PVD: 스퍼터링과 Barrier·Seed

원자를 두들겨 떼어 내기: 스퍼터링

PVD(Physical Vapor Deposition, 물리 기상 증착)는 고체 원료를 화학 반응 없이 물리적인 방법으로 원자 상태로 만들어 웨이퍼에 쌓는 방법이다. 원료를 데워 날려 보내는 증발(Evaporation)과, 이온으로 원료를 두들겨 원자를 떼어 내는 스퍼터링(Sputtering)이 있다. 증발은 약 5×10⁻⁷ Torr의 높은 진공에서 하는데, 이때 기체 분자의 평균 자유 행로는 약 100 m라서 원자가 원료에서 웨이퍼까지 곧장 날아간다. 그 대신 합금의 조성을 맞추기 어렵고, 단차를 잘 덮지 못하며, 증착 직전에 웨이퍼 표면을 그 자리에서 청소할 수 없다. 반도체 배선에서 스퍼터링으로 입히는 막은 쓰임새가 넓다. 확산 방지막, 접착층, Seed, 주 도체, 반사 방지막, 식각 정지막이 모두 여기에 든다.

스퍼터링 장비의 뼈대는 간단하다. 진공 챔버에 Ar 같은 비활성 기체를 2~100 mTorr 정도 채우고, 쌓고 싶은 금속으로 만든 판인 Target에 음의 전압을 건다. 그러면 기체 속에서 방전이 일어나 플라즈마가 생기고, 플라즈마 속의 Ar⁺ 이온이 전기장에 끌려 Target을 세게 때린다. 이때 떨어져 나온 금속 원자가 맞은편의 웨이퍼에 쌓인다. 이 방전은 압력이 대략 1~10 mTorr보다 높고 100 mTorr보다 낮을 때만 스스로 유지된다. 압력이 너무 낮으면 전자가 기체와 부딪힐 기회가 적고, 너무 높으면 전자가 충돌과 충돌 사이에 Ar을 이온화할 에너지(약 16 eV)까지 가속되지 못한다. 이렇게 만든 플라즈마에서도 이온이 되는 Ar은 0.1~1%뿐이다. TiN 같은 질화막은 질소처럼 반응하는 기체를 섞어 넣는 반응성 스퍼터링으로 만든다.

Target에서 원자를 떼어 내는 힘은 열이 아니라 운동량이다. 당구공을 생각하면 된다. 질량 \(M_1\)인 이온이 멈춰 있는 질량 \(M_2\)의 원자와 부딪혀 원자를 각도 \(\theta\) 방향으로 밀어낼 때, 이온이 넘겨주는 에너지의 비율은 다음과 같다.

원자량(Ar 39.95, Al 26.98, Cu 63.55, Ta 180.95)을 넣어 정면 충돌의 비율을 계산하면 Ar → Al은 0.962, Ar → Cu는 0.948로 거의 다 넘겨주지만, 무거운 Ta에는 0.593만 넘어간다. 볼링공에 탁구공을 던지는 쪽에 가깝기 때문이다. 실제로는 한 번의 충돌로 끝나지 않는다. 이온에 밀린 원자가 다시 이웃 원자를 밀고, 이 충돌 연쇄의 일부가 표면 쪽으로 되돌아와 표면 원자를 결합 밖으로 밀어낸다.

이온 하나가 평균 몇 개의 원자를 떼어 내는지를 스퍼터 수율(Sputter yield, S)이라 한다. Ar⁺ 하나에 보통 0.1~3개다. 흥미롭게도 원소마다의 수율 차이는 증기압 차이보다 훨씬 작다. 증발은 합금의 조성을 맞추기 어렵다고 했는데, 원소마다 증발하는 정도가 크게 다르기 때문이다. 스퍼터링은 그 차이가 작아 합금 Target의 조성을 지키기 쉽다(원리에서 나온 해석). 1 keV보다 낮은 에너지에서 수율은 Sigmund의 식으로 어림한다.

에너지가 너무 낮으면 원자 하나도 떼어 내지 못한다. 이 문턱 에너지(Threshold energy)는 재료에 따라 대략 10~30 eV다. 수율은 이온이 들어오는 각도에도 따르고, 튀어나온 원자는 표면의 법선 둘레로 대략 cosine 분포를 그리며 퍼진다. 스퍼터된 원자는 10~50 eV의 에너지로 웨이퍼에 도착한다. 증발한 원자의 열에너지(kT ≈ 0.1~0.2 eV)보다 훨씬 커서, 표면에 내려앉은 뒤에도 잘 움직인다. 아래 애니메이션에서 Target 재료와 이온 에너지를 바꾸며 수율을 직접 세어 보자.

500 eV 수율의 근거: 이온원 제조사 SPECS의 기술 노트 표 2에는 500 eV Ar⁺, 1 mA/cm²로 수직으로 때릴 때 측정한 스퍼터 속도가 Cu 818, Al 630, Ta 380, Ti 336 Å/min으로 실려 있다. 같은 노트의 식 \(z/t = M S j/(\rho N_A e)\)를 거꾸로 써서 몰질량, 밀도, 패러데이 상수 \(N_A e\)를 넣어 계산하면 수율은 Cu 약 1.9, Al 약 1.0, Ta 약 0.56, Ti 약 0.51이다. 노트의 표 1에 따로 실린 500 eV 실험 수율 Al 0.95, Ti 0.55와 잘 맞는다. 노트도 경고하듯 발표된 수율 값은 자료마다 차이가 있어 정밀한 계산에는 조심해야 한다.

Ta가 Cu보다 덜 떨어지는 이유는 Sigmund 식으로 짐작할 수 있다. 무거운 Ta는 Ar에게서 에너지를 덜 넘겨받는다(정면 충돌 0.593 대 0.948). 수율은 이 비율에 비례하므로 이것만으로도 Ta 쪽이 작아지고, 표면 결합 에너지 \(U_0\)까지 다르면 차이는 더 벌어진다. 같은 이온 전류를 넣어도 Ta Target에서 나오는 원자는 Cu보다 적다는 뜻이다(원리에서 나온 해석). 수율이 원소마다 다르다는 사실은 뒤에서 Barrier의 결정 구조를 바꾸는 손잡이로 다시 등장한다.

마그네트론: 전자를 붙잡아 플라즈마를 진하게

Target에 전압만 거는 단순한 방전에는 약점이 있다. 이온을 만드는 일은 전자가 하는데, 전자는 가벼워서 Ar과 몇 번 부딪히지도 않고 금세 벽으로 빠져나간다. 그래서 이온이 적고, 증착이 느리다. 이 문제를 푼 것이 마그네트론(Magnetron)이다. Target 뒤에 자석을 두어 Target 표면 가까이에 자기장을 만든다. 자기장이 Target 면과 나란하고 전기장이 Target 면에 수직인 곳에서 전자는 두 장 모두에 수직인 방향으로 표류한다. 이 E×B 표류(E×B drift)의 길이 고리처럼 닫혀 있으면 전자는 Target 앞을 빙빙 돌며 Ar을 계속 이온화한다. 그 고리를 따라 플라즈마가 가장 진하고 스퍼터가 가장 빠르며, 깎여 나간 자국이 경주로처럼 남아 Racetrack이라 부른다.

자기장은 왜 전자만 붙잡을까? 전하 \(q\), 질량 \(m\), 속력 \(v\)인 입자가 자기장 \(B\) 속에서 그리는 원의 반지름은 다음과 같다.

0.1 T에서 약 6×10⁶ m/s로 움직이는 전자의 회전 반지름은 1 mm도 안 된다. 이 속력은 약 100 eV에 해당한다. 같은 0.1 T, 같은 100 eV의 Ar⁺로 계산하면 회전 반지름은 약 9 cm다. 질량의 제곱근 비만큼, 곧 약 270배 크다. 자석은 전자만 Target 앞에 묶어 두고, 무거운 Ar⁺는 거의 휘지 않은 채 음극 전압에 끌려 Target으로 곧장 날아간다. 전자가 오래 머무르며 지나는 길이 길어지니 이온화가 늘고, Ar⁺가 많아진다.

숫자로 보면 차이가 크다. Stanford 강의 노트는 DC 마그네트론의 전류 밀도를 10~100 mA/cm²로, RF 스퍼터의 약 1 mA/cm²와 비교한다. DC 전원은 20 kW까지, RF는 약 3 kW다. Target과 웨이퍼 사이는 5~10 cm, 압력은 약 2~10 mTorr, 전극 전압은 수백 V이며, 웨이퍼는 보통 상온에 둔다. 금속처럼 전기가 통하는 Target에는 DC를, 절연물 Target에는 RF를 쓴다.

마그네트론의 대가는 Target이 고르게 닳지 않는다는 것이다. 플라즈마가 진한 Racetrack 아래만 깊게 파이고 나머지는 거의 그대로 남는다. 그런데 Target은 한 점이라도 다 깎여 뒤판이 드러나면 더는 쓸 수 없다. 넓은 면적 코팅용 마그네트론을 다룬 특허는 평면 Target의 이용률이 예컨대 40% 이하이고, Target을 원통으로 만들어 돌리면 90% 이상이 된다고 적는다. 웨이퍼 장비에서는 Target 뒤의 마그네트론을 모터로 Target 중심 둘레로 돌리는 것이 보통이다. 고리가 Target 위를 쓸고 지나가며 시간 평균으로 더 넓은 면을 깎게 하는 것이다. 아래 시뮬레이터로 확인해 보자.

날아가는 방향과 단차 피복

이제 원자가 웨이퍼에 도착하는 순간을 보자. 스퍼터링 압력(약 1~20 mTorr)에서 기체 분자의 평균 자유 행로는 수 cm다. 그런데 배선의 홈은 폭이 수십 nm에서 수 µm다. 홈 안에서 원자는 기체와 부딪히지 않고 곧게 날아가며, 부딪히는 상대는 웨이퍼 표면뿐이다. 약 5 mTorr에서 평균 자유 행로는 약 1 cm다. 그러니 홈 안의 한 점에는 그 점에서 보이는 하늘 쪽에서 날아온 원자만 쌓인다. 벽에 가린 방향에서 오는 원자는 그 점에 닿지 못한다. 이것을 그림자 효과라 한다. 그래서 홈의 아래 모서리에서 막이 얇아진다.

원자가 어떤 각도로 도착하는지는 \(F = F_0\cos^n\theta\)로 나타낸다. \(\theta\)는 웨이퍼 법선과 도착 방향 사이의 각이고, \(n = 1\)이면 모든 방향에서 고르게 오는 cosine 분포, \(n\)이 클수록 수직 근처로 모인다. Target이 크면 웨이퍼의 한 점이 여러 각도에서 원자를 받는다. 막이 얼마나 고르게 덮였는지는 단차 피복(Step coverage)으로 말한다. 이 장에서는 바닥 가운데의 두께를 윗면 두께로 나눈 값을 바닥 피복, 옆벽 두께를 윗면 두께로 나눈 값을 옆벽 피복이라 부른다. 홈 입구의 모서리에서 막이 안쪽으로 튀어나온 부분은 Overhang이다.

홈의 깊이 \(d\)를 폭 \(w\)로 나눈 값이 종횡비(Aspect ratio, AR)다. 길게 뻗은 트렌치의 바닥 한가운데에서 보이는 하늘은 \(|\theta| < \theta_m = \arctan\!\big(1/(2\,\mathrm{AR})\big)\)인 좁은 부채꼴이다. 단면에서 \(n = 1\)이면 바닥이 받는 몫은 \(\sin\theta_m\)이 된다(계산). 종횡비 1에서 이 값은 약 45%다. 종횡비가 커지면 어떻게 될까?

문제는 여기서 끝나지 않는다. 막이 쌓이는 동안 모양이 바뀌고, 그 모양이 다시 다음 원자의 길을 바꾼다. 홈 입구의 모서리는 위쪽 하늘과 옆쪽 하늘을 함께 보므로 가장 많은 원자를 받는다. 모서리에 쌓인 막이 홈 안쪽으로 자라 Overhang이 되면 입구가 좁아지고, 좁아진 입구는 바닥과 아래 옆벽을 더 가린다. 끝까지 쌓으면 양쪽 Overhang이 맞닿아 입구가 막히고, 그 아래에는 빈 공간이 갇힌다. 이것이 Pinch-off다. 압력이 낮아 cosine 분포 그대로 날아오는 원자는 단차 피복이 나쁘다. 압력을 올리면 기체 충돌로 방향이 흩어져 피복이 나아지지만, 막 속에 기체가 더 갇힌다. 아래 애니메이션은 원자 하나하나를 직선으로 날려 보내 홈 안에 쌓는다.

애니메이션의 윗면 막에 보이는 세로 틈도 실제 막과 닮은 데가 있다. 막의 구조는 기판 온도, 도착 원자의 에너지, 압력에 따라 달라진다. 온도와 에너지가 낮고 압력이 높으면 끝이 가늘어지는 결정 기둥 사이에 빈틈이 남는 성긴 막(구역 1)이 되고, 온도나 에너지를 올리면 촘촘한 기둥 구조를 거쳐 재결정된 구조로 바뀐다. 이것을 Thornton의 구역 모델이라 한다. 4절의 Bias처럼 막에 이온 에너지를 더하면 막의 밀도와 응력도 달라진다.

Stanford 강의 노트는 Overhang이 있는 홈 안에서 일어나는 표면 과정을 여섯 가지로 나눈다. 중성 원자의 직접 증착, 이온이 이끄는 증착, 붙지 않고 다시 튀어 나가는 방출, 이미 쌓인 막을 이온이 떼어 내는 재스퍼터(Resputtering), 떼어 낸 원자가 다른 곳에 다시 붙는 재증착, 그리고 거울처럼 튕기는 반사다. 위 애니메이션은 이 가운데 첫 번째만 넣은 것이다. 그런데도 Rossnagel이 정리한 PVD의 근본 한계가 그대로 보인다. 원자가 넓은 각도로 날아오기 때문에 깊은 구조에서는 피복이 나쁘거나 아예 없다.

방향을 맞추는 법: Collimator, Long throw, 이온화 PVD

문제의 뿌리가 넓은 도착 각도라면, 비스듬히 오는 원자를 줄이면 된다. 첫 번째 방법은 Target과 웨이퍼 사이에 구멍이 촘촘히 뚫린 판을 두는 Collimator다. 비스듬히 날아온 원자는 판의 구멍 벽에 붙고, 수직에 가까운 원자만 통과한다. 두 번째는 Target을 웨이퍼에서 멀리 떨어뜨리고 압력을 낮추는 Long throw다. 멀리 있는 Target은 웨이퍼에서 볼 때 좁은 각도에 들어오므로 원자도 수직 근처로 온다. 두 방법은 깊은 구조의 피복을 일부 개선했다. 그러나 Rossnagel은 두 방법 모두 효율이 낮고 비용이 크며 미세화를 따라가기 어렵다고 평가한다. Collimator 벽이나 먼 거리에서 잃은 원자는 웨이퍼에 쌓이지 않으므로 그만큼 증착이 느려진다(원리에서 나온 해석).

세 번째 방법은 원자의 방향을 거르는 대신 원자를 이온으로 만들어 끌어당기는 것이다. 이것이 이온화 PVD(Ionized PVD, I-PVD)다. Target에서 나와 날아가는 금속 원자를 이온화한 뒤, 웨이퍼 쪽 전위로 끌어 쌓는다. Rossnagel과 Hopwood는 마그네트론 Target과 시료 사이에 RF 유도 결합 플라즈마 코일을 넣어 스퍼터된 금속의 상당 부분을 이온화했다. 이온화율은 수 mTorr에서는 낮지만 25~35 mTorr에서 80% 이상으로 올랐고, 시료에 건 음의 Bias가 금속 이온을 수직 입사로 가속했다. 기판에 RF Bias를 걸면 도착 각도 분포가 좁아져 깊은 콘택의 바닥을 덮는 데 쓸모가 있다.

왜 Bias가 각도를 좁힐까? 이온은 플라즈마에서 몇 eV 정도의 옆 방향 열에너지를 갖고 웨이퍼 앞의 전압 강하로 들어온다. 전압 강하를 지나며 수직 방향 에너지만 수십~수백 eV로 커지니, 도착 각도는 대략 \(\tan\theta \approx \sqrt{E_\perp / E_\parallel}\)로 작아진다(원리에서 나온 해석). 대신 이온이 세게 들어오면 이미 쌓인 막도 떼어 낸다. 음의 웨이퍼 Bias는 막의 재스퍼터를 키우고, 막의 응력·비저항·밀도도 바꾼다. 바닥에서 떨어져 나온 원자는 바닥 법선 둘레로 cosine 분포를 그리며 퍼지므로, 깊은 홈에서는 상당수가 아래쪽 옆벽에 다시 붙는다. 수율은 이온이 들어오는 각도에도 따르므로, 이온이 비스듬히 때리는 입구 모서리의 경사면은 평평한 바닥과 다른 속도로 깎인다. 아래 학습용 모델은 비스듬할수록 더 잘 깎이게 두었다. 그래서 Bias는 바닥의 막을 아래 옆벽으로 옮기고 Overhang을 깎는 손잡이가 된다. 다만 너무 세면 떼어 내는 양이 쌓이는 양을 앞질러 윗면에는 막이 잘 남지 않고, 떼어 낸 원자가 홈 안에 다시 쌓여 옆벽이 지나치게 두꺼워질 수 있다(원리에서 나온 해석, 아래 학습용 모델에서 확인).

양산 장비는 이 생각을 여러 방식으로 구현했다. Applied Materials의 특허는 작업 기체 압력을 아주 낮추거나 없앤 상태(5 mTorr 미만, 바람직하게 2 mTorr 미만)에서 스퍼터된 Cu가 스스로 이온화되게 하는 SIP(Self-Ionized Plasma) 스퍼터를 설명한다. 예로 든 장비는 Target–웨이퍼 거리가 290 mm인 Long throw 구조다. 특허는 SIP 막이 높은 종횡비 구멍에서 위쪽 옆벽을 잘 덮고 Overhang이 잘 생기지 않으며, 웨이퍼 Bias가 이온화된 Cu를 구멍 깊이 끌어들인다고 적는다. 속도는 0.5~1.0 µm/min으로, 코일을 쓰는 IMP 방식의 0.2 µm/min 이하보다 빠르다고 주장한다. 특허에 기술된 내용이다. 또 다른 방식인 Hollow Cathode Magnetron은 컵 모양 Target 안쪽 벽에 나란한 자기장으로 닫힌 E×B 표류를 만들어, 수 mTorr에서 약 10¹¹ cm⁻³의 진한 플라즈마를 얻고 약 5:1 트렌치의 Barrier와 Cu Seed에 쓰인다. Applied Materials는 1998년에 TaN Barrier와 Cu Seed를 입히는 PVD 장비 Endura CuBS를 내놓았고, 2004년 말의 SIP EnCoRe II 챔버가 아주 깊고 작은 Via 바닥까지 ALD처럼 얇고 고른 막을 입힌다고 주장한다. 장비 구성은 9장에서 다시 본다. 아래에서 네 방식을 같은 트렌치에 비교해 보자.

Barrier와 Seed: 왜 두 겹을 깔까

Cu에는 큰 약점이 하나 있다. SiO₂ 속에서 아주 잘 움직인다. 절연막으로 들어간 Cu는 절연막의 누설 전류를 키우고, 실리콘에 닿으면 접합 누설을 키우며 항복 전압을 낮춘다. 전기장 아래에서 Cu 원자는 Cu⁺ 이온이 되어 절연막 속으로 표류해 공간 전하로 쌓인다. 이것은 바이어스와 온도를 함께 거는 BTS(Bias-Temperature Stress) 시험으로 확인하며, SiN과 산질화막이 더 나은 Barrier다. 예를 들어 Loke 등은 150~275 °C, 최대 1.5 MV/cm의 BTS로 여러 저유전율 고분자 속 Cu⁺ 표류를 재고, 얇은 질화막 Cap이 표류를 막을 수 있음을 보였다. 실리콘 속에서도 격자 사이의 Cu는 양전하를 띠고 확산이 매우 빨라 상온에서도 움직인다. 그래서 Cu 배선은 세 면을 금속 Barrier(Ta, TaN)로, 윗면을 절연 Barrier(SiN, SiC)로 감싼다. 동작 중 이웃한 배선 사이의 전기장이 Cu의 확산을 더 부추기기 때문이다.

Barrier에 요구되는 조건은 까다롭다. 아주 얇아도 Cu를 막아야 하고, 저항이 낮아야 하며, 화학적으로 안정하고, 높은 온도까지 결함이 없어야 한다. Pd, Cr, Ti, Co, Ni, Pt는 450 °C 아래에서 Cu와 반응해 Barrier로 나쁘다. Ta, Mo, W는 더 안정하지만 결정립계를 따라 Cu가 확산해 뚫린다. 그래서 결정립계가 없는 비정질 합금이 더 높은 온도까지 버틴다. 강의 노트는 Barrier와 Liner를 주로 PVD로 입히며, 단차 피복이 문제라고 적는다. 다마신 홈을 감싸는 이 피복층은 비저항이 크지만 Cu와 반응하지 않고 확산 방지막이자 접착층 역할을 한다. 절연막과 Cu 양쪽에 잘 붙어야 한다는 것도 중요한 조건이다.

양산의 답은 Ta/TaN 이중층(Ta/TaN bilayer)이었다. Tsao 등은 Ta/TaN 이중층이 Cu와 절연막 사이를 잘 이어 Cu 다층 배선에서 성능이 가장 좋다고 요약한다. 문제는 Ta의 결정 구조다. 체심 입방(bcc) 구조의 α-Ta는 비저항이 15~60 µΩ·cm인데, 정방정 구조의 β-Ta는 약 150~250 µΩ·cm로 열 배쯤 크다. 그런데 fcc TaN 위에 Ta를 쌓으면 β-Ta가 가장 흔히 생긴다. Tsao 등은 Ta를 쌓기 전에 TaN 표면을 Ar 이온으로 충분히 재스퍼터하면, 질소와 탄탈의 스퍼터 수율 차이 때문에 질소가 모자란 표면층이 생기고 그 위에 α-Ta가 바로 자란다는 것을 XRD와 비저항 측정으로 보였다. 1절의 스퍼터 수율이 여기서 결정 구조를 고르는 손잡이로 쓰인 셈이다.

Barrier의 또 다른 문제는 줄어들지 않는다는 것이다. 1997년 반도체 로드맵을 옮긴 표는 250, 180, 150, 130, 100, 70 nm 세대의 Barrier 두께를 100, 23, 20, 16, 11, 8 nm로 잡았다. 배선 폭은 세대마다 줄지만 Barrier는 Cu를 막으려면 일정 두께 아래로 내려갈 수 없다. 최근 imec 튜토리얼은 TaN을 약 1~1.5 nm까지 줄일 수 있지만 Barrier와 Liner를 합친 두께는 2~3 nm 아래로 내려가기 어렵다고 정리한다. Barrier는 비저항이 수백 µΩ·cm라 전류를 거의 나르지 않는다고 보면, 단면적이 \(A\)인 홈에서 Barrier가 \(A_b\)를 차지할 때 유효 비저항은 다음처럼 커진다.

근거: Cu 덩어리 비저항 1.67 µΩ·cm와 Barrier 단면 식, Ta의 두 상의 비저항 범위 α-Ta 15~60·β-Ta 150~250 µΩ·cm(시뮬레이터는 범위 안의 30과 200을 쓴다), Barrier가 전류를 나르지 않는다는 가정.

시뮬레이터에서 본 것처럼 β-Ta가 문제가 되는 곳은 주로 Via다. 선에서는 Barrier가 Cu와 나란히 있어 Barrier의 비저항이 열 배가 되어도 선 저항은 거의 그대로지만, Via 바닥에서는 전류가 Barrier를 가로질러야 하므로 Barrier의 비저항과 두께가 그대로 직렬 저항이 된다(원리에서 나온 계산). 그래서 Via 바닥의 Barrier는 얇을수록 좋고, 옆벽은 끊기지 않을 만큼은 있어야 한다. 4절의 Bias 재스퍼터가 바닥을 얇게 하고 옆벽을 두껍게 하는 방향이라는 점을 기억해 두자.

이제 두 번째 겹인 Seed다. 전기 도금은 절연막 위에서도, Barrier 위에서도 그대로는 일어나지 않는다. 그래서 얇은 Cu Seed를 먼저 입혀 도금이 자랄 바탕을 깐다. Seed는 PVD, CVD, ALD로 만들 수 있고, 도금된 Cu의 성질이 Seed에 따라 달라진다. (111) 방위가 강하고 표면이 매끈한 얇은 PVD Seed가 선호된다. Seed는 임계 두께 이상으로 끊김 없이 이어져야 하지만, 두꺼워질수록 Overhang이 입구를 막는다. SIP 특허는 Via 옆벽의 Cu Seed 두께로 2~20 nm를 제시한다. 도금이 이 Seed 위에서 어떻게 아래부터 위로 자라는지는 4장의 주제다.

홈이 더 좁아지면서 Barrier와 Seed 사이에 얇은 Liner를 넣는 방식도 나왔다. 예를 들어 CVD Ru Liner 위에 Cu를 직접 Seed로 입히고 도금하면, CVD Ru 위에 일반 PVD Cu Seed를 쓴 경우보다 배선 저항이 낮고 기존 PVD Cu Seed 없이 2X nm 트렌치를 Void 없이 채웠다는 보고가 있다. TaN에 Co Liner를 더한 구조도 쓰이지만, Barrier와 Liner를 합친 두께가 2~3 nm 아래로 내려가기 어렵다는 점이 Cu 배선의 한계로 남는다. Barrier가 필요 없는 금속은 8장에서 다룬다.

Barrier·Seed 레시피 짜기

이제 지금까지 본 것을 모두 묶을 차례다. 좋은 Barrier·Seed는 네 가지를 한꺼번에 만족해야 한다. Barrier는 옆벽 아래쪽까지 끊기지 않아야 하고 바닥에도 있어야 한다. Seed도 옆벽에서 끊기지 않아야 한다. 그러면서 입구는 도금액이 들어갈 만큼 열려 있어야 하고, Barrier가 단면을 너무 많이 먹어 선 저항을 키워서도 안 된다. 일반 PVD로 옆벽을 살리려고 두껍게 쌓으면 입구가 막히고, 이온화 PVD의 Bias를 너무 세게 걸면 떼어 낸 막이 홈 안에 다시 쌓여 Barrier가 단면을 먹고 입구가 좁아진다. 아래 도전에서 그 사이의 창을 찾아보자.