 상감 공예에서 왔다. 금속을 갈아서 상감하는 방법은 W 플러그를 만들 때 먼저 자리를 잡았고, 금속 CMP의 이 성공이 Cu 배선을 가능하게 했다.

그림 1. 깔고 깎기와 파고 메우기. 위: Al 배선은 막을 깔고(①) RIE로 선만 남기고(②) 사이를 절연막으로 메운다(③). 아래: Cu 다마신은 절연막에 홈을 파고(①) Barrier·Seed 위에 Cu를 넘치게 도금한 뒤(②) CMP로 넘친 Cu를 갈아 홈 안에만 남긴다(③). 회색은 절연막, 연회색은 Al, 금색은 Cu, 빨간 선은 Barrier·Seed, 보라색은 PR이다. 크기 비율은 실제와 다른 개념도다.

전환은 빨랐다. IBM은 1997년 9월 Cu 배선을 발표하고 1998년 6월부터 제품을 출하했다. 같은 해 IEDM에 발표된 IBM의 기술은 Cu 배선을 최대 6층까지 쌓은 0.25 µm 이하 CMOS였고, Al(Cu)/W 기준과 같거나 더 나은 결과를 보였다. 이 장에서는 그 전환을 가능하게 한 세 가지를 차례로 본다. 홈을 파고 메우는 공정 흐름(2절), 메우는 수단인 전기 도금과 첨가제(3~5절), 그리고 도금한 Cu가 상온에서 스스로 바뀌는 자가 어닐(6절)이다. 홈의 벽에 까는 Barrier와 Seed는 3장에서, 넘친 Cu를 깎는 CMP는 5장에서 자세히 다룬다.

다마신의 흐름: Single, Dual, Via-first

배선 한 층은 두 부분으로 되어 있다. 같은 층 안에서 옆으로 달리는 선(Trench에 채운 Cu)과 아래층 선으로 내려가는 기둥(Via에 채운 Cu)이다. Single damascene(Via와 Trench를 따로 만드는 방식)은 둘을 따로 만든다. Via 층을 파서 채우고 CMP한 뒤, 그 위에 절연막을 다시 쌓아 Trench를 파고 채우고 또 CMP한다. Dual damascene(Via와 Trench를 한 번에 채우는 방식)은 Via와 Trench를 둘 다 파 놓은 다음 Barrier, Seed, Cu를 한 번에 넣고 CMP도 한 번만 한다.

Havemann과 Hutchby는 Dual damascene의 장단점을 이렇게 정리한다. 층마다 금속 채움과 CMP가 한 번씩이어서 Single보다 공정 비용이 낮다. Via 안의 금속 계면이 바닥 하나뿐이어서(Single damascene Cu나 W 플러그를 쓴 Al은 위아래 두 개) Via 저항이 낮고 신뢰성이 좋다. 대신 한 번에 채워야 할 홈이 깊어져 종횡비가 커지고, 식각과 채움, 공정 통합이 복잡해진다. IBM도 비용 절감, 양산성, 확장성을 이유로 Dual damascene을 택했다.

Dual damascene에도 순서가 여러 가지다. 아래 시뮬레이터는 그 가운데 Via-first(Via를 먼저 뚫는 순서)를 따라간다. Via를 먼저 깊게 뚫고, 그 구멍을 BARC(Bottom Anti-Reflective Coating, 바닥 반사 방지막)나 PR로 막아 둔 채 Trench를 판다. Via를 막아 두는 이유는 Trench를 파는 동안 Via 바닥의 유전체 캡이 뚫려 아래 Cu가 드러나지 않게 하려는 것이다. 단계를 하나씩 넘기며 무엇이 쌓이고 깎이는지 본 다음, Single damascene으로 바꿔 횟수를 세어 보자.

EXPLORE

Dual damascene 한 단계씩 따라가기

공정 방식
단계—
금속 채움—
CMP—
Via 금속 계면—
해볼 것: ① Dual damascene을 끝까지 넘겨 금속 채움과 CMP가 각각 몇 번인지 세어 보자. ② ④단계에서 Via를 BARC로 막는 이유를 Via 바닥의 캡(초록)과 연결해 생각해 보자. ③ Single damascene으로 바꿔 끝까지 넘긴 뒤, ⑨단계에서 Via 윗면 위에 Barrier가 한 번 더 깔리는 것을 찾자. 그것이 Via 안의 두 번째 계면이다. 그림은 구조를 보여 주는 개념도이며 두께와 크기는 실제 비율과 다르다. 실제 흐름에는 세정, 계측, 하드마스크 같은 단계가 더 있다.

흐름의 근거: Single·Dual damascene의 단계, Via-first에서 BARC/PR로 Via를 막는 이유와 그 제거에 드는 세정, 캡과 식각 정지막, 계면 수, Seed를 깔고 도금한 뒤 Overburden을 CMP로 없애는 순서.

순서마다 치르는 대가가 다르다. 아래 표에 정리했다. 어느 쪽을 고르든 결국 남는 질문은 같다. 깊고 좁아진 홈을 빈틈없이 채울 수 있는가. 다음 절부터 그 질문을 다룬다.

Dual damascene 순서어떻게대가
Via-firstVia를 먼저 깊게 뚫고, BARC/PR로 막은 뒤 Trench를 판다. 막아 둔 BARC/PR이 Trench 식각 동안 Via 바닥의 캡을 지킨다Via 식각의 종횡비가 크다. 막았던 BARC/PR을 걷어 내는 공격적인 세정이 Low-k를 상하게 할 수 있다
Trench-firstTrench를 먼저 파고, 그 단차 위에서 Via를 그려 판다파인 단차 위에서 패터닝해야 한다. 정렬이 어긋나면 Via가 덜 열리지 않게 과식각을 더 해야 하고, BARC 보호가 없어 Via 쪽 식각 정지막의 선택비 부담이 크다
Buried via식각 정지막에 Via를 먼저 새긴 뒤 위 절연막을 쌓고, Trench 식각을 Via 자리로 이어 내린다. 모든 패터닝을 평평한 면에서 한다식각 정지막이 옆 정전 용량을 키우고, 높은 식각 선택비가 필요하다. 어긋나면 Via가 일부만 열린다

전기 도금의 기초: 전자를 세어 Cu를 쌓는다

홈을 Cu로 채우는 방법은 여러 가지가 시험되었다. IBM에서는 스퍼터링을 비롯한 여러 PVD, CVD, 무전해 도금을 함께 검토했고, 전기 도금은 처음에는 후보로 여겨지지도 않았다. 그런데 막상 도금한 Cu가 평가한 방법 가운데 품질이 가장 좋았고, 처리량과 비용에서도 가능성이 있었다. 무엇보다 뒤에서 볼 Superfilling은 전착에만 있는 성질이었다. 무전해 도금은 수소 발생, 복잡한 공정 관리, 느린 속도, 환경 부담 때문에 밀려났다. 문헌과 현장에서는 전기 도금을 ECP(Electrochemical Plating) 또는 ECD(Electrochemical Deposition)라고도 쓴다.

장치의 원리는 단순하다. 황산구리(CuSO₄)와 황산(H₂SO₄)을 녹인 전해액(Electrolyte)이 반도체 Cu 도금의 주된 용액이다. 웨이퍼를 음극(Cathode)에, Cu 덩어리를 양극(Anode)에 연결하고 전류를 흘린다. 용액 속에서 CuSO₄는 Cu²⁺와 SO₄²⁻로 나뉘어 있다. 웨이퍼 표면에서는 Cu²⁺가 전자 두 개를 받아 Cu 원자가 되고, 양극에서는 반대로 Cu가 전자 두 개를 내놓고 Cu²⁺로 녹아 나와 용액을 채운다.

$$\text{음극(웨이퍼)}:\ \mathrm{Cu^{2+}} + 2e^- \rightarrow \mathrm{Cu}\qquad\qquad \text{양극}:\ \mathrm{Cu} \rightarrow \mathrm{Cu^{2+}} + 2e^-$$
두 반응식이 주고받는 전자 수가 같으므로, 반응식대로라면 음극에서 쌓인 만큼 양극에서 녹아 나와 용액의 Cu²⁺ 양이 유지된다(반응식에서 나온 해석).

전류가 흐르려면 웨이퍼 표면이 전기가 통해야 한다. 절연막이나 Barrier 위에 바로 도금하면 결과가 나쁘므로, 먼저 얇은 Cu Seed(도금의 씨앗이 되는 얇은 Cu 막)를 PVD 같은 방법으로 깐다. 도금이 모든 곳에서 일어나려면 웨이퍼 표면 전체로 전류가 흘러야 하므로 Seed는 웨이퍼 전체에 이어지게 깐다. 그래서 다마신 도금은 홈 안과 밖 어디서나, 바닥에서 위로 그리고 옆벽에서 안쪽으로 함께 일어난다. Seed가 홈 입구에 너무 두껍게 쌓이거나 바닥에서 끊기면 무슨 일이 생기는지는 3장에서 본다.

도금 속도는 전류가 정한다. Cu 원자 하나가 쌓이려면 전자 두 개가 필요하므로, 흘린 전하를 세면 쌓인 원자 수를 알 수 있다. 이것이 Faraday 법칙(Faraday's law of electrolysis)이다. 국부 도금 속도는 그 자리의 전류 밀도에 비례한다. 면적당 전류인 전류 밀도(Current density, j)로 두께가 자라는 속도를 쓰면 다음과 같다.

$$v = \frac{j\,M}{n\,F\,\rho_m}$$
\(v\): 두께 성장 속도(cm/s), \(j\): 전류 밀도(A/cm²), \(M\): Cu의 몰 질량 63.546 g/mol, \(n = 2\): 이온 하나가 받는 전자 수, \(F\): 패러데이 상수 96 485 C/mol, \(\rho_m\): Cu의 밀도 8.96 g/cm³. 흘린 전류가 모두 Cu를 쌓는 데 쓰인다(전류 효율 100%)고 가정한다.

계산하면 10 mA/cm²에서 \(v \approx 3.7\times10^{-7}\) cm/s, 곧 초당 약 3.7 nm, 분당 약 220 nm다. 1 µm를 쌓으려면 약 270초가 걸리고, 면적 1 cm²마다 2.72 C의 전하가 든다. IMP 책 1장에서 이온 주입의 Dose를 빔 전류로 셌던 것(이온을 세는 법)과 같은 발상이다. 이온 대신 Cu²⁺를 세고, 이온 하나가 전자 두 개 몫이라는 점만 다르다. 300 mm 웨이퍼(면적 약 707 cm²) 전체를 10 mA/cm²로 도금하면 계산상 7 A가 넘는 전류가 흐른다.

SIMULATOR

전류 밀도로 도금 두께와 시간 계산하기

지금 고른 전류 밀도비교: 4·10·32 mA/cm² (효율 100%)
성장 속도—
목표 두께까지—
필요한 전하—
300 mm 웨이퍼 전류—
해볼 것: ① 10 mA/cm²에서 분당 약 220 nm가 나오는지 확인하자. ② 4 mA/cm²에서 32 mA/cm²로 8배 올리면 같은 두께를 쌓는 시간은 8분의 1이 된다. 5절에서 이 차이가 레시피를 두 단계로 나누는 이유가 된다. ③ 전류 효율을 90%로 낮춰 보자. 측정한 전하의 일부가 Cu를 쌓지 않는 다른 반응에 쓰이면, 같은 시간에 그만큼 덜 쌓인다. 전류 효율은 원리를 보이려는 학습용 손잡이이며, 실제 공정의 효율 값은 이 장에서 다루지 않는다. (모델의 가정: 웨이퍼 전체에 고른 전류, 패턴 면적 무시, 쌓인 Cu의 밀도는 벌크 값)

이 식은 웨이퍼 전체의 평균 속도만 말해 준다. 홈의 바닥과 입구가 각각 어떤 속도로 자라는지는 그 자리의 전류 밀도가 정한다. 그렇다면 홈 안에서 전류가 자리마다 달라질까. Andricacos는 1 µm보다 작은 형상에서 홈 안 두 지점 사이의 전해액 속 전압 강하 차이가 1 µV 정도로 무시할 만하다고 보았다. 수십 µm 깊이의 구멍을 도금하는 관통 구멍 도금(Through-hole plating)과는 사정이 전혀 다르다. 작은 형상 안에서는 모양 때문에 전류가 쏠리는 일이 거의 없다는 뜻이다. 그런데도 바닥을 입구보다 빨리 자라게 만들 수 있다. 표면의 반응 속도 자체를 자리마다 다르게 만들면 된다. 그것이 다음 절의 첨가제다.

첨가제와 아래에서 위로 채우기

좁고 깊은 홈을 채울 때는 홈이 어떤 모양으로 자라는지가 성패를 가른다. Andricacos는 세 경우로 나눈다.

Superfilling의 열쇠는 전해액에 아주 조금 넣는 유기물과 이온, 곧 첨가제다. NIST의 Moffat 등은 빈틈없는 채움에 필요한 최소 조합으로 염화 이온, 억제제, 가속제 세 가지를 꼽고, 많은 경우 Leveler를 더한다고 정리한다. Stanford 강의 자료는 같은 첨가제를 도금 분야의 이름인 Brightener(가속제에 해당), Carrier(억제제에 해당), Leveler로 설명한다.

첨가제예하는 일
염화 이온 Cl⁻예: 1 mmol/LCu 표면의 황산 이온 층을 밀어내고 흡착층을 만들어, 표면을 물과 덜 친한(소수성) 상태로 바꾼다. 염화 이온이 없으면 PEG가 흡착하지 않는다.
억제제 Suppressor(Carrier)폴리에테르, 예: 분자량 2000 이상의 PEGCl⁻ 위에 얇은 층을 만들어 Cu²⁺ → Cu⁺ → Cu 단계를 막는다. 표면 전체의 도금을 느리게 한다.
가속제 Accelerator(Brightener)SPS(bis(3-sulfopropyl) disulfide)와 그 단량체 MPS억제제보다 표면에 단단히 붙어 그 자리를 빼앗고, 물을 좋아하는 술폰산 꼬리로 PEG가 다시 붙지 못하게 한다. 가속제가 많이 덮인 곳일수록 빨리 자란다.
평탄제 Leveler(평탄화를 돕는 첨가제)N을 가진 양이온 계면활성제(Janus Green B, PEI 등)다 채운 뒤 홈 위로 솟는 둔덕에서 가속제의 작용을 꺼서 평탄화를 돕는다.

표의 근거: 첨가제의 종류, 농도와 분자량의 예, 각 첨가제의 작용.

Stanford 강의 자료는 이 과정을 시간 순서로 그린다. 웨이퍼가 용액에 들어간 순간(0초)에는 첨가제가 아직 Seed에 붙지 않았다. 2초 뒤에는 전류 없이도 첨가제가 Seed를 덮는다. 10초쯤 고른(Conformal) 도금이 시작되며, 가속제가 덜 단단히 붙은 첨가제를 밀어내고 Via 바닥에 모인다. 20초쯤에는 좁은 형상 안의 면적이 줄어든 탓에 가속제가 더 모이고 바닥이 빠르게 자란다. 그렇다면 가속제는 왜 바닥에 모일까.

답은 기하학에 있다. NIST 연구진의 CEAC 모델(Curvature-Enhanced Accelerator Coverage)은 두 가지만 가정한다. 첫째, 국부 성장 속도는 그 자리의 가속제 덮임률에 비례한다. 둘째, 가속제는 Cu가 자라는 동안 녹아 나가거나 묻히지 않고 계면 위에 떠 있다. 그러면 계면의 면적이 바뀔 때 덮임률이 따라 바뀐다. 오목한 바닥은 자라면서 면적이 줄어든다. 같은 수의 가속제 분자가 더 좁은 면적에 모이니 덮임률이 오른다. 볼록한 면은 자라면서 넓어지니 덮임률이 묽어진다. 사람 수는 그대로인데 방이 좁아지면 붐비는 것과 같다.

$$\frac{d\theta}{dt} = -\frac{1}{A}\frac{dA}{dt}\,\theta = \kappa\,\nu\,\theta$$
\(\theta\): 가속제 덮임률(덮을 수 있는 자리 가운데 덮인 비율), \(A\): 계면의 면적, \(\kappa\): 국부 곡률(오목하면 +, 볼록하면 −), \(\nu\): 계면이 자라는 속도.
그림 2. 면적이 줄면 모이고, 늘면 흩어진다. 분홍 점은 가속제 분자다. 왼쪽: 오목한 바닥(점선)이 위로 자라면(실선) 면이 짧아지지만 분자 수는 그대로여서 덮임률이 오른다. 오른쪽: 볼록한 면은 자라며 길어져 덮임률이 묽어진다. 이 보존 관계가 위 식이다.

이 식은 가속제의 양이 보존된다는 것만 말한다. 같은 생각은 1971년 Schulz-Harder의 박사 논문에 처음 나왔지만 30년 넘게 잊혀 있었다. Josell 등은 촉매가 묽을 때 미세 형상 속 덮임률이 주로 면적 변화로 바뀐다는 모델로 350~100 nm 형상의 채움을 설명했다. 여기서 되먹임이 생긴다. 바닥이 빨라지면 면적이 더 빨리 줄고, 덮임률이 더 오르고, 그래서 더 빨라진다. 형상이 작을수록 같은 두께를 쌓을 때 면적이 바뀌는 비율이 커서 이 효과가 강하다.

NIST의 실험에서 처음 SPS 덮임률이 최적에 가까운 0.054일 때 트렌치는 이렇게 채워졌다. 먼저 바닥의 두 모서리에서 가속제가 농축되어 V자 모양으로 자란다. 두 모서리의 성장면이 가운데서 만나면 오목한 바닥이 더 농축되며 평평해지고 빠르게 올라간다. 입구에 다다르면 면이 볼록하게 뒤집히며 가속제가 묽어진다. 처음 덮임률이 너무 낮으면 농축이 모자라 아래부터 채우지 못한다. 너무 높으면 이미 포화에 가까워 더 모일 여지가 없고, 빠른 도금으로 Cu²⁺가 크게 소모되어 가운데 Void가 생겼다.

이 장의 채움 모델 들여다보기

아래 애니메이션과 5절의 도전 과제는 CEAC의 생각을 직사각형 트렌치에 옮긴 학습용 모델이다. NIST의 수치 모사처럼 계면 모양을 정확히 따라가지 않고 다음 네 가지만 담았다.

  1. 평평한 윗면(필드)은 전류 밀도로 정해지는 Faraday 속도 \(v_F\)로 자란다. 다른 자리는 가속제 덮임률에 따라 \(v = v_F(1+G\theta)/(1+G\theta_0)\)로 자란다(G = 60, 학습용 값). 억제제가 없으면 모든 자리가 같은 속도다.
  2. 옆벽은 평평해서 덮임률이 처음 값 \(\theta_0\) 그대로다. 바닥은 옆벽이 다가와 좁아지고, 위로 올라가며 옆벽의 가속제를 쓸어 담는다. 가속제 양의 보존에서 \(w_b\,d\theta_b/dt = 2\theta_0 v_b + 2\theta_b v_w\)가 나온다(\(w_b\): 바닥 폭). 바닥 모서리에서 먼저 농축되는 효과는 이 식에 계수 C = 4를 곱해 뭉뚱그렸다.
  3. 깊은 곳일수록 Cu²⁺ 공급이 달린다고 보고, 깊이 \(d\)에서 실제 속도를 \(v/(1+v/v_{\lim})\), \(v_{\lim} = 20\ \text{nm/s}\times(500\ \text{nm}/d)\)로 줄였다. 전류가 클수록 이 제한이 세게 걸린다.
  4. 옆벽이 먼저 만나면 그 아래를 닫힌 공간으로 본다. 갇힌 빈 공간이 트렌치 단면의 3% 미만이면 Seam, 그 이상이면 Void로 판정한다. 다 채운 뒤 볼록해진 면은 넓어지며 가속제가 묽어지고, Leveler를 넣으면 가속제의 작용이 빠르게 꺼진다.

G, C, \(v_{\lim}\)는 4 mA/cm²에서 잘 채우고 40 mA/cm²에서 실패한다는 특허의 실험과, 처음 덮임률이 너무 작거나 크면 실패한다는 NIST의 관찰을 대략 재현하도록 고른 값이다. 실제 공정의 값이 아니며, 이 모델에서 성공하는 레시피가 실제 공정에서도 성공한다는 뜻도 아니다.

이제 세 성장 모드를 나란히 놓고 보자. 첫째와 둘째 칸은 첨가제가 없어 어디서나 반응 속도가 같다. 둘의 차이는 전류뿐이다. 셋째 칸은 SPS·PEG·Cl⁻가 들어 있다. 바닥의 분홍 선 굵기가 가속제 덮임률이다.

ANIMATION

세 가지 성장 모드로 트렌치 채우기 (Conformal · Subconformal · Superconformal)

재생
트렌치 종횡비 (폭 250 nm)
CuBarrier·Seed바닥의 가속제 (굵을수록 많다)Seam·Void
필드 위 Cu 두께—
Superconformal 바닥 θ—
Superconformal 바닥 높이—
결과 (Conf · Sub · Super)—
해볼 것: ① 첫째 칸에서 양쪽 옆벽이 가운데서 만나 Seam이 남는 순간을 보자. ② 둘째 칸은 전류만 10배 높다. 깊은 곳이 Cu²⁺를 덜 받아 입구가 먼저 닫히고 Void가 갇힌다. ③ 셋째 칸에서 바닥의 분홍 선이 굵어지며 바닥이 빨라지는 되먹임을 보자. 다 채운 뒤에는 위로 솟는 둔덕이 생긴다. ④ AR 4로 올리면 Superconformal도 버티지 못한다. 시간 축은 필드 위 Cu 두께(0에서 트렌치 깊이의 40%까지)로 맞췄으므로 셋의 실제 시간은 다르다. (모델의 가정: 위 '채움 모델 들여다보기'의 학습용 모델, 2차원 단면, 바닥은 평평하다고 근사)

마지막 칸의 성공은 처음 덮임률 \(\theta_0\)를 알맞게 맞춘 덕분이다. 그렇다면 가속제를 더 넣으면 더 잘 채워질까. 먼저 예측해 보자.

PREDICT

가속제를 다섯 배 가까이 넣으면?

폭 250 nm, 깊이 500 nm(AR 2) 트렌치를 4 mA/cm²로 도금한다. 처음 가속제 덮임률이 0.054일 때는 아래부터 잘 채워졌다. 억제제와 전류는 그대로 두고 가속제를 더 넣어 처음 덮임률을 0.25로 올리면 어떻게 될까?
답을 고르면 두 조건으로 같은 두께를 도금한 단면이 함께 그려진다.

다 채운 뒤에도 이야기는 끝나지 않는다. 바닥에 모인 가속제는 홈이 다 찬 뒤에도 남아 있어서 그 자리가 계속 빨리 자라고, 홈 위로 둔덕이 솟는다. NIST는 이 Momentum plating(채운 뒤 위로 솟는 과도금 둔덕)이 뒤의 평탄화를 크게 방해하며, 그래서 채움이 끝난 뒤 가속제의 작용을 끄는 Leveler를 넣는다고 설명한다. Leveler는 튀어나온 곳과 모서리의 성장을 그곳의 물질 전달 정도에 비례해 늦춘다.

Seam·Void와 전류 조건

첨가제를 잘 맞춰도 전류를 잘못 주면 채움이 무너진다. Semitool의 특허는 전류 밀도에 따른 채움 실험을 기술한다. 특허에 기술된 내용에 따르면, 4 mA/cm²의 낮은 전류 밀도에서는 Cu 농도 15~36 g/L 모두에서 트렌치가 잘 채워졌지만 표면이 거칠거나 결정립이 컸다. 40 mA/cm²에서는 표면은 매끄러웠으나 트렌치 안에 Seam Void가 보였다. 특허는 이를 높은 전류가 형상 위쪽에 몰려 위쪽이 과도금되었기 때문으로 보았다. 또 컨포멀하게 자라는 것만으로는 빈틈없는 채움이 보장되지 않으며, 트렌치 위쪽이 먼저 막혀 속에 Void가 남는 일이 많다고 적었다. 해법으로 내놓은 것이 2단계 파형이다. 4 mA/cm²로 시작해 32 mA/cm²로 올린 도금은 매끄럽고 컨포멀했다. 청구항은 1단계와 2단계 전류 밀도의 비를 약 1:10 또는 1:8로 적는다.

이 결과는 앞의 모델로 이렇게 해석할 수 있다(원리에서 나온 해석). 가속제가 바닥에 모이는 정도는 Cu를 얼마나 쌓았는지에 따라 정해지지, 시간이 얼마나 흘렀는지에 따라 정해지지 않는다. 전류를 올려도 농축이 빨라지지는 않는다는 뜻이다. 반면 전류가 크면 바닥까지 Cu²⁺를 실어 오는 확산이 따라가지 못해 깊은 곳이 먼저 굶는다. 그러니 홈이 열려 있는 동안은 낮은 전류로 바닥이 앞설 시간을 주고, 홈이 다 찬 뒤에는 남은 두께를 높은 전류로 빨리 쌓는 것이 합리적이다.

홈이 다 찼다고 도금이 바로 끝나지는 않는다. 다마신에서는 필드 위로도 Cu를 넉넉히 쌓은 뒤 CMP로 없앤다. 이렇게 필드 위로 넘친 Cu를 Overburden(필드 위로 넘친 Cu)이라 한다. Novellus 특허에 기술된 내용에 따르면 필드의 Overburden은 보통 가장 깊은 형상 깊이의 약 1.2배 이상이고, 깊이 0.5 µm 형상이면 적어도 약 0.7~0.8 µm가 필요하다. 높은 종횡비 형상을 채운 뒤 위로 솟는 둔덕은 'Momentum' 또는 'Overplating'이라 부른다. Overburden은 결국 버려지는 Cu이고 CMP 비용이다. Faraday 법칙으로 계산하면 0.6 µm를 4 mA/cm²로만 쌓는 데 약 6.8분, 32 mA/cm²로 쌓으면 약 51초가 걸린다. 이제 직접 레시피를 짜 보자.

CHALLENGE

도금 레시피 짜기: 빈틈없이, 제시간에

문제를 읽고 첨가제와 두 단계의 전류를 정한 뒤 「도금하기」를 누른다.
직접 입력mA/cm²
직접 입력s
직접 입력mA/cm²
1단계 필드 성장—
2단계 필드 성장—
예상 총 시간—
채움 결과—
범프 높이—
점수0 / 0
조건: ① Seam·Void 없이 다 채우고, ② 필드 위 Cu가 트렌치 깊이의 1.2배에 이를 때까지 쌓되(2단계는 이 두께에 이르면 자동으로 멈춘다), ③ 총 시간이 제한 이하여야 한다. 3번 문제는 ④ 범프 높이 한도가 더 있다. 「예상 총 시간」은 Faraday 법칙으로 미리 계산한 값이다. 값을 바꾸면 이전 결과는 지워진다. 막히면 「힌트」를 누르자. 누를 때마다 한 단계씩 더 알려 준다. (모델의 가정: 4절의 학습용 채움 모델, 전류 효율 100%, 웨이퍼 교환·예비 단계 시간은 넣지 않음. 1.2배라는 두께 기준은 특허에 기술된 예를 따랐다.)
레시피는 '채우는 단계'와 '쌓는 단계'로 나뉜다

Semitool 특허의 실험이 보여 주듯, 같은 용액이라도 전류 밀도에 따라 채움과 표면 상태가 함께 바뀐다. 특허에 기술된 내용에 따르면 4 mA/cm²는 채움이 좋았지만 표면이 거칠거나 결정립이 컸고, 40 mA/cm²는 표면이 매끄러웠지만 Seam Void를 남겼다. 4 → 32 mA/cm²의 2단계 파형은 둘을 함께 얻는 방법으로 제시되었다. 현장의 관점으로 옮기면 이렇다(원리에서 나온 해석). 전류를 올리는 시점은 '가장 깊고 좁은 형상이 다 찬 뒤'여야 한다. 그래서 형상의 깊이나 폭이 달라지는 새 제품이 들어오면 1단계의 길이를 다시 확인해야 한다.

확인하는 방법은 도금을 중간에 멈춘 웨이퍼의 단면을 보는 것이다. Andricacos가 보인 부분 채움 단면과 NIST가 시간에 따라 추적한 성장 윤곽처럼, V자에서 평평한 바닥으로, 다시 볼록한 둔덕으로 바뀌는 모습이 보이면 아래부터 채우고 있는 것이다. 다 채운 뒤의 둔덕과 Overburden은 CMP가 떠안는다. Overburden이 두꺼울수록 버리는 Cu와 CMP 부담이 커진다. Dishing과 Erosion은 5장에서 이어 간다.

자가 어닐과 결정립

도금이 끝난 Cu는 그대로 있지 않는다. 1998년 무렵 업계의 관심을 모은 현상이 있다. 1 µm 안팎의 도금 Cu 막은 막 도금했을 때 비저항이 기대값(약 1.7 µΩ·cm)보다 20~25% 높다. 그런데 이 값이 상온에 그냥 두어도 몇 시간에 걸쳐 기대값까지 떨어진다. 이것을 자가 어닐(Self-anneal, 상온 재결정)이라 부른다.

무슨 일이 일어날까. 막 도금한 Cu의 결정립(Grain)은 0.05~0.1 µm로 아주 작다. 몇 시간에 걸쳐 일부 결정립이 이웃을 먹으며 수 µm까지 자라고, 그 사이 결정 방향의 분포가 바뀌며 비저항, 경도, 압축 응력이 줄어든다. 결정립계는 전자를 산란시키므로, 결정립이 커져 결정립계가 줄면 비저항이 수십 % 떨어져 벌크 값에 가까워진다. 결정립계 산란과 크기 효과는 2장에서 다룬다. Andricacos도 이 변화가 결정립 크기의 열 배 증가, 거의 0까지 줄어드는 압축 응력과 함께 일어나며, 결정립 성장의 활성화 에너지가 약 0.92 eV로 Cu 결정립계 확산과 비슷하다고 정리한다. 이렇게 결정립이 커지는 현상을 재결정(Recrystallization)이라 한다. Stanford 자료도 도금 Cu가 자가 어닐 덕분에 다른 증착법보다 훨씬 큰 결정립을 갖는다고 적고, 10 mA/cm²로 도금한 막의 결정립이 2시간, 1일, 60일에 걸쳐 커지는 TEM 사진을 싣는다.

패턴이 있으면 사정이 조금 다르다. 재결정은 형상 가장자리 근처에서 시작한다. Lingk와 Gross는 다마신 트렌치의 위쪽 모서리에서 재결정이 시작해 옆으로 번지며 결국 막 전체를 바꾼다는 것을 FIB 영상으로 보였다. 몇 시간에서 몇 주까지 걸렸고, 폭 0.3~5 µm 가운데 0.8 µm 트렌치에서 가장 빨랐다. 그리고 결정적인 관찰이 있다. 재결정이 끝나기 전에 CMP로 위의 Cu를 없애면 트렌치 안의 Cu는 재결정이 덜 된 채로 남는다. Harper 등의 모델에서는 변화가 시작되기 전에 잠복 시간이 있고, 변화에 걸리는 시간은 막 두께에 반비례한다. 두 관찰을 함께 보면 위에 두껍게 쌓인 Cu가 재결정을 이끄는 셈이다(원리에서 나온 해석).

아래 시뮬레이터는 이 관찰들을 단순한 시간 모델로 묶었다. 결정립이 바뀐 비율 \(X\)가 잠복 시간 뒤 시그모이드 모양으로 0에서 1로 가고, 비저항은 \(X\)에 따라 22% 높은 값에서 1.7 µΩ·cm로 내려간다. 온도를 올리면 활성화 에너지 0.92 eV에 따라 빨라지고, 막이 두꺼울수록 빨라진다. CMP를 하면 그 시점에서 트렌치 안의 재결정이 멈춘다고 단순화했다.

SIMULATOR

자가 어닐: 언제 CMP해야 할까

트렌치 안 Cu (CMP 뒤 멈춤)CMP 없이 두었다면상온(25 °C) 기준
시간 상수 τ—
90% 재결정까지—
CMP 때 재결정 비율—
CMP 뒤 트렌치 비저항—
해볼 것: ① 상온, 1 µm, 도금 1시간 뒤 CMP로 두면 재결정이 거의 시작도 하지 않은 채 멈춘다. ② CMP를 하루 뒤로 미루면 비저항이 1.7 µΩ·cm 근처까지 내려간다. ③ 온도를 100 °C로 올리면 몇 초에서 몇십 초 만에 끝난다. 0.92 eV의 활성화 에너지가 만드는 차이다. ④ 두께를 0.5 µm로 줄이면 느려진다. (모델의 가정: 25 °C·1 µm에서 시간 상수 4시간, 잠복 시간 0.4τ, 변화 곡선 \(X = 1 - e^{-((t-t_i)/\tau)^2}\)는 '몇 시간'이라는 관찰에 맞춘 학습용 값이다. 처음 비저항 22% 초과와 1.7 µΩ·cm, 0.92 eV, 두께 반비례는 본문의 문헌 값이다. 0.92 eV를 높은 온도까지 그대로 늘린 것은 계산이며, 실제 어닐 조건이 아니다.)
CMP 전에 결정립을 키워 둔다

Lingk와 Gross의 관찰은 공정 순서에 바로 연결된다. 재결정이 끝나기 전에 CMP로 위의 Cu를 없애면 트렌치 안의 Cu가 작은 결정립으로 남는다. Cheng 등은 도금 뒤 CMP 전에 400 °C 미만에서 어닐하면 배선의 결정립이 커진다고 정리한다. 결정립을 키워 결정립계를 줄이면 응력 이동(Stress migration) 불량률을 줄일 수 있고, 결정립을 키우는 가장 효과적인 방법이 어닐이며, 그 시점은 도금 뒤 CMP 전이다. 유전체 캡을 덮은 뒤의 높은 온도 어닐은 갇힌 결정립 성장이나 커진 응력 때문에 응력 Void를 크게 늘릴 수 있어, 캡 뒤에는 어닐 온도를 제한해야 한다.

상온에 두기만 해도 재결정은 일어나지만 몇 시간에서 몇 주가 걸리고, 형상과 막 두께에 따라 다르다. 기다림에 맡기면 웨이퍼마다 CMP 전 대기 시간이 다를 때 결정립 상태도 달라질 수 있다는 뜻이다(원리에서 나온 해석). 상태를 확인하는 데이터는 도금 뒤 시간에 따른 면저항 변화와 FIB 단면의 결정립 영상이다. 결정립과 응력 이동, Electromigration의 관계는 7장에서 이어 간다.

Cu는 왜 식각 대신 다마신으로 만들고, 도금은 왜 아래부터 채워지나

이 장의 내용을 원인 → 결과 → 확인 방법으로 이어 말하는 연습이다.

  1. 원인 1. Cu는 Al보다 비저항이 낮고 Electromigration 수명이 길지만, Cu의 할로겐화물은 상온에서 휘발하지 않아 RIE로 선을 깎기 어렵다.
  2. 결과 1. 그래서 절연막에 홈을 파고 Barrier·Seed를 입힌 뒤 Cu를 넘치게 채우고 CMP로 깎는다. Dual damascene은 Via와 Trench를 한 번에 채워 층마다 채움과 CMP가 한 번이고 Via 계면이 하나다. 대신 채울 홈이 깊다.
  3. 원인 2. 좁고 깊은 홈이 고르게 자라면 옆벽이 만나 Seam이, 입구가 빨리 자라면 Void가 남는다. 억제제(PEG + Cl⁻)가 표면을 막고, 가속제(SPS)는 계면에 떠서 오목한 바닥의 면적이 줄수록 모인다. 덮임률이 오른 바닥이 더 빨리 자라고, 그래서 더 모이는 되먹임이 생긴다.
  4. 결과 2. 바닥이 위로 차오르는 Superfill이 된다. 다만 가속제가 너무 적거나 많으면 무너지고, 처음부터 전류가 높으면 위쪽이 과도금되어 Seam Void가 남을 수 있다. 그래서 낮은 전류로 채우고 높은 전류로 마무리하는 레시피가 제시되었다.
  5. 확인 방법. 도금을 중간에 멈춘 단면에서 V자 → 평평 → 볼록의 순서를 본다. 다 채운 뒤에는 단면에서 Seam·Void를 찾고, 도금 뒤 시간에 따른 면저항 감소와 FIB 결정립 영상으로 자가 어닐이 CMP 전에 끝났는지 본다.

핵심 정리

  1. Cu는 Al보다 비저항이 낮고(1.67 대 2.67 µΩ·cm) Electromigration 수명이 길다. 하지만 할로겐화물이 상온에서 휘발하지 않아 RIE로 깎기 어렵다. 그래서 절연막에 홈을 파고 Cu를 채운 뒤 CMP로 넘친 Cu를 깎는 다마신을 쓴다.
  2. Dual damascene은 Via와 Trench를 함께 파서 한 번에 채우고 한 번 깎는다. 층마다 채움과 CMP가 한 번이고 Via 계면이 바닥 하나뿐이지만, 채울 홈의 종횡비가 커지고 통합이 복잡하다. Via-first는 Via를 먼저 뚫고 BARC/PR로 막은 뒤 Trench를 판다.
  3. 전기 도금은 웨이퍼(음극)에서 Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu가 일어나는 반응이다. Faraday 법칙 v = jM/(nFρ)에 따라 전하가 두께를 정하며, 10 mA/cm²면 계산상 분당 약 220 nm다. 도금하려면 전류 길이 되는 Cu Seed가 필요하다.
  4. 고르게 자라면(Conformal) Seam이, 입구가 빨리 자라면(Subconformal) Void가 남는다. 바닥이 더 빨리 자라야(Superconformal, Superfill) 결함 없이 채워진다.
  5. Cl⁻와 PEG(억제제)가 표면을 막고, SPS(가속제)가 그 자리를 빼앗아 성장을 빠르게 한다. 가속제는 계면에 떠 있으므로 오목한 바닥의 면적이 줄면 모이고(CEAC, dθ/dt = κνθ) 바닥이 점점 빨라진다. 처음 덮임률은 너무 적어도 많아도 안 된다. Leveler는 채운 뒤 솟는 둔덕을 누른다.
  6. 처음부터 높은 전류는 위쪽 과도금으로 Seam Void를 만들 수 있다. 특허의 예는 4 mA/cm²로 채우고 32 mA/cm²로 마무리한다. Overburden은 가장 깊은 형상 깊이의 약 1.2배 이상 쌓고 CMP로 없앤다.
  7. 도금 직후 Cu는 결정립이 작아 비저항이 20~25% 높고, 상온에서 몇 시간 동안 재결정하며 낮아진다(활성화 에너지 약 0.92 eV). 재결정 전에 CMP하면 트렌치 안의 결정립이 작게 남으므로, 도금 뒤 CMP 전에 어닐로 결정립을 키운다.

확인 퀴즈

1. Cu 배선을 Al처럼 막을 깔고 RIE로 깎아 만들지 않는 가장 큰 이유는?

플라즈마 식각은 금속이 기체로 날아가는 화합물이 되어야 한다. Cu 할로겐화물은 상온에서 휘발하지 않아 Al의 '스퍼터 + RIE' 조합을 쓸 수 없었다. 그래서 절연막을 깎고 Cu를 메운 뒤 CMP로 갈아 내는 다마신을 쓴다. 1절로 돌아가기

2. Single damascene과 비교한 Dual damascene의 특징으로 틀린 것은?

Via와 Trench를 한 번에 채우므로 채울 홈이 깊어지고 종횡비가 커진다. 비용과 Via 저항에서 이득을 보는 대신 식각·채움이 어려워진다. 시뮬레이터로 돌아가기

3. 전류 효율이 100%라면 10 mA/cm²로 1분 동안 도금했을 때 Cu는 대략 얼마나 쌓일까?

v = jM/(nFρ) = (0.01 × 63.546)/(2 × 96 485 × 8.96) ≈ 3.7×10⁻⁷ cm/s ≈ 3.7 nm/s이므로 1분이면 약 220 nm다. Cu 원자 하나에 전자 두 개가 든다는 것이 n = 2다. 시뮬레이터로 돌아가기

4. SPS·PEG·Cl⁻ 용액에서 트렌치 바닥의 가속제 덮임률이 점점 커지는 이유는?

CEAC 모델에서 가속제는 성장하는 계면에 남는다. 오목한 면은 자라며 면적이 줄어 덮임률이 오르고(dθ/dt = κνθ), 덮임률이 오른 곳은 더 빨리 자란다. 홈 안의 전해액 속 전압 강하 차이는 1 µV 수준이라 원인이 아니다. 4절로 돌아가기

5. 도금 직후 바로 CMP를 했더니 트렌치 안 Cu의 비저항이 기대보다 높게 남았다. 가장 그럴듯한 설명은?

도금 Cu는 결정립이 작아 비저항이 20~25% 높고, 위쪽 모서리에서 시작하는 재결정으로 몇 시간에서 몇 주에 걸쳐 낮아진다. 재결정 전에 CMP하면 트렌치 안의 재결정이 불완전하게 남는다. 그래서 도금 뒤 CMP 전에 어닐로 결정립을 키운다. 6절로 돌아가기