반도체 입문 · 14강
배선과 연마: CMP와 층층이 쌓는 금속
트랜지스터는 여러 층의 금속 배선으로 연결해야 쓸모가 있다. 배선용 홈을 어떻게 파고, 구리를 어떻게 채우고, 어떻게 평탄하게 연마하는지가 전기가 제대로 통하는지, 칩이 얼마나 빠르게 동작하는지를 결정한다.
학습 목표
- 칩이 왜 빌딩과 같은지, 즉 아래에는 트랜지스터가 있고 그 위로 배선이 층층이 쌓이며 비아와 콘택트로 위아래가 연결된다는 것을 설명할 수 있다.
- 구리는 왜 홈을 먼저 파고 채우는지(다마신), 왜 배리어층을 먼저 까는지, 구리가 묻은 장비와 웨이퍼를 왜 전단 공정(FEOL)과 분리하는지 설명할 수 있다.
- CMP로 왜 평탄화하는지, 어디서 연마를 멈추는지, 덜 갈거나 더 갈면 각각 어떻게 되는지, 배선이 왜 점점 칩의 속도를 늦추는지 설명할 수 있다.
한 단계씩
- 트랜지스터 위에 배선을 층층이 쌓고, 층과 층 사이를 비아로 연결한다.
이유스위치마다 결과를 다른 스위치로 보내야 하는데, 선이 너무 많아 한 층에 다 놓을 수 없다.
하지 않으면스위치를 연결하지 않으면 아무리 많아도 소용없다.
- 먼저 절연막을 깔고, 포토 공정과 식각으로 그 안에 홈과 구멍을 판다.
이유구리는 건식 식각으로 선 모양을 깎아 내기 어려우므로, 절연막을 대신 깎고 구리를 채워 넣는다(다마신).
하지 않으면구리를 직접 깎으면 반응 생성물이 표면에 달라붙어 깨끗이 깎이지 않는다. 구멍을 바닥까지 파지 못하면 위아래가 연결되지 않는다.
- 홈과 구멍에 먼저 아주 얇은 배리어층을 깔고, 그 위에 얇은 구리층을 시드로 깐다.
이유구리 원자는 잘 파고들므로 배리어층으로 구리를 안에 가두고 잘 붙게 한다. 얇은 구리 시드가 있어야 다음 단계에서 도금한 구리가 거기서 자라난다.
하지 않으면구리가 실리콘에 파고들면 트랜지스터에 누설 전류가 생기며, 곧바로 드러나지 않을 수도 있다.
- 전기 도금으로 구리가 구멍 바닥에서부터 위로 홈과 구멍을 채우게 한다.
이유도금액의 첨가제가 구멍 바닥이 입구보다 빨리 자라게 한다.
하지 않으면입구가 먼저 막히면 안에 빈틈이 남아 전류가 잘 흐르지 못하고, 심하면 끊어진다.
- CMP로 홈 바깥의 구리와 배리어층을 갈아 내고, 절연막이 드러나면 조금 더 갈고 멈춘다.
이유홈 바깥의 구리는 모든 선을 하나로 이어 버린다. 장비는 앞면을 볼 수 없으므로, 모터에 걸리는 힘과 반사광이 꺾이는 것을 보고 다 갈았음을 안다.
하지 않으면덜 갈면 선과 선 사이에 구리가 남아 단락이 생기고, 너무 갈면 선이 얇아져 저항이 높아진다.
게임 fab24hr의 화면이다. 장비, 로트 번호, 인물은 모두 허구다. 게임에서 이 장면 플레이하기 → - 연마가 끝나면 곧바로 슬러리 입자를 씻어 낸다.
이유연마를 마친 표면에는 슬러리, 입자, 갈려 나온 부스러기가 잔뜩 묻어 있다.
하지 않으면깨끗이 씻지 못하면 남은 파티클이 다음 층에서 결함이 된다.
- 아주 얇은 보호막을 덮어 구리의 윗면을 봉한 뒤, 첫 단계로 돌아가 다음 층을 만든다.
이유배리어층은 구리의 바닥과 양옆만 감싸므로 윗면도 봉해야 한다.
하지 않으면구리가 위로 파고들어 위층의 절연막으로 들어간다.
조정하는 것과 조심할 점
- 도금액 첨가제
바뀌는 것구멍 바닥이 입구보다 빨리 자라게 해서, 구리가 아래에서 위로 구멍을 채우게 한다.
잘못 조정하면입구가 먼저 막히면 안에 빈틈이 남아 전류가 잘 흐르지 못하고, 심하면 끊어진다.
- 누르는 힘과 회전 속도
바뀌는 것세게 누르고 빨리 돌릴수록 빨리 갈린다.
잘못 조정하면평소와 다르게 설정하면 연마 속도도 따라 바뀌어, 같은 시간에 덜 갈리거나 너무 갈릴 수 있다.
- 멈출 지점: 엔드포인트와 과연마
바뀌는 것모터에 걸리는 힘이나 반사광이 꺾이면 다 간 것이며, 설정대로 조금 더 갈아 잔여물을 없앤다.
잘못 조정하면덜 갈면 이웃한 선이 이어져 버릴 수 있고, 너무 갈면 선이 얇아져 저항이 높아지며 넓은 선은 가운데가 움푹 꺼진다.
- 슬러리
바뀌는 것맨 위의 얇은 층을 무르게 만들어 잘 갈리게 하고, 패드와 미세 입자가 가볍게 쓸고 지나가면 갈려 나간다.
잘못 조정하면공급에 문제가 생기면 비교적 큰 단단한 이물이 웨이퍼와 패드 사이에 끼어 스크래치를 길게 낼 수 있다.
- 연마 패드와 컨디셔너
바뀌는 것컨디셔너가 미세한 다이아몬드로 패드를 긁어 패드를 거칠게 유지한다.
잘못 조정하면패드를 오래 쓰면 미끄러워져, 같은 시간에 갈리는 양이 점점 줄어든다.
핵심 설명
칩은 빌딩과 같다: 배선, 비아, 콘택트
칩의 맨 아래에는 실리콘 안에 만든 트랜지스터가 있다. 스위치 하나하나의 결과는 선 하나에 걸린 전압의 높고 낮음이며, 이것을 다른 스위치로 보내야 한다. 선이 너무 많아 한 층에 다 놓을 수 없으므로 위로 쌓아 올리며, 최첨단 칩은 10여 층에 이른다. 같은 층 안에서 가로로 지나가는 것은 배선으로, 복도와 같다. 위아래 두 층 사이를 수직으로 잇는 작은 구멍은 비아(via, 비아 홀이라고도 한다)로, 계단과 같다. 맨 아래에서 트랜지스터와 닿는 구멍은 콘택트이며, 흔히 텅스텐 같은 금속을 채우고 구리를 바로 채우지는 않는다. 팹에서는 배선을 만드는 이 구간을 후단 공정(BEOL)이라고 부르는데, 업계에서 말하는 ‘후공정’(패키징·테스트)과는 다른 것이다.
구리는 식각이 어려워, 홈을 먼저 파고 채운다(다마신)
예전에는 배선에 주로 알루미늄을 썼다. 웨이퍼 전체에 깔고 패턴을 찍은 뒤, 건식 식각으로 필요 없는 부분을 깎아 냈다. 이후 구리로 바뀌었는데, 같은 굵기라면 저항이 알루미늄의 60%를 조금 넘는 수준이고, 전류가 클 때도 알루미늄보다 잘 견디기 때문이다. 그러나 건식 식각은 표면의 물질을 반응시켜 기체로 만들어 배기해야 하는데, 구리의 반응 생성물은 칩이 견딜 수 있는 온도에서는 기체가 되기 어려워 표면에 달라붙고 깨끗이 깎이지 않는다. 그래서 방법을 뒤집었다. 구리를 깎을 수 없으니 절연막을 깎아 홈과 구멍을 파고, 구리를 채운 다음 남는 부분을 갈아 낸다. 이것을 다마신(damascene)이라고 한다. 홈과 구멍을 한 번에 채우는 것은 듀얼 다마신이다. 구멍을 바닥까지 파지 못하면 위아래가 연결되지 않고, 너무 파면 아래층이 손상된다.
구리는 파고든다: 먼저 가두고, 구리가 묻은 것은 분리한다
구리 원자는 잘 파고든다. 절연막에 파고들면 절연막이 제대로 절연하지 못하고, 실리콘에 파고들면 아주 적은 양으로도 트랜지스터에 누설 전류가 생기며, 그것이 곧바로 드러나지 않을 수도 있다. 그래서 구리를 채우기 전에 홈과 구멍의 바닥과 측벽에 아주 얇은 배리어층을 깔아 구리를 가두고, 구리가 잘 붙게도 한다. 평탄화한 뒤에는 보호막을 한 층 덮어 윗면을 봉한다. 전단 공정 단계의 웨이퍼는 앞으로도 고온 공정을 거쳐야 하는데, 구리가 조금이라도 묻으면 고온에 들어가자마자 실리콘으로 파고들고, 같은 퍼니스에서 함께 처리한 웨이퍼까지 영향을 받을 수 있다. 그래서 구리를 다루는 공정은 별도 구역이나 전용 장비에서 하고, 구리 공정을 거친 웨이퍼는 다시 전단 공정으로 돌아가지 않으며, 웨이퍼 박스와 반송 도구도 따로 쓴다.
전기 도금으로 구리를 채우고, CMP로 남는 것을 갈아 평탄하게 한다
배리어층을 깐 뒤 아주 얇은 구리층을 시드(seed)로 깔고, 도금액에 담가 전류를 흘리면 구리가 시드에서 자라난다. 첨가제가 구멍 바닥이 입구보다 빨리 자라게 해서 아래에서 위로 채운다. 입구가 먼저 막히면 안에 빈틈이 남아 전류가 잘 흐르지 못한다. 구리는 홈 바깥까지 한 층 덮어 모든 선을 하나로 이어 버리므로, CMP(chemical mechanical polishing, 화학적 기계 연마)로 홈 바깥의 구리와 배리어층을 갈아 낸다. CMP는 표면을 평탄하게 하는 역할도 한다. 막은 아래의 모양을 따라 쌓이므로 높낮이 차이가 층마다 누적되는데, 노광 장비가 초점을 맞출 수 있는 범위는 얕아서 표면이 평탄하지 않으면 일부가 흐릿하게 찍힌다. 슬러리가 먼저 표층을 무르게 만들고, 패드가 튀어나온 부분부터 갈아 내므로 갈수록 평탄해진다.
어디서 멈출까, 연마를 어떻게 지켜볼까
웨이퍼는 앞면이 아래를 향해 있어 장비가 직접 볼 수 없으므로 신호로 판단한다. 표면의 재료가 바뀌면 모터에 걸리는 힘과 반사광이 달라지는데, 이를 엔드포인트 검출이라고 한다. 그 뒤에 잔여물을 없애려고 조금 더 가는 경우가 많으며, 이를 과연마라고 한다. 덜 갈면 선과 선 사이에 구리가 남아 단락이 생기고, 너무 갈면 선이 얇아져 저항이 높아지며, 넓은 선은 가운데가 움푹 꺼진다(디싱). 연마가 끝나면 곧바로 브러시로 세정해야 한다. 남은 파티클은 다음 층에서 결함이 된다. 단단한 입자가 끼어들면 끌려가면서 스크래치를 길게 낸다. 패드는 오래 쓰면 미끄러워져 점점 덜 갈리므로, 정기적으로 모니터 웨이퍼(출하하지 않고 장비 점검에만 쓰는 웨이퍼)를 돌려 얼마나 갈렸는지 측정한다.
아래는 가늘고 위는 굵다, 배선이 점점 칩을 느리게 한다
맨 아래 몇 층은 바로 옆의 스위치를 이으므로 경로가 짧고 선이 많아 가장 가늘고 촘촘하다. 위쪽 몇 층은 신호를 칩의 반대편까지 보내고 모든 스위치에 전원을 공급하므로 경로가 길고 전류가 커서, 선이 넓고 두꺼워야 한다. 선이 길수록 저항이 커지고, 굵을수록 저항이 작아지기 때문이다. 배선 위의 신호는 두 가지 관문을 지나야 한다. 하나는 선이 가늘수록 저항이 커진다는 것이다. 또 하나는 절연막을 사이에 둔 두 선이 작은 커패시터와 같다는 것이다. 가까울수록 한 선의 전압이 바뀔 때 옆 선이 더 영향을 받고, 전압의 변화도 느려진다. 트랜지스터는 작게 만들면 대개 빨라지지만, 배선은 가늘게 만들면 오히려 느려진다. 그래서 칩이 첨단일수록 신호 지연에서 배선이 차지하는 몫이 커진다.
흔한 오해
- 흔히 듣는 말CMP는 많이, 평탄하게 갈수록 좋다.
- 실제로는없애야 할 것은 높낮이 차이와 남는 금속이지, 많이 갈수록 좋은 것이 아니다. 아래의 어떤 층이 막 드러날 때 멈추는 경우가 많다. 너무 갈면 선이 얇아져 저항이 높아지고, 넓은 금속선은 가운데가 얕은 접시처럼 움푹 꺼지는데, 이를 디싱이라고 한다.
- 흔히 듣는 말칩의 회로는 한 층뿐이고, 실리콘 위에 평평하게 찍혀 있다.
- 실제로는칩은 빌딩과 같다. 맨 아래에는 실리콘 안에 만든 트랜지스터가 있고, 그 위에 금속 배선이 층층이 쌓여 트랜지스터를 연결하며, 최첨단 칩은 10층 넘게 쌓기도 한다. 층마다 모양이 달라 매번 공정을 한 바퀴 새로 돌아야 하므로, 웨이퍼 한 장은 포토 구역에 수십 번 돌아온다.
살펴보기: 분해해 보는 장비
화학적 기계 연마필독
플레이
CMP 공정 엔지니어로 근무해 보기: 얼마나 갈지, 어디서 멈출지 정한다 →
생각해 보기
- 연마 패드는 오래 쓰면 미끄러워져서, 같은 시간에 갈리는 양이 점점 줄어든다. 지금 2시간 멈추고 패드를 교체하는 것과, 우선 연마 시간을 늘려 버티는 것은 각각 어떤 대가가 있는가? 누가 영향을 받는가?
- 앞 공정에서 증착한 막이 조금 두껍게 나왔지만 아직 규격 안에 있다. 그러면 다음 공정인 CMP의 연마 결과도 따라 달라진다. 두 공정 사이에서 누가 먼저 알아채야 하는가? 누가 먼저 말을 꺼내야 하는가?
수업 자료: 슬라이드
이 강의의 핵심, 모식도, 장비, 토론 질문을 슬라이드 한 벌로 만들었다. 그대로 화면에 띄워도 되고, 자신의 강의 자료에 넣어도 된다.
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이 글 인용하기‘반도체 입문 · 14강: 배선과 연마: CMP와 층층이 쌓는 금속’, fab24hr, 업데이트. https://fab24hr.com/ko/learn/interconnect/