다마신(Damascene) 공정: 구리 배선으로 칩 회로를 잇는 방법

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다마신(Damascene) 공정: 구리 배선으로 칩 회로를 잇는 방법

안녕하세요? 반도체 마스터입니다.

오늘은 칩 속 트랜지스터들을 연결하는 '배선(interconnect)' 공정 중 구리 다마신(Damascene) 공정을 정리합니다. 트랜지스터가 아무리 빨라도 배선이 느리면 칩이 느려지기 때문에, 배선은 미세화 시대의 핵심 기술입니다.

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칩의 성능은 배선이 결정한다

신호 전달 시간 = 트랜지스터 스위칭 시간 + 배선의 RC 지연(저항×커패시턴스)입니다. 미세화될수록 배선은 얇고 촘촘해져 RC 지연이 커지므로, 이를 줄이는 것이 배선 공정의 목표입니다. 저항이 낮은 구리와 커패시턴스를 낮추는 저유전율(low-k) 절연막이 함께 쓰이는 이유입니다.

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왜 알루미늄에서 구리로 바꿨을까

1990년대까지는 알루미늄이 쓰였습니다. 구리는 비저항(약 1.68 μΩ·cm)이 알루미늄(약 2.65)보다 낮아 RC 지연이 작고, 전류에 금속 원자가 밀려나는 일렉트로마이그레이션 내성도 뛰어납니다. IBM이 1997년 구리 배선을 상용화한 뒤 미세 공정의 배선은 구리가 표준이 되었습니다.

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구리는 '깎는' 게 아니라 '채워 넣는다'

알루미늄은 금속막을 깔고 식각으로 패터닝했지만, 구리는 식각 부산물의 휘발성이 낮아 플라즈마 건식 식각이 사실상 불가능합니다. 그래서 절연막에 먼저 홈(트렌치)을 파고 구리를 채워 넣는 방식으로 바꿨는데, 이게 다마신 공정입니다. 금속 상감 기법에서 온 이름으로, '홈을 파고 채운다'는 공정을 그대로 설명합니다.

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듀얼 다마신: 비아와 배선을 한 번에

싱글은 한 층 배선만 형성하고, 듀얼은 아래층과 위층을 잇는 비아(via)와 위층 배선 트렌치를 동시에 식각한 뒤 구리를 한 번에 채웁니다. 공정이 짧아지고 비아-배선 경계가 없어 접촉 저항도 낮습니다. 순서는 유전체 증착 → 트렌치/비아 식각 → Ta/TaN 배리어+Cu 시드 증착 → 구리 전기도금 → CMP 평탄화입니다.

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배리어층과 CMP가 없으면 안 되는 이유

구리는 실리콘·산화막 속으로 잘 확산되어 소자를 망가뜨리므로, 트렌치 내벽에 수 nm 두께의 Ta/TaN 배리어층을 먼저 깔아 확산을 막습니다. CMP도 필수입니다. 도금 후 남은 구리를 제거하지 않으면 층간 단락이 생기고, 표면이 평탄하지 않으면 다음 층 리소그래피의 초점 심도(DoF) 확보가 안 됩니다. 배선 공정에서 CMP는 전제 조건입니다.

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면접 답변 포인트

• '왜 구리인가': 비저항이 낮아 RC 지연이 작고, 일렉트로마이그레이션 내성이 뛰어나기 때문
• '왜 다마신인가': 구리는 식각 부산물의 휘발성이 낮아 건식 식각이 어려우므로 홈을 파고 채우는 방식을 쓴다
• '배리어층이 왜 필요한가': 구리 확산이 소자 특성을 망가뜨리기 때문 (Ta/TaN 사용)
• '싱글 vs 듀얼': 듀얼은 비아와 배선을 동시에 형성해 공정이 짧고 접촉 저항이 낮다

오늘은 구리 배선의 다마신 공정을 정리해봤습니다. 핵심은 '구리는 깎을 수 없으니 파고 채운다'는 한 문장입니다. 다음에 또 찾아오겠습니다!

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