장비: PVD·도금·CMP·W CVD

배선 한 층을 만드는 장비들

Fab에서 금속 배선을 맡은 구역을 걸어 보면 생김새가 전혀 다른 기계들이 있다. 가운데 로봇 둘레에 둥근 챔버를 여러 개 붙인 진공 장비, 도금액 탱크와 배관을 품은 습식 장비, 커다란 회전판 위에서 웨이퍼를 누르는 연마 장비다. 이 셋이 한 팀이 되어 구리 배선 한 층을 만든다. 4장에서 본 다마신의 순서를 이번에는 장비의 눈으로 다시 보자. 절연막에 홈과 구멍을 판 웨이퍼는 먼저 진공 장비에 들어가 구멍 바닥을 깨끗이 한 뒤 Barrier와 Cu Seed를 입는다. 이어서 도금 장비가 홈을 구리로 채운다. Seed가 웨이퍼 모든 곳에 전류를 날라 주기 때문에 도금으로 채울 수 있고, 홈 위로 넘친 구리(Overburden)는 CMP로 깎아 낸다. 도금과 CMP 사이에는 400 °C 아래의 어닐을 넣어 결정립을 키운다. 결정립이 크면 응력 이동 불량이 줄어든다.

콘택과 W 플러그는 다른 흐름을 탄다. 실리콘이나 금속 위의 산화막을 걷어 낸 뒤 Liner를 입히고, W 핵 생성층과 벌크 W를 차례로 쌓아 구멍을 채운다. Novellus의 특허는 W를 WF₆의 H₂ 또는 SiH₄ 환원으로 쌓으며, Ti Liner를 WF₆로부터 지키려고 웨이퍼를 먼저 SiH₄에 담그고(Soak), WF₆ + SiH₄로 핵을 만든 뒤 WF₆ + H₂로 플러그를 채우는 종래 순서를 적는다. 남은 W는 다시 CMP로 깎는다. W 플러그를 식각(Etchback) 대신 CMP로 다듬자 수율이 오르고 다마신 공정의 가능성이 확인되었다.

장비가 이렇게 셋으로 나뉘는 이유는 공정마다 필요한 환경이 다르기 때문이다. PVD는 아주 깨끗한 진공에서 mTorr 범위의 아르곤 플라즈마로 금속 원자를 떼어 내야 하고, 도금은 대기압의 도금액 속에서 일어나며, CMP는 슬러리와 물을 뿌리며 깎는다. 그래서 장비마다 자기 환경을 지키면서 다음 장비로 웨이퍼를 마른 상태로 넘기는 일이 설계의 큰 몫을 차지한다. 도금 장비는 헹굼과 건조까지 마친 웨이퍼를 내보내고, CMP 장비도 씻고 헹구고 말린 웨이퍼를 내보낸다. Ebara는 이를 Dry-in/Dry-out이라고 적는다.

이 장은 공정의 물리를 다시 설명하지 않는다. 스퍼터링과 이온화 PVD는 3장(PVD), 도금 화학과 아래에서 위로 채우기는 4장(Cu 다마신과 전기 도금), 연마의 원리와 Dishing은 5장(Cu CMP), W 핵 생성과 콘택 저항은 6장(콘택), Co·Ru·Mo가 왜 등장하는지는 8장(새 금속과 새 구조)에서 다룬다. 여기서는 그 물리를 날마다 똑같이 되풀이하게 만드는 부품을 본다. 부품을 볼 때마다 세 가지를 묻자. 왜 있어야 하는가, 어떻게 동작하는가, 막과 배선의 어떤 결과를 정하는가.

PVD 클러스터와 챔버

왜 진공 클러스터인가

Barrier·Seed 장비는 클러스터 툴(Cluster tool)이다. 여러 단일 웨이퍼 공정 모듈과 웨이퍼 반송 로봇을 닫힌 환경에 묶은 장비를 이렇게 부른다. Applied Materials의 1993년 특허(지금은 만료)는 금속 증착에 이 구조가 왜 필요한지 잘 보여 준다. 카세트를 넣는 로드락(Load lock)과 공정 챔버 사이에 진공 단계를 여러 개 두어, 로드락에서 공정 챔버로 갈수록 진공이 단계적으로 좋아지게 했다. 그러면 공정 챔버는 웨이퍼가 들어올 때마다 오래 펌핑하지 않고도 아주 높은 진공을 지킨다. 단계마다 로봇이 따로 있고, 방 사이는 슬릿 밸브(Slit valve)로 닫으며, 웨이퍼가 고진공 트랜스퍼 챔버로 들어가기 전에 앞처리 챔버에서 미리 세정한다. 특허가 든 예는 버퍼 로봇이 로드락의 웨이퍼를 식각 세정 챔버로 옮기고, 트랜스퍼 로봇이 그 웨이퍼를 고진공 공정 챔버로 나르는 순서다. 특허는 이 구조의 이점으로 트랜스퍼·공정 챔버의 오염 감소, 짧은 펌핑 시간, 높은 처리량을 든다.

오늘의 대표 플랫폼인 Applied Materials의 Endura는 공정 챔버를 최대 9개 붙일 수 있고, 그중 2개는 자연 산화막을 걷어 내는 Pre-clean 챔버라고 회사는 소개한다. 회사는 Endura를 반도체 역사에서 가장 성공한 금속 증착 시스템이라고 부른다(회사 설명). 구리 배선용 구성의 이름은 CuBS(Copper Barrier/Seed)다. 회사 블로그는 Endura CuBS가 1997년에 나와 CuBS II(2004), CuBS RFX(2009), CuBS RF XT(2012)를 거쳐 2021년의 CuBS IMS로 이어졌다고 적는다. 같은 회사의 2005년 보도자료는 CuBS 출시를 1998년으로 적어 회사 문서 사이에도 1년 차이가 난다. 연도 하나도 출처를 함께 적어야 하는 이유다.

Pre-clean을 같은 진공에 두는 이유. Applied는 Endura CuBS RF XT가 Ta(N)/Ta Barrier와 Cu Seed를 고진공에서 차례로 입히고 Pre-clean(증착 전 표면 세정)을 같은 플랫폼에 통합해, 접착이 좋고 산화막 없는 계면을 얻는다고 설명한다. 이 장비의 Aktiv Preclean은 고분자 잔여물을 없애고 CuO를 환원하면서 Black Diamond II 같은 다공성 Low-k를 보호하며, 기존 반응성 Pre-clean과 달리 k 값을 크게 바꾸지 않는다고 한다(회사 설명). 구리는 스스로 보호막을 만들지 않아 드러난 면이 계속 산화되고, 그러면 Barrier의 접착이 나빠지고 저항이 커진다. Pre-clean으로 Via 바닥의 구리를 깨끗하게 만든 뒤 웨이퍼를 공기 중에 꺼냈다가 다른 장비에서 Barrier를 입히면 그사이에 다시 산화된다. 그래서 Pre-clean과 Barrier 사이에서는 진공을 깨지 않는다(원리에서 나온 해석).

Degas. Degas(가열 탈기)는 웨이퍼를 데워 붙어 있던 수분과 기체를 미리 빼내는 단계다. ULVAC는 ENTRON-EX2 W300에 Degas, 기체 냉각, 어닐로 쓸 수 있는 작은 전용 모듈 두 개를 붙인다고 소개하고, Evatec은 기체가 많이 나오는 패키징 기판용으로 한 번에 44장까지 넣는 대기압 배치 Degasser와, SiO₂를 0.6~0.8 nm/s로 깎는 ICP Soft-etch 모듈을 CLUSTERLINE 300에 둔다고 소개한다(회사 설명).

처리량은 누가 정하나. 웨이퍼는 Degas → Pre-clean → Barrier → Seed를 차례로 지나므로, 한 단계라도 느리면 뒤 단계 챔버가 놀게 된다. 회사가 밝히는 처리량은 대개 반송만 따진 기계적 처리량이다. ULVAC는 ENTRON-EX2 W300의 기계적 처리량을 시간당 175장으로, 자사 이전 장비보다 75% 높다고 소개했고, Tokyo Electron(TEL)은 LEXIA-EX의 최대 처리량을 시간당 100장으로 적는다. 실제 처리량은 공정 시간이 정한다. 아래 애니메이션에서 9개 자리를 단계마다 나눠 보자.

근거: 진공 단계와 버퍼·트랜스퍼 로봇, 앞처리 챔버의 위치, Endura의 최대 9개 공정 챔버와 Pre-clean 2개, Pre-clean과 Barrier·Seed의 진공 연속 처리, Degas 모듈.

애니메이션의 처리량은 대략 다음 값이 된다(학습용 모델).

이 식이 말하는 것은 단순하다. 직렬로 이어진 공정에서는 가장 느린 단계가 전체를 정한다. 그래서 공정 시간이 긴 단계에 챔버를 더 준다. Seed를 두껍게 하는 레시피로 바꾸면 병목이 Seed로 옮겨 가고, 남은 자리가 없으면 다른 단계의 챔버를 빼서 옮겨야 한다. 회사마다 처리 모듈을 몇 개까지, 어떤 모양으로 붙일 수 있는지를 앞세우는 것도 이 때문이다(원리에서 나온 해석). 아래 표는 회사들이 공식 페이지에 적은 PVD 플랫폼의 구성이다.

PVD 챔버 한 개를 열어 보면

Applied의 1999년 출원 특허 US 6,183,614는 자기 그림 1이 Endura PVD 반응기를 바탕으로 그렸다고 밝힌다. 그 구조를 따라가 보자. 진공 챔버의 위는 입히려는 금속으로 만든 Target(스퍼터링 표적)이 막고, 웨이퍼는 히터 페디스털(Heater pedestal) 위에 놓인다. 챔버 안의 Shield(차폐판)는 벽에 금속이 쌓이지 않게 막고, 동시에 접지된 양극 역할을 한다. DC 전원은 Target을 Shield에 대해 약 −600 V로 걸고, 페디스털과 웨이퍼는 보통 전기적으로 떠 있다. 아르곤은 MFC를 거쳐 들어오고, TiN 같은 반응성 스퍼터에서는 질소가 따로 MFC로 들어온다. Target 뒤의 Magnetron(자석 묶음)은 전자를 붙잡아 Target 앞에 밀도 높은 플라즈마를 만들며, Target 면 전체를 깎도록 보통 Target 중심을 축으로 돌린다.

숫자도 몇 개 나온다. 이 특허는 20~30 kW를 넘는 전력은 비싼 전원과 냉각 때문에 상업적으로 어렵다고 보고, 전체 전력보다 자석 아래의 전력 밀도가 중요하다고 주장한다. 그래서 작고 센 자석을 돌리는 설계를 택했고, 용량 결합만으로 금속 원자의 20% 이상을 이온화하고 종횡비 5인 구멍에서 바닥 피복 25% 이상을 얻는다고 적었다. 진공 수준은 특허마다 다르게 적는다. Cu를 자기 이온화 플라즈마로 쌓는 특허는 기본 압력을 보통 10⁻⁸ Torr 근처로, US 6,183,614는 약 10⁻⁷ Torr 이하로 두고 작업 기체 압력을 넓게 1~1000 mTorr로 적는다. 숫자는 설계마다 다른 예이고, 기억할 것은 크기다. 스퍼터 전에는 고진공으로 빼고, 스퍼터 중에는 mTorr 범위의 아르곤을 넣는다.

좁은 구멍 바닥까지 막을 입히려면 웨이퍼 쪽에도 손잡이가 필요하다. SIP(Self-ionized plasma) 특허는 페디스털에 절연 커패시터를 거쳐 RF 전원을 걸어 웨이퍼에 음의 직류 자기 바이어스를 만들고, 이온화된 Cu를 높은 에너지로 먼저 쏘아 넣은 뒤, 더 중성이고 에너지가 낮은 Cu로 Seed를 마무리하고, 그다음 전기 도금으로 채우는 순서를 기술한다. 제품 설명도 같은 생각을 말한다. Applied는 CuBS RF XT의 EnCoRe II RF XT Cu 챔버가 새로운 Magnetron 움직임, 플럭스 제어, 높은 재스퍼터 비율로 고른 Seed를 입힌다고 하고, Cirrus HT Co에서는 웨이퍼의 음전압이 양이온이 된 금속을 좁은 구멍으로 이끌어 바닥에 기존보다 두세 배 두꺼운 Co를 쌓는다고 설명한다(회사 설명). Seed를 덮는 대신 구리를 데워 흘려 넣는 장비도 있다. Endura Amber는 차갑게 쌓은 Cu를 높은 온도에서 Reflow시키며, 한 번 하면 Via의 실효 종횡비를 줄이고 되풀이하면 Via를 채운다고 소개된다(회사 설명). 이온화 PVD의 물리는 3장(PVD)에서 다룬다. 아래 그림에서 부품을 하나씩 눌러 보자.

근거: Target, Shield, DC 전원, MFC, 회전하는 Magnetron, 히터 페디스털, 기본·작업 압력, RF Bias와 SIP 순서, Magnetron 움직임과 재스퍼터, Reflow의 온도 제어, Shield에 버려지는 원자와 Target 이용률, 직접 냉각 Target.

Target과 Shield는 쓰면서 닳고 쌓이는 부품이다. Applied는 Axcela의 D-source Magnetron이 Target 면 전체를 깎아 Target 이용률을 높이고, 챔버와 Target 설계로 튀어나온 원자를 Shield에 버리지 않고 웨이퍼에 더 모은다고 소개한다(회사 설명). Evatec은 직접 냉각하는 장수명 Target과, Target 수명 동안 균일도를 보정하는 Source를 내세운다(회사 설명). Target을 몇 kWh까지 쓰는지, 부품을 언제 바꾸는지는 회사와 공정마다 다르고 공개 자료로 확인하지 못해 이 장에서는 숫자를 적지 않는다.

도금 장비: 셀과 도금액

구리를 전기 도금으로 채우는 공정은 IBM이 처음 양산에 올렸다. Andricacos의 1999년 글은 IBM이 1997년 9월에 Cu 배선을 발표하고 1998년 6월에 출하했으며, 도금이 다른 방법보다 좋은 품질을 냈다고 적는다. 오늘날 이 일을 하는 장비로 Lam Research의 SABRE 제품군과 Applied Materials의 Raider ECD가 대표적이다. Lam은 SABRE가 Void 없는 채움, 높은 종횡비 구조의 아래에서 위로 채우기, 여러 Liner 위 직접 도금, 도금을 시작할 때의 Seed 보호, 좁은 가장자리 제외 폭을 갖췄다고 소개하고(회사 설명), 연차 보고서에서는 SABRE가 구리 배선으로의 전환을 앞장서 이끌었으며 로직용 Co 도금도 한다고 적는다. Applied는 Raider ECD가 300 mm 챔버에서 전류 밀도를 동적으로 바꾸고, 여러 영역으로 나눈 Anode 배열로 아주 얇고 저항이 큰 Seed 위에서도 도금하며, 이온 Membrane으로 도금액 수명을 늘린다고 소개한다(회사 설명). ACM Research는 연차 보고서에서 전공정 Cu 배선용 Ultra ECP map이 여러 Anode로 부분 도금해 아주 얇은 Seed 위의 채움을 개선한다고 적는다.

도금 셀 해부

도금 셀의 부품은 특허에서 가장 잘 보인다. Novellus가 1997년에 출원한 Clamshell(조개처럼 웨이퍼를 물어 잡는 홀더) 특허를 따라가 보자. 웨이퍼는 도금할 면이 아래를 향하게 놓인다. 가운데가 뚫린 컵(Cup)이 웨이퍼 가장자리를 받치고, 컵 안쪽 둘레의 부드러운 Seal(밀봉 고무)이 웨이퍼 면에 닿는다. Seal 바로 옆에는 전기 접점이 둘레를 따라 늘어서 있고, 회전축에 달린 Cone(누름판)이 뒤에서 웨이퍼를 눌러 Seal과 접점에 밀착시킨다. Seal은 도금액이 웨이퍼 가장자리와 뒷면, 접점에 닿지 못하게 막고, Seal 뒤 공간을 가압해 한 번 더 막는다. 접점은 여러 묶음으로 나눠 묶음 사이의 저항을 재서 접촉 불량을 잡아낸다. 돌아가는 축으로 전류를 넣는 일은 Slip ring이 맡는다. 접점이 웨이퍼 둘레에 고리 모양으로 늘어서므로 이 장에서는 이 접점 묶음을 Contact ring(웨이퍼 가장자리의 Seed에 전기를 대는 접점 고리)이라 부른다.

특허는 도금 중에 웨이퍼를 보통 20~150 rpm으로 돌려 기포가 갇히지 않게 하고 도금액의 물질 전달을 좋게 해 균일도를 높이며, Clamshell이 도금액을 벗어난 뒤에는 1000 rpm 이상으로 돌려 남은 액을 털어 낸다고 적는다. 300 mm 웨이퍼라면 가장자리 선속도는 20 rpm에서 0.31 m/s, 150 rpm에서 2.36 m/s, 1000 rpm에서 15.7 m/s다(계산. 특허는 이 rpm이 어떤 크기의 웨이퍼 기준인지 적지 않았다). Novellus의 2011년 연차 보고서도 SABRE 3D의 특징으로 밀봉된 마른 접점(Sealed dry contacts), Clamshell과 셀 설계, SmartDose 도금액 제어를 들었다.

Anode와 Membrane. Clamshell 아래에는 양극(Anode)이 있다. Novellus의 2000년 특허는 양극과 음극 사이에 다공성 화학 수송 장벽, 곧 Membrane(분리막)을 두어 양극 쪽 도금액인 Anolyte(양극액)와 웨이퍼 쪽 도금액인 Catholyte(음극액)를 나누는 구조를 기술한다. 이 장벽은 모든 화학종의 확산과 대류를 줄이지만 이온의 이동(Migration)은 허락해 전류는 흐른다. 목적은 첨가제가 양극에서 분해되는 것을 막는 것이다. 특허가 든 배경은 이렇다. 도금 불량은 흔히 가속제의 분해와 관련되고, SPS나 DPS 같은 가속제는 MPS 같은 단량체로 분해될 수 있으며, MPS가 조금만 있어도 아래에서 위로 채우기를 크게 해칠 수 있다. 유기 첨가제의 분해는 대부분 양극 표면에서 일어난다. 양극으로는 인을 0.02~0.04% 넣은 구리를 써서 단단한 표면 막을 만들고 입자를 줄일 수 있다. 첨가제가 각각 무엇을 하는지는 4장(Cu 다마신과 전기 도금)에서 다룬다.

여러 영역의 Anode. Semitool의 2008년 연차 보고서는 구리 펠릿 Anode와 Membrane 기술, 그리고 여러 Anode로 반지름 방향의 전류 밀도를 조절해 다음 공정인 CMP에 맞는 도금 두께 분포를 만든다는 설명을 담고 있다. 지금의 Raider와 ACM의 장비도 여러 영역의 Anode를 내세운다. 왜 영역을 나눌까. 전류는 가장자리의 접점으로 들어와 얇은 Seed를 따라 가운데로 퍼진다. Seed가 얇을수록 저항이 커서 가운데까지 가는 동안 전압을 잃고, 가장자리가 더 두껍게 도금되기 쉽다. 가운데 Anode에 전류를 더 주면 이것을 보정할 수 있다(원리에서 나온 해석).

EBR과 SRD. 도금이 끝난 웨이퍼에는 숙제가 하나 더 있다. PVD Seed는 소자 영역 바깥의 앞면 가장자리, 옆면, 뒷면 일부까지 묻는다. Clamshell은 도금액이 가장자리와 뒷면에 닿지 않게 막지만 이미 묻은 Seed는 남는다. Novellus의 EBR(Edge Bevel Removal, 가장자리 구리 제거) 특허는 웨이퍼를 돌리며 가장자리에 식각액을 흘려, 식각액이 앞면 가장자리에서 옆면을 거쳐 뒷면 가장자리로 흐르게 하고 소자 영역에는 튀지 않게 하는 모듈을 기술한다. 뒷면도 보통 함께 식각하고, 그 뒤 헹구고 말린다. 특허가 든 이유는 구리가 실리콘 산화막 속으로 쉽게 확산한다는 것이다. 헹군 뒤 빠르게 돌려 말리는 단계를 흔히 SRD(Spin Rinse Dry, 회전 헹굼·건조)라 부른다. Semitool의 Raider는 Seed 보강 도금, 채움 도금, 뒷면 세정, 가장자리 세정, 막 두께 계측, 급속 열처리를 한 장비에 통합할 수 있었고, 세정 챔버가 가장자리와 뒷면의 구리를 없애 구리 오염을 막는다고 적었다. 이 플랫폼은 공정 챔버를 14개까지 붙일 수 있었고, ECD 장비에는 보통 10~12개를 넣었다.

근거: Clamshell, Seal, 접점 묶음, Cone, Slip ring, 20~150 rpm과 1000 rpm 이상, Membrane과 P 함유 Cu Anode, EBR과 뒷면 식각, 헹굼·건조, 한 장비 안의 세정·계측·열처리. 도금 두께는 Faraday 법칙 \(v = jM/(nF\rho)\)로 계산했다. 패러데이 상수, Cu 원자량 63.546, Cu 밀도 8.96 g/cm³.

도금액을 재는 법: CVS

도금 셀이 웨이퍼를 처리하는 동안 도금액도 늙는다. 첨가제는 막에 섞여 들어가고 양극에서 분해되며, 분해 생성물은 쌓인다. 그래서 도금액의 첨가제 농도를 재서 모자란 만큼 채워야 한다. 표준 방법은 CVS(Cyclic Voltammetric Stripping, 순환 전압 전류 스트리핑)다. Metrohm의 백서에 따르면 CVS와 CPVS는 회전 원판 전극(RDE)에 구리를 도금했다가 다시 녹여 내는 데 드는 전하 Q를 잰다. CVS는 전압을 일정한 속도로 쓸고, CPVS는 전위를 계단처럼 바꾼다. 첨가제의 효과는 구리가 쌓이기 시작하는 순간에 가장 잘 보이고, 이 방법은 지난 30년 동안 인쇄 회로 기판과 웨이퍼 도금 업계의 표준이었다고 백서는 적는다. 1978년 Tench와 Ogden은 '새로운 전압 전류 스트리핑 방법'을 피로인산 구리 도금액의 광택제(Brightener) 농도 측정에 적용한 논문을 냈다(서지 정보만 확인).

첨가제마다 재는 법이 다르다. 전류를 억제하는 막을 만드는 억제제(Suppressor, Carrier)는 첨가제가 없는 용액에 억제제를 더해 가며 스트리핑 봉우리가 줄어드는 정도를 보는 희석 적정(DT)으로 잰다. 가속제(Accelerator, Brightener)는 표준 용액을 더해 가며 Q의 직선 응답을 쓰는 MLAT로, 튀어나온 곳의 도금을 누르는 평탄제(Leveler)는 응답 곡선(RC) 방법으로 잰다. 전극을 담그려면 시료가 적어도 15 mL 필요하고, 한 도금액에서는 가속제 응답이 CPVS로 3 mL/L까지, CVS로는 1.0 mL/L까지만 직선이었다. 이런 분석기는 도금 장비 옆에 붙는다. KLA는 Quali-Line Prima 2가 첨단 노드의 구리 다마신 도금액을 분석하고 제어하며 도금 장비와 연동하고, Quali-Line Quanta가 BEOL·MOL의 Co 도금을 맡는다고 소개한다(회사 설명). 장비 쪽에서는 Semitool이 도금액 성분을 자동으로 분석하고 보충하는 ACMS가 보통 ECD 장비 두 대를 맡는다고 적었고, Lam은 Triton이 온라인 주입과 화학 모니터링 시스템을 붙일 준비가 되어 있다고 소개한다. 아래 시뮬레이터에서 분석 주기와 Membrane, 일부 교체(Bleed and feed)를 바꿔 가며 도금액을 닷새 동안 관리해 보자.

근거: 양극에서의 첨가제 분해, MPS가 채움을 해친다는 점, Membrane, Bleed and feed의 폐액과 연속 분석, CVS의 원리, 자동 분석·보충 장치.

CMP 장비: 누르고, 돌리고, 멈추고, 씻는다

Applied Materials는 CMP 장비가 하는 일을 이렇게 설명한다. 웨이퍼 뒷면 전체에 누르는 힘(Downforce)을 주어 앞면을 화학 약품과 연마 입자가 공급되는 회전 패드에 대고 누른다. 300 mm 웨이퍼 어디서나 맞는 두께를 남기려면 위치마다 누르는 힘을 달리하고, 정확한 순간에 멈춰야 한다. 회사의 제어 시스템은 웨이퍼 여러 지점의 막 두께를 계속 재며 1초에 여러 번 누르는 힘을 고친다. 씻고 헹구고 말리는 연마 뒤 세정까지 포함해 전체 공정이 빠르면 60초에 끝난다(회사 설명). 같은 회사의 블로그는 CMP가 처음에 Al 배선용 SiO₂ 평탄화와 W 플러그 형성에 쓰였고, 이어 Cu Dual damascene에서 결정적인 공정이 되었다고 정리한다. 이 설명 안에 장비의 부품이 다 들어 있다.

Platen, Pad, Conditioner

회전하는 원판인 Platen(연마 정반) 위에 연마 Pad(연마 패드)를 붙인다. DuPont 페이지는 IC1000 패드가 오랫동안 업계 표준으로 여겨진 단단한 패드로 Bulk Cu, W, STI, 산화막, 마무리(Buff) 연마에 쓰인다고 소개한다(회사 설명). 패드 표면은 쓰는 동안 반들반들해져(Glazing) 덜 깎게 되므로 주기적으로 긁어 되살려야 한다. 그 일을 하는 것이 Conditioner(패드 표면을 되살리는 다이아몬드 디스크)다. 3M의 A165P는 지름 4.25인치 원판에 251 µm 크기의 다이아몬드를 정해진 간격으로 한 층 박은 제품으로, 패드 표면을 새로 만들어 돌기를 일정하게 유지한다고 소개된다(회사 설명).

Carrier head: 영역마다 다르게 누르기

웨이퍼를 붙잡고 누르는 것은 Carrier head(연마 헤드)다. Applied의 1996년 우선일 특허는 짐벌(Gimbal)과 유연한 Membrane을 갖춘 Carrier head를 기술한다. Membrane이 머리 아래에 가압할 수 있는 방을 만들고, 그 아랫면에 웨이퍼가 붙는다. 2000년 우선일의 다음 특허는 Membrane을 가운데 원판과 여러 동심원 고리로 나눠 가압 방을 여러 개 만든다. 5개의 방을 따로 제어해 반지름 영역마다 다른 압력을 주고, 다른 원인으로 생긴 연마 속도의 불균일과 들어오는 막의 두께 불균일을 보정한다. Applied는 200 mm 장비 Mirra의 Profiler와 Titan Contour 헤드가 웨이퍼 가장자리 3 mm 안까지 제거량을 맞춘다고 소개한다(회사 설명). 압력과 제거 속도의 관계는 실용 범위에서 대체로 Preston 식 \(R = K P V\)를 따른다. 압력을 올린 영역은 그만큼 빨리 깎인다. 아래 예측 문제에서 영역 압력을 직접 정해 보자.

Endpoint: 다 깎았는지 어떻게 아나

들어오는 Cu 두께와 패드 상태는 웨이퍼마다 다르다. 정해진 시간만큼 깎으면 어떤 웨이퍼는 구리가 남고 어떤 웨이퍼는 너무 깎인다. 그래서 연마하는 동안 신호를 보며 끝나는 순간, 곧 Endpoint(연마 종료점)를 찾는다. 특허에 기술된 방법은 크게 세 가지다.

1. 모터 전류(마찰). 막이 걷히고 다른 물질이 드러나면 웨이퍼와 패드 사이의 마찰이 바뀌어, 웨이퍼나 패드를 돌리는 모터의 전류가 바뀐다(Micron, 1991).
2. 광학. 패드의 덮개층과 받침층을 뚫은 구멍에 거의 투명한 폴리우레탄 마개(창)를 끼우고, Platen 아래의 레이저 간섭계가 이 창으로 웨이퍼를 본다(Applied, 1995년 우선일). 넓은 파장의 빛으로 반사 스펙트럼을 보는 방법도 제품 웨이퍼의 W, Cu, STI, 층간 절연막 연마에 쓰였다.
3. 와전류(Eddy current). 패드 아래 페라이트 코어 코일이 교류 자기장을 웨이퍼로 보내 전도성 막에 와전류를 만들고, 구동 신호와 측정 신호의 위상 차를 본다. 한 구현의 공진 주파수는 약 50 kHz~10 MHz, 예를 들어 2 MHz다(Applied, 2000년 출원).

Applied의 현재 제품은 FullVision XE와 RTPC XE에서 넓은 파장 분광 또는 Hall 효과 와전류 감지(페이지 표현 그대로)로 Endpoint와 두께 분포를 제어하고, 특허받은 Window-in-pad 기술을 내세운다(회사 설명). 그런데 두 센서가 같은 순간을 서로 다르게 알린다. 와전류가 구리 막에 왜 잘 맞는지 계산해 보면 이유가 보인다.

0.5 µm 깊이 구조 위의 Overburden은 적어도 약 0.7~0.8 µm다. 막이 표피 깊이보다 수십 배 얇으니 자기장은 막 전체를 지나고, 와전류 신호는 남은 구리의 양을 따라 연마 내내 서서히 줄어든다. 반면 빛은 구리 표면에서 대부분 반사되므로 광학 신호는 구리가 조금이라도 덮고 있는 동안에는 거의 바뀌지 않다가, 아래층이 드러나는 동안 크게 바뀐다. 모터 전류는 드러난 면적만큼 마찰이 바뀌지만 잡음과 느린 표류가 섞인다(원리에서 나온 해석). 아래 도전 문제에서 세 신호를 보며 직접 멈춰 보자.

근거: 모터 전류, 패드 창과 레이저 간섭계, 넓은 파장 반사, 와전류의 코일과 주파수, 제품의 실시간 Endpoint·두께 제어.

Post-CMP cleaner와 장비의 모양

연마가 끝난 웨이퍼에는 슬러리 입자와 연마 부스러기가 붙어 있다. 그래서 CMP 장비는 연마부 뒤에 Post-CMP cleaner(연마 뒤 세정부)를 함께 둔다. Applied의 Desica 세정기는 웨이퍼를 액에 완전히 담갔다가 꺼내며 Marangoni 증기로 말려 물 얼룩 결함을 거의 없앤다고 소개되고, Ebara의 F-REX300XA는 여러 단계의 화학 세정을 거쳐 마른 웨이퍼를 내보낸다(회사 설명). 세정의 기본 도구는 솔과 초음파다. TI의 특허는 뒷면에 남은 CMP 슬러리를 질산·불산·인산을 섞은 순수에 Megasonic을 걸어 씻고, 솔로 문지른 뒤 Megasonic을 건 순수로 헹구는 순서를 기술한다. PVA 솔 세정의 마찰을 실시간으로 잰 연구는 세정액의 pH와 솔 압력이 윤활 상태를 바꾸고, 웨이퍼 회전과 솔 진동이 겹치면 직관과 다른 마찰 경향이 나온다고 보고했다. KCTech은 CMP 장비의 Brush box나 Platen에서 쓰는 Post-CMP 세정액으로 Cu 슬러리용과 W 슬러리용 제품을 소개한다.

Cu CMP는 보통 Bulk Cu 제거, Barrier 제거, Overpolish처럼 여러 단계로 나눈다. 그래서 한 장비에 Platen을 여러 개 두고 웨이퍼를 차례로 옮긴다. Applied는 Reflexion LK를 업계에서 유일한 3 Platen 순차 연마 플랫폼이라고 부르고, Reflexion LK Prime은 연마 패드 4개, 연마 헤드 6개, 세정 챔버 8개, 건조 챔버 2개로 모듈이 LK의 7개에서 14개로 늘었으며, 처리량이 이전의 최대 두 배라고 소개한다. 스테이션마다 순차, 병렬, 배치 방식으로 쓸 수 있어, 예를 들어 오래 걸리는 3D NAND 연마를 여러 Platen에 나눈다(회사 설명). 장비마다 공식 페이지에 적은 구성은 다음과 같다.

W·Co·Ru·Mo 증착 장비

콘택과 W 플러그의 W는 CVD와 ALD로 쌓는다. 대표 장비는 Lam Research의 ALTUS 제품군이다. Lam은 ALTUS가 스테이션 네 개를 한 모듈에 둔 QSM(Quad Station Module)에서 웨이퍼를 차례로 옮기며 스테이션마다 다른 온도로 쌓을 수 있고, 특허받은 다중 스테이션 순차 증착(MSSD) 구조에서 PNL(Pulsed Nucleation Layer, 펄스 핵 생성층) ALD로 핵을 만든 뒤 같은 장비 안에서 CVD로 채운다고 소개한다. 페디스털은 진공으로 웨이퍼를 붙잡는 고온 세라믹으로 뒷면에 막이 쌓이지 않게 하고, 원료 앰플을 공정을 멈추지 않고 바꾸는 서브팹 승화 캐비닛을 둔다(회사 설명). Novellus의 2011년 연차 보고서도 MSSD 덕분에 핵 생성층과 CVD 채움을 같은 챔버에서 한다고 적었고, ALTUS ExtremeFill은 100%가 넘는 단차 피복이 필요한 2x nm와 3D 구조의 채움을 겨냥한다고 했다.

PNL은 무엇일까. Novellus의 2001년 우선일 특허는 환원 기체와 W 원료 기체를 번갈아 넣어 W 핵 생성막을 만들고, 한 사이클마다 한 원자층 이상이 쌓여 높은 종횡비 콘택에서 단차 피복이 좋아진다고 기술한다. 두 기체를 함께 흘리던 종래 방식과 다른 점이다. 다른 Novellus 특허는 PNL을 약 350 °C 이하에서 하고, 핵 생성층은 벌크 W보다 비저항이 커서 가능한 한 얇아야 한다고 적는다. 핵 생성과 Seam의 물리는 6장(콘택)에서 다룬다.

Applied와 TEL, 원익IPS의 W 장비. Applied의 W 제품은 Liner와 핵 생성층을 줄이는 쪽으로 이름이 붙어 있다. Endura Volta W CVD는 챔버 하드웨어와 특별한 화학으로 W-탄소 막을 쌓아 Liner와 핵 생성층을 겸하게 하고, 이 막이 절연막에 붙으며 벌크 단계의 불소 확산을 막는다고 설명한다. 회사는 이 막의 비저항이 TiN 같은 표준 Liner보다 70% 넘게 낮고, 임계 치수와 공정 흐름에 따라 콘택 저항을 최대 90% 낮춘다고 주장한다(회사 설명). Volta Selective W CVD는 표면 처리 챔버와 선택적 W 챔버로 금속 위에만 W를 아래에서 위로 키워 Liner·Barrier와 핵 생성층을 없앤다고 소개되고, Centura iSprint SSW는 입구가 막히기 쉬운 곳의 W 성장을 처리 단계로 조절해 아래가 먼저 자라게 한다. Endura Ioniq W PVD는 TiN Liner, W 핵 생성층, 벌크 W로 이어지던 기존 묶음을 PVD W Liner와 벌크 CVD W로 바꾸고 사전 처리부터 한 고진공 플랫폼에서 이어 한다고 소개되고, Endura iLB는 W 플러그용 Liner/Barrier를 입히며 라디칼로 돕는 ALD(Centinel RE-ALD) TiN의 피복이 90%를 넘는다고 소개된다(회사 설명). TEL의 Triase+ W는 WF₆를 쓰는 300 mm 매엽 W CVD 장비로, 웨이퍼를 빨리 데우고 식히며 플라즈마 없는 챔버 세정을 쓰고 콘택 플러그와 Via 채움에 쓰인다고 소개된다. 다만 회사의 비교표는 Triase+ 모든 모델을 '인증 중고(Certified used)'로 표시한다. 국내에서는 원익IPS가 NOA 제품에서 Ti/TiN과 W의 ALD·CVD를 다룬다고 소개한다.

Co, Ru, Mo. 새 금속을 위한 장비는 대부분 발표된 지 몇 년 되지 않았고, 아래 숫자는 모두 회사가 고른 구조에서 잰 회사 발표다. 독립된 비교 자료가 아니다.

• Co. Applied는 2014년 Endura Volta CVD Cobalt를 발표하며, Pre-clean, PVD Barrier, CVD Co Liner, Cu Seed를 같은 플랫폼의 초고진공에서 입히고 CMP 뒤에 선택적 CVD Co Cap을 올리는 두 단계를 내놓았고, 소자 신뢰성이 80배 넘게 좋아진다고 주장했다. 지금 페이지는 Liner와 Cap이 20 Å 미만이고 선택적 Cap의 선택비가 100:1을 넘으며, 배선 저항을 올리거나 TDDB를 해치지 않고 EM을 한 자릿수 개선한다고 적는다. 콘택과 배선을 아예 Co로 채우는 흐름(PVD Co → CVD Co → 어닐 → PVD Co → Co용 슬러리 CMP)도 제품 묶음으로 소개된다. Lam은 SABRE로 로직용 Co를 도금할 수 있다고 연차 보고서에 적는다.
• Ru. Applied의 Endura CuBS IMS는 Volta Ru CVD를 더해 RuCo 두 겹 Liner를 20 Å 미만으로 줄였다고 소개하며, CVD Co Liner는 3 nm 이하 소자에는 너무 두껍다고 적는다. 회사 블로그는 IMS를 2021년, 두 겹 Liner를 2024년으로 적는다.
• Mo. Lam은 2025년 2월 19일 ALTUS Halo를 발표하며 첨단 양산용 Mo ALD 장비로는 세계 처음이라고 주장했다. QSM에 새 ALD 기술을 더했고, 고르게 덮거나 선택적으로 아래에서 위로 채우며, 대부분의 경우 기존 W보다 저항이 50% 넘게 좋고, Mo는 접착층이나 Barrier가 필요 없다고 했다. 발표 당시 상태는 '모든 주요 칩 제조사와 인증·증산 중'이었다. Lam의 배선 페이지는 Mo ALD 양산의 과제로 높은 온도, 반응기와 공정 순서 설계, 정밀한 웨이퍼 온도 제어, 고체 Mo 원료의 대량 공급을 든다. Applied는 2026년 2월 10일 Centris Spectral Mo ALD를 발표하며, 단결정 Mo를 선택적으로 쌓아 자사 Volta Selective W 기준보다 콘택 저항을 최대 15% 낮추고, 반응기 네 개 구조에 시간 분할과 공간 분할 ALD 하드웨어를 넣었다고 주장했다.

같은 과제, 곧 W보다 낮은 저항과 더 얇은 Barrier를 두 회사가 서로 다른 장비 구조로 푼다는 점을 눈여겨보자. 새 금속의 물성과 왜 바꾸는지는 8장(새 금속과 새 구조)에서 다룬다.

장비사 지도와 경쟁 구도

이 절은 세 가지 원칙으로 쓴다. 제품 이름은 회사 페이지에 적힌 그대로 옮긴다. 회사가 스스로 내세우는 말은 '회사 설명'으로 표시한다. 시장 지위와 경쟁에 대해서는 회사가 미국 증권거래위원회(SEC)에 낸 연차 보고서(10-K)에 적은 문장만 옮기고, 제3자 사이트에 떠도는 점유율 숫자는 쓰지 않는다. 이 장에서 읽은 공시 문서 가운데 PVD, 도금, CMP 장비의 점유율 숫자를 밝힌 것은 없었다.

회사의 계보: 인수와 합병

금속 배선 장비의 지도는 두 번의 거래로 크게 바뀌었다. Applied Materials는 2009년 12월 21일 Semitool 인수를 마쳤다(주당 현금 11.00달러). 보도자료는 인수 이유로 웨이퍼 패키징 시장과 서로 보완하는 장비를 들었고, 제품 이름은 적지 않았다. Semitool의 2008년 연차 보고서는 Raider 플랫폼을 설명하고, Applied는 지금 Raider ECD를 판다. 이름이 같고 두 문서가 모두 위치를 가르치지 않아도 되는 로봇(No-teach)을 내세우므로 지금의 Raider가 Semitool Raider를 이었다고 보는 것이 자연스럽지만, 그 계보를 직접 적은 Applied 문서는 찾지 못했다(추정). Lam Research는 2012년 6월 4일 Novellus Systems와의 합병을 마쳤다. Novellus의 2011년 연차 보고서는 SABRE, SABRE 3D, ALTUS, INOVA를 자사 제품으로 적고, 1999년 우선일의 Novellus 특허는 SABRE를 'Novellus의 Clamshell 전기 도금 장치'라고 부른다. 지금 Lam이 파는 SABRE와 ALTUS가 이 계보를 잇는다는 것도 이름과 시기로 보는 추정이며, 이 장에서 읽은 Lam 문서가 계보를 직접 적지는 않는다.

PVD에서는 한 가지가 눈에 띈다. Lam의 현재 증착 제품 페이지는 ALTUS, Kallisto, Phoenix, Prestis, Reliant, SABRE 3D, SABRE, SOLA, SPEED, Striker, Triton, VECTOR를 올려 두었고 PVD 스퍼터 장비는 없다. 연차 보고서의 제품표도 금속막에 ECD(SABRE)와 CVD/ALD(ALTUS)만 적는다. 합병 전 Novellus는 Hollow Cathode Magnetron(HCM) Source를 쓴 300 mm PVD 장비 INOVA NExT를 팔았다. 국내 장비사 가운데 이 장에서 제품 목록을 읽은 원익IPS에도 PVD 스퍼터 장비는 없었고, 금속 ALD·CVD 장비 NOA가 있었다.

공시 문서에 적힌 경쟁

표에서 읽을 수 있는 것은 두 가지다. 첫째, 같은 시장을 회사마다 다르게 묶는다. Lam은 '절연막·금속 증착', Novellus는 'W-CVD, ECD, PVD'처럼 공정별로, ACM은 '세정·도금·퍼니스'로 묶었다. 둘째, ACM은 같은 보고서에서 ECP(전공정과 패키징), 퍼니스, 기타 기술의 2025년 매출을 1억 9,960만 달러(전체의 22.1%)로 적는다. 이것은 회사 자신의 매출이지 시장 점유율이 아니다. 아래 지도에서 공정별로 어느 회사가 무엇을 내놓는지 찾아보자.

근거: Applied Materials, Lam Research, Tokyo Electron, ULVAC, Evatec, Ebara, ACM Research, KCTech, 원익IPS, KLA, Metrohm, DuPont/Qnity, 3M. 카드 설명 속 번호는 이 장 끝 참고문헌 번호와 같다.

안전과 오염 관리: 구리를 가두는 장비

구리는 배선에서는 고마운 금속이지만 실리콘 소자에는 위험한 오염원이다. 실리콘 격자 사이로 들어간 구리는 확산이 매우 빨라 상온에서도 움직인다. RIT(로체스터 공과대학) 반도체 공정 실습실의 규칙은 이를 장비 운영의 언어로 옮긴다. 구리는 낮은 온도에서도 실리콘 속에서 잘 움직여, 적은 양으로도 운반자 수명을 줄이고 게이트 산화막을 일찍 망가뜨린다. HF 같은 약액조를 거쳐 웨이퍼에 붙은 구리가 고온 퍼니스로 들어가면 석영관과 히터를 오염시키고, 그곳에서 다른 웨이퍼를 계속 오염시킨다. 그래서 구리는 높은 오염 위험 등급으로 엄격히 관리되고, 구리가 있는 기판은 아주 적은 장비에만 들어갈 수 있으며, 사용자는 공정 흐름을 먼저 제출해야 한다. 구리 식각액은 실습실 배수구에 버리지 않고 전용 폐액 용기에 모은다.

장비는 구리가 웨이퍼의 가장자리와 뒷면에 묻어 다른 곳으로 옮겨 가지 않도록 여러 겹으로 막는다. 도금 셀의 Seal은 도금액이 가장자리와 뒷면, 접점에 닿지 않게 막고, EBR과 뒷면 식각은 PVD로 묻은 구리를 지운다. Semitool은 Raider에 통합한 가장자리·뒷면 세정이 구리 오염을 없애기 위한 것이라고 적었고, Lam은 Triton의 응용에 뒷면·가장자리 식각을 적는다. CMP 뒤에는 뒷면 슬러리를 Megasonic과 솔로 씻는다. 계측 장비도 예외가 아니다. LSI Logic의 특허는 구리 웨이퍼에 닿은 측정 탐침이 구리를 옮기는지 확인하려고, 작은 실리콘 조각(Waferette)에 탐침을 되풀이해 대며 구리 신호가 줄어들 때까지 보는 방법을 기술한다.

폐액도 관리 대상이다. 도금액을 일부 버리고 새 액을 넣는 Bleed and feed는 폐액이 많이 나오고, 그 폐액은 환경 문제가 되며 처리 비용이 크다. 장비 회사가 Membrane으로 도금액 수명을 늘린다고 내세우는 이유가 여기에 있다. 구리 폐수의 배출 기준(미국 연방 규정, 국내 물환경보전법)은 이 장에서 읽지 않았으므로 숫자를 적지 않는다.