Chapter 10

구리 다마신 CMP

구리는 알루미늄보다 저항이 약 40 % 낮고 전자 이동(EM) 수명이 길어 1990년대 말부터 배선의 주인공이 되었다. 그런데 구리는 반도체 공장의 온도에서 깔끔하게 건식 식각되지 않는다. 그래서 발상을 뒤집었다. 절연막에 먼저 홈을 파고, 구리를 넘치게 채운 다음, 넘친 부분을 CMP로 깎아 홈 속에만 남긴다. 이것이 다마신(damascene, 상감) 공정이고, 이 공정에서 CMP는 단순한 평탄화가 아니라 배선을 만드는 단계다. 이 장에서는 다마신 흐름을 단면 애니메이션으로 따라가고, 벌크·클리어·배리어 3단계 레시피를 직접 짜서 디싱과 이로전을 계산하며, 구리가 화학적으로 어떻게 녹고 BTA가 어떻게 막는지 전기화학으로 정리한다.

구리가 감산(식각) 공정 대신 다마신을 쓰는 이유와 싱글·듀얼 다마신 흐름(배리어·시드·ECD·CMP)을 설명할 수 있다.
ECD 슈퍼필이 만드는 오버버든 단차(범프·딥)가 CMP에 어떤 부담을 주는지 말할 수 있다.
P1 벌크 제거, P2 클리어(종점), P3 배리어 제거의 목적·압력·선택비를 정하고, 단계별 디싱·이로전이 어떻게 생기고 보정되는지 계산할 수 있다.
H₂O₂ 산화, 글리신 착화, BTA 부동태화가 동적 제거율(RR)과 정적 식각률(SER)을 어떻게 갈라놓는지, 혼성 전위와 부식 전류로 설명할 수 있다.
Cu/배리어 갈바닉 부식, 저유전막 손상, 구리·배리어 잔류물 같은 구리 CMP 특유의 위험과, 디싱·이로전이 배선 저항에 미치는 영향을 정량적으로 평가할 수 있다.

왜 구리는 다마신으로 만드는가

알루미늄 배선은 감산 공정(subtractive patterning)으로 만들었다. 웨이퍼 전면에 Al을 깔고, 감광막으로 선 모양을 찍은 뒤, 염소 플라즈마로 필요 없는 부분을 깎는다. 식각 부산물 AlCl₃가 100 °C 남짓에서 쉽게 휘발하기 때문에 가능했다. 구리의 염화물 CuCl·CuCl₂는 휘발성이 낮아 수백 °C 이상으로 올려야 날아간다. 그 온도에서는 감광막이 버티지 못하고 이미 만든 소자도 위험하다. 결국 구리는 깎아서 모양을 내는 대신 홈에 채워 넣고 위를 갈아 내는 방식을 택했다.

구리에는 또 하나의 약점이 있다. 실리콘과 산화막 속으로 빠르게 확산해 트랜지스터의 접합을 망가뜨리고(깊은 준위 트랩), 산화막과의 접착도 약하다. 그래서 홈 안쪽을 배리어(diffusion barrier, 보통 TaN/Ta)로 먼저 감싸고, 그 위에 얇은 구리 시드(seed)를 PVD로 깐 뒤 전해 도금(ECD)으로 채운다. 배리어는 홈 밖의 평평한 면(필드)에도 쌓이므로 CMP는 구리와 함께 필드의 배리어까지 깨끗이 걷어 내야 한다. 배선과 배선 사이에 남은 구리나 배리어 한 조각은 곧바로 단락이 된다.

그림 10-1. Al 감산 공정(위)과 Cu 다마신(아래). Al은 금속을 식각하고 그 사이를 산화막으로 메운 뒤 산화막을 CMP한다. Cu는 절연막(ILD)을 먼저 식각하고 금속을 채운 뒤 금속을 CMP한다. Al(금속)산화막·ILD배리어구리캡

다마신이라는 이름은 금속판에 홈을 파고 금·은을 박아 넣은 뒤 표면을 갈아 무늬를 드러내는 옛 상감 기법(다마스쿠스에서 유래)에서 왔다. 반도체에서는 배선 층마다 이 일을 반복하므로, 10층이 넘는 배선을 가진 로직 칩은 구리 CMP만 10번 이상 거친다. 배선 공정의 큰 그림은 ProcessBook의 금속 배선 장에, 트렌치·비아 식각은 EtchBook에 있다.

싱글·듀얼 다마신 흐름

배선 한 층은 아래층과 연결하는 비아(via)와 옆으로 신호를 나르는 라인(트렌치)으로 이루어진다. 비아와 라인을 따로 채우고 따로 CMP하면 싱글 다마신(single damascene), 비아와 트렌치를 모두 판 다음 한 번에 채우고 한 번 CMP하면 듀얼 다마신(dual damascene)이다. 듀얼 다마신은 증착·CMP 단계가 절반이라 비용이 싸고, 비아와 라인 사이에 배리어 경계면이 없어 비아 저항이 낮다. 대신 깊은 구조를 한 번에 채워야 하므로 배리어·시드 피복과 ECD 충전이 어렵다. 패터닝 순서에 따라 비아를 먼저 뚫는 via-first, 트렌치를 먼저 파는 trench-first, 금속 하드마스크를 쓰는 방식 등이 있다.

그림 10-2. 싱글 다마신과 듀얼 다마신. 듀얼 다마신은 비아와 라인을 한 번에 채워 증착·CMP 횟수를 줄이고 비아 바닥 외에는 배리어 경계면이 없다. 대신 비아+트렌치의 깊은 구조를 빈틈없이 채워야 한다.

아래 시뮬레이터는 via-first 듀얼 다마신 한 층을 단계별로 보여 준다. 각 단계에서 무엇이 쌓이고 무엇이 깎이는지, 특히 마지막 세 단계의 CMP가 어디서 멈춰야 하는지 눈여겨보자.

SIMULATOR

듀얼 다마신 공정 단계 따라가기

오버버든 두께 슈퍼필 범프 표시

—

단계—

남은 Cu (필드)—

ILD 두께—

해볼 것: ⑥ ECD 단계에서 구리가 비아 바닥부터 차오르는 모습(바텀업 충전)을 보고, ⑦~⑨ CMP 단계에서 패드가 내려오며 무엇을 걷어 내는지 확인하자. 오버버든을 키우면 P1에서 깎아야 할 양이 늘어난다. 그림의 두께는 이해를 돕도록 과장했다.

ECD 슈퍼필과 오버버든 단차

좁고 깊은 홈을 도금으로 채우면 입구가 먼저 막혀 속에 빈 공간(보이드)이 생기기 쉽다. 구리 ECD는 도금액의 첨가제로 이 문제를 푼다. 억제제(suppressor, PEG 계열 고분자)는 넓은 면과 홈 입구에 붙어 성장을 늦추고, 가속제(accelerator, SPS 계열 황 화합물)는 홈 바닥에 모인다. 홈이 차오르면서 바닥 면적이 줄면 가속제가 농축되어 바닥이 더 빨리 자란다. 이렇게 아래에서 위로 채우는 현상을 슈퍼필(superfill, bottom-up fill)이라 한다.

문제는 가속제가 홈이 다 찬 뒤에도 남아 있다는 점이다. 좁은 선이 촘촘한 어레이 위에서는 구리가 계속 빨리 자라 필드보다 높이 솟는다. 이것을 범프(bump, overplating)라 하며 수십~수백 nm에 이른다. 반대로 폭이 수 µm 이상인 넓은 트렌치는 슈퍼필이 일어나지 않고 벽을 따라 고르게(등각) 자라 트렌치 깊이만큼 움푹한 딥이 남는다. 레벨러(leveler) 첨가제로 범프를 줄이지만 완전히 없애지는 못한다. 결국 CMP가 받는 웨이퍼는 평평하지 않다.

그림 10-3. (a) 첨가제가 만드는 바텀업 충전. 억제제는 필드와 홈 입구를, 가속제는 바닥을 덮는다. (b) 도금이 끝난 뒤의 오버버든 단면. 조밀한 좁은 선 위에는 범프가, 넓은 선 위에는 딥이 생긴다. 이 단차와 오버버든 두께 산포가 P1·P2의 부담이 된다.

오버버든은 보통 0.5~1 µm다. 너무 얇으면 넓은 트렌치의 딥이 필드 아래로 내려가 CMP가 끝났을 때 넓은 선이 덜 찬 채로 남고, 너무 두꺼우면 P1 시간이 길어진다. 도금 후에는 저온 어닐(약 100~400 °C)로 결정립을 키워 저항을 낮추고 CMP 중 구리의 거동(경도, 제거율)을 안정시킨 뒤 CMP에 들어간다. 어닐 전후로 구리의 제거율이 달라질 수 있으므로 레시피는 어닐된 막 기준으로 맞춘다.

3단계 구리 CMP: 벌크·클리어·배리어

오버버든 구리를 빨리 걷어 내는 일, 배리어를 건드리지 않고 마지막 구리를 깨끗이 지우는 일, 배리어를 지우며 단차를 바로잡는 일은 서로 요구 조건이 다르다. 그래서 구리 CMP는 보통 정반 세 개에서 세 단계로 나눈다.

단계	목적	압력·제거율(예)	선택비 설계	끝내는 방법
P1 벌크 (bulk Cu removal)	오버버든 대부분 제거, 범프·딥 평탄화	약 2 psi, Cu 600–800 nm/min	Cu ≫ 배리어. 높은 제거율 슬러리(산화제·착화제 많음)	와전류·광학으로 남은 Cu 두께가 수백 nm 남으면 정지
P2 클리어 (soft landing, Cu clear)	남은 Cu를 배리어 위에서 완전히 제거	약 1–1.5 psi, Cu 200–400 nm/min	Cu : 배리어 ≥ 100 : 1, 배리어에서 정지	반사율·마찰 종점 + 오버폴리시(약 10–50 %)
P3 배리어 (barrier / buff)	필드 배리어 제거, 하드마스크·캡 일부 제거, 디싱 보정	약 1.5 psi, 배리어 50–100 nm/min	Cu : 배리어 : 산화막 : 캡을 조절 가능(대략 1 : 1~2 : 1 근처)	시간 또는 산화막 두께(광학)

그림 10-4. 3단계 구리 CMP. P1은 단차를 없애며 오버버든 대부분을 깎고, P2는 배리어 위에서 구리를 완전히 지운다(넓은 선은 이때 디싱된다). P3은 배리어와 하드마스크 일부를 지우면서 구리와 산화막의 제거율 비로 디싱을 되돌린다.

패턴 위의 압력 나누기 모델

3단계 시뮬레이터는 8장의 단차 모델을 구리 다마신에 맞게 확장한 것이다. 한 영역 안에 높은 면(배선 사이 필드 쪽, 면적 비율 $\rho$)과 낮은 면(배선 위)이 있다고 하자. 단차 $s$가 패드가 휘어 닿을 수 있는 깊이 $h_c$보다 크면 낮은 면은 압력을 받지 못하고, 그보다 작으면 단차에 비례해 압력을 나눠 받는다. 영역 전체의 평균 압력은 보존된다.

$$p_{\text{low}} = p_r\,\max\!\left(0,\,1-\frac{|s|}{h_c}\right),\qquad \rho\,p_{\text{high}} + (1-\rho)\,p_{\text{low}} = p_r,\qquad \frac{dz}{dt} = -R_{\text{mat}}\,\frac{p_{\text{local}}}{p_0}$$

여기서 $R_{\text{mat}}$은 그 높이에 드러난 재료(Cu, 배리어, 산화막)의 기준 압력 $p_0$에서의 블랭킷 제거율, $h_c$는 패드가 배선 폭 $w$ 안으로 휘어 들어가는 깊이로 이 모델에서는 $h_c \approx 12\sqrt{w/\mu\text{m}}$ nm로 둔다(좁은 선은 수 nm, 10 µm 선은 약 38 nm). 영역 압력 $p_r$은 영역 평균 높이가 이웃보다 높으면 커지도록 $p_r \propto 1 + (\bar z_r - \bar z)/H_L$, $H_L$=300 nm로 두어 범프 같은 장거리 단차를 표현한다.

이 모델에서 디싱은 저절로 나온다. 구리(낮은 면)와 배리어·산화막(높은 면)의 제거 속도가 같아지는 단차에서 멈추기 때문이다. $\rho$=0.5일 때 정상 상태는 $R_{\text{Cu}}\,f = R_{\text{up}}\,(2-f)$, 즉 $f = 2R_{\text{up}}/(R_{\text{Cu}}+R_{\text{up}})$이다. P2처럼 Cu : 배리어가 100 : 1이면 $f\approx0.02$라서 디싱은 거의 $h_c$까지 자란다. P3에서 구리보다 산화막이 더 잘 깎이면 $f$가 1을 넘을 수 없으므로 단차가 0을 지나 구리가 살짝 솟는 쪽으로 간다. 디싱을 줄이는 손잡이가 P3 선택비인 이유다.

SIMULATOR

3단계 레시피 시뮬레이터: 필드·조밀 어레이·넓은 선

P2 오버폴리시 P3 시간 P3 Cu 제거율 P3 배리어 제거율 P3 산화막 제거율 ECD 범프 높이

단면 배율

총 연마 시간—

넓은 선(10 µm) 디싱—

조밀 어레이 이로전—

필드 산화막 손실—

잔류물 판정—

해볼 것: (1) 오버폴리시를 0 %로 내리고 범프를 200 nm 이상 키우면 필드는 종점에 도달했는데 조밀 어레이 위에 구리가 남는다. (2) P3에서 Cu 제거율을 산화막보다 크게(예: 120 vs 50) 하면 디싱이 줄지 않고 어레이 이로전이 커진다. (3) Cu < 산화막으로 두면 디싱이 0 근처로 회복된다. 위 그래프는 필드의 남은 Cu, 아래 그래프는 디싱·이로전(nm)이다.

3정반 레시피와 처리량CP-300은 정반 1–2–3에 P1(2 psi)–P2(1.2 psi)–P3(1.5 psi)를 나눠 싣는다. 처리량 약 60 WPH이면 정반 하나가 웨이퍼 한 장에 쓸 수 있는 시간은 이송·린스를 포함해 약 60 초다. 시뮬레이터 기본값(오버버든 600 nm, Cu 700 nm/min)에서 P1이 약 40 초, P2가 종점 약 35 초 + 오버폴리시 30 %로 약 45 초, P3가 60 초로 세 정반의 부하가 비슷하게 맞는다. 오버버든이 1 µm로 두꺼워지면 P1이 병목이 되므로 P1 압력·슬러리를 바꾸거나 P2로 일부를 넘긴다. 목표는 10 µm 선 디싱 20 nm 이하, 밀도 50 % 어레이 이로전 15 nm 이하다.

구리를 녹이는 화학: 산화·착화·부동태

구리 슬러리는 실리카 연마입자 외에 세 가지 화학 성분을 담는다. 산화제(주로 H₂O₂)는 구리 표면을 Cu₂O/CuO나 Cu²⁺로 산화한다. 착화제(글리신 같은 아미노산, 시트르산 같은 유기산)는 Cu²⁺를 붙잡아 물에 녹는 착물로 만들어 산화물이 표면에 쌓이지 않게 한다. 부식 방지제(BTA, benzotriazole)는 구리 표면에 Cu–BTA 고분자 막을 만들어 화학 반응을 막는다. 연마입자와 패드는 이 보호막과 얇은 산화층을 높은 곳에서만 긁어 낸다.

$$\mathrm{Cu} + \mathrm{H_2O_2} \rightarrow \mathrm{CuO} + \mathrm{H_2O},\qquad \mathrm{CuO} + 2\,\mathrm{HGly} \rightarrow \mathrm{Cu(Gly)_2} + \mathrm{H_2O},\qquad n\,\mathrm{Cu^{+}} + n\,\mathrm{BTAH} \rightarrow [\mathrm{Cu(BTA)}]_n + n\,\mathrm{H^+}$$

글리신(HGly)은 넓은 pH 범위에서 Cu²⁺와 안정한 착물을 만든다. BTA는 주로 Cu⁺와 결합해 수 nm 두께의 치밀한 막을 만든다. 실제 슬러리는 pH 약 3–7, H₂O₂ 약 1–3 wt%, BTA 약 0.1–10 mM 범위가 흔하다(제조사·세대마다 다르다).

그림 10-5. 구리 CMP의 제거 순환. 높은 곳에서는 연마입자가 Cu–BTA 보호막과 얇은 산화층을 긁어 내고, 드러난 구리가 산화·착화되어 녹은 뒤 BTA가 다시 흡착한다. 낮은 곳은 패드가 닿지 않아 보호막이 유지되므로 정적 식각률만큼만 깎인다. 이 차이가 평탄화를 만든다.

이 순환을 간단한 모델로 쓰면 다음과 같다. BTA 흡착은 랭뮤어 등온식을 따르고, 패드 돌기가 한 지점을 긁고 지나가는 주기를 $T$라 하면 긁힌 직후 0에서 시작해 시간 상수 $\tau$로 다시 덮인다. 그 주기 동안 평균적으로 드러난 면적 비율이 화학 용해를 받는다.

$$\theta_{\text{eq}} = \frac{K C}{1+K C},\quad \tau = \frac{1}{k_a C + k_d},\quad \bar\theta = \theta_{\text{eq}}\!\left[1 - \frac{\tau}{T}\left(1-e^{-T/\tau}\right)\right],\quad T \propto \frac{1}{p\,v}$$ $$\text{SER} = R_{\text{ox}}\,(1-\theta_{\text{eq}}),\qquad \text{RR} = R_{\text{ox}}\,(1-\bar\theta) + k_m\,p\,v$$

$C$는 BTA 농도, $K$는 흡착 평형 상수(모델 값 200 mM⁻¹), $R_{\text{ox}}$는 BTA가 없을 때 H₂O₂·글리신이 녹이는 속도(산화제·착화제 농도의 함수), $k_m p v$는 보호막·산화층의 순수 기계적 제거 항이다. $T$는 기준(2 psi, 1.75 m/s)에서 약 10 ms로 둔 교육용 개념 모델이다.

SIMULATOR

BTA 농도와 압력: 동적 제거율 vs 정적 식각률

BTA 농도 압력 H₂O₂ 글리신

BTA 피복률 θ—

동적 제거율 RR—

정적 식각률 SER—

RR / SER—

위: BTA 농도에 따른 RR(실선)과 SER(점선), 로그 축. 아래: 한 지점의 피복률 θ(t)가 패드 돌기에 긁힐 때마다 0으로 떨어졌다가 회복되는 톱니 모양(실시간). 해볼 것: BTA를 늘리면 SER이 먼저 떨어지고 RR은 나중에 떨어진다. 그 사이가 "RR은 높고 SER은 낮은" 쓸 만한 창이다. 압력을 낮추면 긁는 주기가 길어져 RR이 프레스턴 식보다 빨리 줄어든다(저압 클리어에서 디싱이 줄어드는 이유).

RR/SER 비는 평탄화 능력의 대리 지표다. 패드가 닿지 않는 낮은 곳(넓은 선의 디싱 바닥, 이미 깎인 배선)이 SER로 계속 녹으면 디싱과 구리 손실이 오버폴리시 시간에 비례해 늘어난다. 그래서 P2는 SER이 낮은(BTA가 충분한) 슬러리로 낮은 압력에서 천천히 착지한다. 반대로 BTA가 과하면 RR까지 떨어지고, 소수성 Cu–BTA 막과 잔류 유기물이 CMP 후 세정의 부담이 된다(15장).

전기화학으로 보기: 혼성 전위와 부식 전류

슬러리 속 구리 표면에서는 두 반응이 동시에 일어난다. 구리가 전자를 내놓는 양극 반응(Cu → Cu²⁺ + 2e⁻)과 산화제가 그 전자를 받는 음극 반응(H₂O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → 2H₂O)이다. 외부 회로가 없으므로 두 전류는 크기가 같아야 하고, 그 조건을 만족하는 전위가 혼성 전위(mixed potential, 부식 전위 $E_{\text{corr}}$), 그때의 전류 밀도가 부식 전류($i_{\text{corr}}$)다. 전위–로그 전류 그래프에 두 반응의 타펠 직선을 그리면 교점이 바로 $(E_{\text{corr}}, i_{\text{corr}})$이고, 이것을 에반스 다이어그램(Evans diagram)이라 한다.

$$i_a = i_{0a}\,10^{(E-E_a)/b_a},\qquad i_c = \frac{i_k}{1 + i_k/i_L},\quad i_k = i_{0c}\,10^{-(E-E_c)/b_c},\qquad \sum_j A_j\,[\,i_{a,j}(E) - i_{c,j}(E)\,] = 0$$ $$\text{식각 속도} = \frac{i_{\text{corr}}\,M}{nF\rho} \;\approx\; 22\ \text{nm/min per mA/cm}^2\ (\text{Cu},\,n=2)$$

$b_a, b_c$는 타펠 기울기(V/decade), $i_L$은 산화제의 물질 전달로 정해지는 한계 전류, $A_j$는 서로 전기적으로 연결된 금속 $j$의 노출 면적이다. 구리 $M$=63.55 g/mol, $\rho$=8.96 g/cm³, $F$=96485 C/mol.

BTA는 주로 양극 반응의 교환 전류 $i_{0a}$를 줄이고(활성 자리를 덮음) 음극 반응도 일부 막는 혼합형 방지제로 작동한다. 연마는 보호막을 벗겨 $i_{0a}$를 다시 키운다. 산화제를 늘리면 음극 곡선이 오른쪽(큰 전류)으로 이동해 $E_{\text{corr}}$와 $i_{\text{corr}}$가 함께 오른다. 이 그림 하나로 "산화제는 제거율을 올리고, 방지제는 내리고, 연마는 방지제를 무력화한다"를 정량적으로 읽을 수 있다.

SIMULATOR

에반스 다이어그램: 혼성 전위와 갈바닉 결합

H₂O₂ BTA 피복률 θ 연마 중 (보호막의 70 %가 벗겨짐)

접촉한 금속

면적비 A_금속/A_Cu

혼성 전위 E (vs SCE)—

Cu 부식 전류—

Cu 식각 속도—

상대 금속 부식—

실선: 양극 전류 합(Cu + 상대 금속), 점선: 음극 전류 합, 회색: Cu만 있을 때. 해볼 것: (1) θ를 0에서 0.99로 올려 교점이 어떻게 내려가는지 본다. (2) "연마 중"을 켜면 같은 슬러리에서 전류가 수십 배 커진다. (3) Ru와 연결하고 면적비를 키우면 Cu가 양극이 되어 더 빨리 녹는다. Co와 연결하면 Co가 양극이 되어 Co가 녹고 Cu는 보호된다. 값은 교육용 개념 모델이다.

Cu/배리어 갈바닉 부식과 광부식

CMP가 배리어에 닿는 순간부터 웨이퍼 표면에는 구리와 배리어 금속이 나란히 드러나 슬러리(전해질)에 함께 잠긴다. 서로 다른 금속이 전기적으로 붙어 있으면 부식 전위가 낮은 쪽이 양극이 되어 더 빨리 녹고, 높은 쪽은 음극이 되어 보호된다. 이것이 갈바닉 부식(galvanic corrosion)이다. 피해는 두 금속의 부식 전위 차 $\Delta E_{\text{corr}}$가 클수록, 그리고 음극 면적이 양극보다 클수록 커진다. 넓은 음극이 모아 주는 음극 전류를 좁은 양극이 혼자 감당하기 때문이다.

Ta/TaN 배리어는 표면이 얇은 Ta₂O₅로 부동태화되어 있어 Cu와 붙어도 갈바닉 전류가 크지 않은 편이다. 문제는 신소재다. Ru 라이너는 구리보다 훨씬 귀해서 Cu를 양극으로 만들고, Co 라이너·캡은 구리보다 활성이라 스스로 녹는다. 구리–배리어 경계를 따라 좁은 홈이 파이는 가장자리 부식(edge/side-wall corrosion)이 대표 증상이며, 이 홈은 이후 캡 접착과 EM 수명을 떨어뜨린다. 신소재 조합의 선택비·갈바닉 설계는 11장에서 더 다룬다.

그림 10-6. (a) 구리와 라이너 금속이 함께 드러나면 부식 전위가 낮은 쪽(여기서는 Cu)이 양극이 되어 경계를 따라 녹는다. (b) 연마·세정 장비 안의 빛이 p-n 접합을 광전지로 만들면, 접합 양쪽에 연결된 배선 사이에 전위차가 생겨 한쪽 구리가 녹는다. 그래서 구리 CMP와 후세정 장비는 빛을 가린 상태로 운전한다.

(b)의 광부식(photo-corrosion)은 구리 CMP에서 처음 문제가 된 특이한 결함이다. 접합 면적이 크고 접합에 연결된 배선이 슬러리에 드러난 경우에만 생기므로 특정 패턴에서만 반복해서 나타난다. 차광 커버, 세정 중 조명 관리, 방지제 강화로 대응한다.

디싱·이로전과 배선 저항

디싱(dishing)은 넓은 구리 선 표면이 접시처럼 오목하게 파이는 것, 이로전(erosion)은 배선이 촘촘한 영역에서 산화막(및 그 안의 구리)이 필드보다 얇아지는 것이다. 디싱은 선 폭이 넓을수록(패드가 휘어 들어가기 쉬움), 이로전은 패턴 밀도가 높을수록(산화막이 받는 압력이 큼) 커진다. 둘 다 오버폴리시 시간과 함께 자라고, 둘 다 구리 단면적을 줄여 배선 저항을 올린다.

그림 10-7. 디싱과 이로전의 정의. 실제로는 이로전 영역의 좁은 선에도 수 nm 디싱이 겹친다. 전체 구리 두께 손실은 대략 "필드 산화막 손실 + 이로전 + 디싱"이다.

배선 저항은 길이 $L$, 단면적 $A$, 비저항 $\rho$로 $R = \rho L/A$다. 다마신 선의 구리 단면은 트렌치에서 배리어 두께를 뺀 것이고, 이로전은 높이를 균일하게, 디싱은 포물선 모양으로(평균 손실 약 $2D/3$) 줄인다. 선 폭이 전자의 평균 자유 행로(구리 약 39 nm)에 가까워지면 표면·결정립계 산란 때문에 비저항 자체가 올라간다.

$$A_{\text{Cu}} = (w-2t_b)\,\Big(h - t_b - E - \tfrac{2}{3}D\Big),\qquad \rho_{\text{eff}} = \rho_0\left[1 + \tfrac{3}{8}(1-p)\,\lambda\left(\tfrac{1}{w_c}+\tfrac{1}{h_c}\right) + \tfrac{3}{2}\,\tfrac{R_g}{1-R_g}\,\tfrac{\lambda}{w_c}\right]$$

$t_b$는 배리어 두께, $E$는 이로전, $D$는 디싱, $w_c, h_c$는 구리 단면의 폭·높이, $\rho_0$=1.68 µΩ·cm, $\lambda$=39 nm, $p$는 표면 정반사 계수(0.3으로 둠), $R_g$는 결정립계 반사 계수(0.3), 결정립 크기는 선 폭과 같다고 가정한 근사(Fuchs–Sondheimer + Mayadas–Shatzkes 단순형)다.

SIMULATOR

디싱·이로전 → 배선 저항 계산기

선 폭 w 트렌치 깊이 h 배리어 두께 t_b 디싱 D 이로전 E

유효 비저항—

선 저항—

CMP 손실에 의한 ΔR—

구리 높이—

위: 선 단면(배리어·구리·디싱 포물선). 아래: 손실량(nm)에 따른 저항 증가율, 이로전만(실선)·디싱만(점선). 해볼 것: 폭 100 nm·깊이 200 nm에서 이로전 20 nm는 약 +12 %다(높이 감소 +11 % + 크기 효과). 깊이를 60 nm로 줄이면(첨단 하부 배선) 같은 20 nm가 +60 % 이상이 된다. 미세 배선일수록 CMP 손실 예산이 nm 단위로 빡빡해지는 이유다.

디싱은 넓은 선, 저항은 좁은 선디싱은 넓은 선에서 크지만 넓은 선은 단면이 커서 저항 변화율이 작다. 반대로 좁은 선은 디싱이 수 nm에 그쳐도 이로전·필드 손실과 합쳐지면 높이가 몇 % 줄고 저항이 그만큼 오른다. 그래서 저항 관점의 CMP 사양은 보통 "조밀 어레이의 구리 두께(=트렌치 깊이 − 총 손실)"로 관리하고, 디싱 사양은 넓은 선·패드(본딩 패드 포함)의 평탄도와 상부 층 리소그래피 초점을 위해 관리한다.

클리어 시간 산포와 오버폴리시

P2의 종점은 웨이퍼 전체를 본 신호다. 하지만 웨이퍼 안에서 구리가 사라지는 시각은 자리마다 다르다. 오버버든 두께가 가장자리에서 두껍거나(도금 전류 분포) 제거율이 중심에서 빠르면(헤드 압력·온도 분포), 먼저 깨끗해진 곳은 나머지가 끝날 때까지 계속 연마되면서 디싱·이로전이 쌓인다. 마지막 구리가 지워지는 곳의 시간이 레시피 시간을 정하고, 처음 지워진 곳의 디싱이 사양을 정한다. 오버폴리시는 이 산포를 덮는 보험이고, 그 값은 산포가 결정한다.

$$t_{\text{clear}}(r) = \frac{h_{\text{Cu}}(r)}{\text{RR}(r)},\qquad D(r) = D_\infty\left[1 - e^{-(t - t_{\text{clear}}(r))/\tau_D}\right]\quad (t > t_{\text{clear}})$$

$h_{\text{Cu}}(r)$은 반경 $r$에서 P2 시작 시 남은 구리, $D_\infty$는 그 슬러리·선 폭에서 디싱이 수렴하는 값(앞 절 모델의 $\approx h_c$), $\tau_D$는 수렴 시간 상수다. 국소 잡음은 다이마다 독립인 정규 분포로 둔다.

SIMULATOR

웨이퍼 클리어 지도와 오버폴리시

반경 프로파일 (가장자리−중심) 국소 산포 1σ 오버폴리시

종점 (첫 50 % 클리어)—

클리어된 다이—

최대 디싱—

판정—

왼쪽: 300 mm 웨이퍼의 다이 지도(구리 남음 = 주황, 클리어 = 남색 계열, 진할수록 디싱 큼). 오른쪽 아래: 시간에 따른 클리어 비율. 종점은 클리어 면적이 50 %를 넘는 순간(반사율 신호의 변곡점)으로, 오버폴리시는 그 시간의 비율로 더한다. 해볼 것: 산포를 키우면 잔류 없이 끝내기 위한 오버폴리시가 늘고 최대 디싱도 커진다. 산포를 줄이는 것(3장 다중 구역 헤드, 12장 구역별 종점)이 곧 디싱을 줄이는 길이다.

저유전막 손상과 저압 연마

배선 사이 정전 용량을 줄이려고 ILD는 SiO₂(유전율 k≈4.0)에서 탄소가 들어간 SiCOH(k≈3.0), 다시 나노 기공을 넣은 다공성 SiCOH(k≈2.2–2.7)로 바뀌었다. 유전율을 낮추는 방법이 밀도를 낮추는 것이므로, 막은 기계적으로 약해진다. 탄성률이 산화막의 약 70 GPa에서 수 GPa로, 계면 접착 에너지도 수 J/m² 이하로 떨어진다. CMP의 마찰력은 막 위에 수평 전단 응력을 걸고, 이 응력이 캡/저유전막 계면이나 막 내부의 약한 곳에서 박리와 균열을 일으킨다. 다공성 막은 슬러리·물·유기물이 기공으로 스며들어 유전율이 오르는(k 상승) 화학적 손상도 입는다.

그림 10-8. 다공성 저유전막의 CMP 손상. 마찰 전단 응력이 가장 약한 계면(캡/저유전막, 하드마스크/저유전막)을 따라 박리를 일으키거나 막 안에 균열을 낸다. 기공으로 스민 슬러리 성분은 유전율을 올린다. 그래서 저유전막 위의 구리 CMP는 1–1.5 psi 이하의 저압, 낮은 마찰 슬러리, 부드러운 패드를 쓴다.

박리는 결국 확률 문제다. 막과 계면에는 크기가 다른 결함이 퍼져 있고, 가해진 응력이 클수록 더 작은 결함까지 파괴로 이어진다. 파괴 역학에서 임계 응력은 대략 $\sqrt{E\,G_c/h}$에 비례하므로, 기공률 $\phi$가 늘어 $E$와 $G_c$가 함께 줄면 견딜 수 있는 전단 응력이 빠르게 낮아진다. 이것을 와이블 분포로 다이당 손상 확률에 옮기면 다음과 같다.

$$P_{\text{fail}} = 1 - \exp\!\left[-\left(\frac{\mu\,p\,S}{\tau_0}\right)^{m}\right],\qquad \tau_0 \propto \sqrt{\frac{E(\phi)\,G_c(\phi)}{h}},\quad E \approx E_d(1-\phi)^2,\quad G_c \approx G_{c,d}(1-\phi)^2$$

$\mu$는 마찰 계수, $p$는 하중 압력, $S$는 패턴 응력 집중 계수(배선 밀도가 높고 저유전막 면적이 좁을수록 큼), $h$는 막 두께, $m$은 와이블 계수(여기서는 4), 첨자 $d$는 기공 없는 SiCOH(k≈3.0, $E_d$≈15 GPa)다. $\tau_0$은 k=3.0 막이 3 psi·μ=0.4에서 약 1 % 손상되도록 맞춘 교육용 값이다.

SIMULATOR

저유전막 손상 위험 vs 하중

압력 마찰 계수 μ

ILD 유전율

패턴 응력 집중 S 막 두께 h

기공률 φ—

탄성률 E—

다이 손상 확률—

웨이퍼당 손상 다이—

왼쪽: 다이 지도(빨강 = 박리·균열 다이, 샘플). 오른쪽: 유전율별 손상 확률 곡선과 현재 조건(점). 해볼 것: k 2.2에서 손상률 1 % 이하를 지키려면 압력을 얼마까지 내려야 하는가? 마찰 계수를 0.4에서 0.25로 낮추는 슬러리 개선은 압력을 몇 psi 낮추는 효과와 같은가?

구리 CMP 결함: 잔류물·부식·스크래치

구리 CMP의 결함은 대부분 앞에서 본 메커니즘의 극단이다. 남으면 단락, 녹으면 단선이나 신뢰성 저하, 긁히면 둘 다다. 결함 검사·분류와 수율 환산은 13장에서 다룬다.

그림 10-9. 구리 CMP의 대표 결함(평면도). 구리·배리어 잔류물은 단락을, 부식·피트는 단선과 신뢰성 저하를, 스크래치는 저유전막 손상과 함께 긁힌 홈을 따라 구리가 번지는 단락을 만든다.

CMP가 끝난 구리 표면은 공기와 물에 매우 민감하다. 연마 후 세정까지, 세정 후 캡 증착까지의 대기 시간(queue time)이 길어지면 자연 산화와 부식으로 결함이 늘어나므로 엄격히 관리한다. 세정기에서는 BTA·유기 잔류물과 구리 산화물을 제거하면서도 새 부식을 만들지 않는 약알칼리 또는 유기산 세정액을 쓴다.

구리 CMP 후 세정과 대기 시간CP-300의 통합 세정기는 P3 직후 웨이퍼를 젖은 상태로 받아 PVA 브러시 2단(약 200–400 rpm, 압입 약 1 mm), 메가소닉(약 1 MHz), IPA 마랑고니 건조를 거친다. 구리 배선층에서는 브러시 1단에 약알칼리 유기 세정액으로 Cu–BTA와 연마입자를 떼고, 2단에서 부식 방지 성분이 든 액으로 표면을 안정화한다. 세정이 끝난 뒤 캡 증착까지의 대기 시간은 수 시간 이내로 관리하는 것이 일반적이다. 목표는 ≥45 nm 추가 결함 30개/웨이퍼 이하다.

3D로 보는 다마신 배선 연마

지금까지 단면으로 본 과정을 입체로 돌려 보자. 아래 모델은 하부 배선(M1) 위에 듀얼 다마신으로 만든 상부 배선(M2) 한 층이다. 조밀한 좁은 선 4개, 넓은 선 1개, 그리고 아래층과 이어지는 비아가 있다. 연마 진행 슬라이더를 움직이면 패드가 내려오면서 오버버든 구리 → 필드 배리어 → 하드마스크 일부 순서로 걷혀 나가고, 마지막에 넓은 선이 약간 디싱된다. ILD는 반투명하게 그려 안쪽 비아와 하부 배선이 보이게 했다.

다마신 배선 스택 연마 3D

드래그: 회전 · 휠: 확대

연마 진행 패드·슬러리 표시 ILD 반투명

단계—

표면 재료—

넓은 선 디싱 (과장)—

해볼 것: 진행 40 % 부근에서 필드의 배리어가 드러나는 순간(P2 종점)을 찾아보자. 그 이후로는 위에서 보이는 표면이 구리·배리어·ILD 세 가지가 섞인 상태가 되어 선택비가 중요해진다. 높이는 이해를 돕도록 과장했다.

핵심 정리

구리 염화물은 휘발성이 낮아 저온 건식 식각이 어렵다. 그래서 ILD에 홈을 파고 배리어(TaN/Ta)·시드·ECD로 채운 뒤 CMP로 홈 밖을 걷어 내는 다마신을 쓴다. 듀얼 다마신은 비아와 라인을 한 번에 채워 단계와 비아 저항을 줄인다.
ECD 슈퍼필은 가속제·억제제·레벨러로 바텀업 충전을 만들지만, 조밀 어레이 위 범프와 넓은 트렌치 위 딥을 남긴다. 오버버든 0.5–1 µm와 이 단차가 P1의 부담이다.
구리 CMP는 P1 벌크(약 2 psi, 600–800 nm/min), P2 클리어(약 1.2 psi, Cu : 배리어 ≥ 100 : 1, 종점 + 오버폴리시), P3 배리어(Cu : 배리어 : 산화막 선택비 조절로 디싱 보정)로 나눈다.
단차가 패드 휨 깊이 $h_c$보다 작으면 낮은 면도 압력을 나눠 받는다. 디싱은 두 재료의 제거 속도가 같아지는 단차에서 멈추므로, 선택적 클리어에서는 $h_c$(넓은 선일수록 큼)까지 자라고, P3에서 Cu < 산화막으로 두면 되돌아온다.
H₂O₂가 산화하고 글리신이 녹이며 BTA가 막는다. 연마는 높은 곳의 보호막만 벗기므로 RR ≫ SER이 되어 평탄화가 일어난다. 혼성 전위 이론으로 보면 산화제는 음극 곡선을, 방지제와 연마는 양극 곡선을 움직인다(1 mA/cm² ≈ 22 nm/min).
Cu와 라이너가 함께 드러나면 부식 전위가 낮은 쪽이 양극이 되어 녹는다(Ru 라이너 → Cu 부식, Co → Co 부식). 음극 면적이 클수록 심하다. 빛은 p-n 접합을 통해 광부식을 만든다.
디싱(넓은 선)과 이로전(조밀 어레이)은 구리 단면을 줄여 저항을 올린다. 배선이 얇을수록 같은 nm 손실의 저항 영향이 크다. 클리어 시간 산포가 오버폴리시와 최대 디싱을 정한다.
다공성 저유전막은 탄성률·접착 에너지가 낮아 마찰 전단에 박리·균열이 생긴다. 저압, 저마찰 슬러리, 부드러운 패드로 대응한다.

확인 퀴즈

1. 구리 배선을 Al처럼 전면 증착 후 플라즈마 식각하지 않고 다마신으로 만드는 가장 직접적인 이유는?

AlCl₃는 낮은 온도에서 휘발하지만 CuClₓ는 수백 °C 이상이 필요하다. 그래서 금속을 깎는 대신 절연막을 식각하고 금속을 채워 CMP로 모양을 낸다.

2. P2(클리어) 단계 슬러리에 요구되는 가장 중요한 특성은?

P2는 배리어 위에서 구리만 깨끗이 지우고 멈추는 단계다. Cu : 배리어 ≥ 100 : 1의 선택비로 배리어에 착지하고, 오버폴리시 동안 패드가 닿지 않는 곳이 녹지 않도록 SER이 낮아야 한다. 배리어 제거는 P3의 일이다.

3. 슬러리의 BTA 농도를 계속 높일 때 일어나는 일로 옳은 것은?

정적 조건에서는 평형 피복률 $\theta_{\text{eq}}$가 곧 보호율이므로 적은 BTA로도 SER이 크게 준다. 연마 중에는 긁힌 뒤 재흡착하는 데 시간이 걸려 드러난 면적이 남는데, BTA가 아주 많으면 재흡착이 빨라져 RR도 떨어진다. 그 사이가 쓸 만한 농도 창이다.

4. 에반스 다이어그램에서 슬러리의 H₂O₂ 농도를 높이면 구리의 혼성 전위와 부식 전류는?

산화제가 늘면 음극 반응의 교환 전류와 한계 전류가 커져 음극 곡선이 오른쪽으로 이동하고, 양극 곡선과의 교점이 더 높은 전위·더 큰 전류로 옮겨 간다. 단, H₂O₂가 아주 많으면 두꺼운 산화막이 생겨 실제 제거율은 다시 떨어질 수 있다.

5. Ru 라이너를 쓰는 구리 배선에서 CMP 중 Cu가 빠르게 녹았다. 같은 조건에서 피해를 가장 키우는 변화는?

갈바닉 부식은 음극/양극 면적비가 클수록 심하다. 넓은 귀금속 음극에서 모인 음극 전류를 작은 Cu 양극이 감당해야 하므로 단위 면적당 Cu 용해 속도가 커진다. BTA를 늘리거나 산화제를 줄이면 오히려 완화된다.

6. 같은 CMP 조건에서 디싱이 가장 큰 구조는?

디싱은 패드가 선 안쪽으로 휘어 들어갈 수 있는 깊이 $h_c$에 비례해 커지고, $h_c$는 선 폭과 함께 커진다. 밀도 90 % 어레이는 디싱보다 이로전이 큰 구조다.

7. 폭 100 nm, 깊이 200 nm, 배리어 5 nm인 구리 선에서 이로전 20 nm만 생겼다(디싱 0). 비저항 변화를 무시하면 선 저항은 대략 얼마나 오르는가?

구리 높이가 $200-5 = 195$ nm에서 175 nm로 줄어든다. $R \propto 1/h$이므로 $195/175 \approx 1.114$, 약 +11 %다. 폭 방향은 그대로라 폭은 상쇄된다.

8. 다공성 저유전막(k≈2.2) 위 구리 CMP에서 하중을 낮추는 주된 이유는?

기공이 많을수록 $E$와 $G_c$가 함께 떨어져 견딜 수 있는 전단 응력 $\tau_0 \propto \sqrt{E G_c/h}$가 낮아진다. 전단 응력은 $\mu p$에 비례하므로 압력과 마찰 계수를 함께 낮춘다.