다마신 공정 비교, 금속을 직접 깎는 배선과의 차이

모양 있는 쿠키를 만드는 방법은 크게 두 가지입니다. 반죽을 넓게 편 뒤 칼로 필요 없는 부분을 잘라내 모양을 남기는 방법과, 모양이 파인 틀에 반죽을 꾹 눌러 채운 다음 넘친 부분을 긁어내는 방법이죠.

반도체 배선을 만드는 길도 똑같이 두 갈래로 나뉩니다. 금속을 넓게 깐 뒤 필요한 선만 남기고 깎아내는 서브트랙티브 방식과, 절연막에 홈을 판 뒤 금속을 채우는 다마신 방식입니다. 이 글에서는 두 방법을 나란히 놓는 다마신 공정 비교를 통해 왜 구리 시대에는 다마신이 주류가 됐고, 요즘 서브트랙티브가 다시 주목받는지 짚어 보겠습니다.

금속을 채우는 길과 깎는 길, 두 배선 방식

서브트랙티브 식각(Subtractive etch)은 이름 그대로 빼내는 방식입니다. 웨이퍼에 금속을 넓게 증착한 뒤, 배선으로 남길 부분만 마스크로 덮고 나머지를 식각으로 깎아내 선을 남깁니다. 알루미늄 배선 시절에 오래 쓰인 전통적인 방법이죠.

반대로 다마신(Damascene)은 채우는 방식입니다. 먼저 절연막에 배선 모양의 홈(트렌치)을 판 뒤, 그 홈에 금속을 채우고 표면에 넘친 금속을 화학적 기계적 연마(CMP)로 걷어내 배선을 완성합니다.

두 방식의 가장 큰 차이는 무엇을 식각하느냐에 있습니다. 서브트랙티브는 금속을 직접 깎고, 다마신은 절연막을 깎아 홈을 만든 뒤 금속은 채우기만 합니다. 이 차이가 어떤 금속을 쓰느냐에 따라 유불리를 완전히 뒤바꿉니다.

구리 식각의 벽이 다마신을 주류로 만든 이유

알루미늄은 식각 가스와 반응해 휘발성 화합물이 되어 깔끔하게 깎입니다. 그래서 알루미늄 시대에는 금속을 직접 깎는 서브트랙티브 방식이 자연스러운 선택이었습니다.

그런데 저항을 더 낮추려고 구리로 넘어오면서 문제가 생겼습니다. 구리는 상온에서 식각 가스와 반응해 잘 날아가는 화합물을 만들지 못해, 플라즈마로 깔끔하게 깎아내기가 대단히 어렵습니다.

그래서 구리는 깎는 대신 채우는 쪽으로 방향을 틀었습니다. 절연막에 홈을 파고 구리를 도금으로 채운 뒤 넘친 부분만 연마하는 다마신 방식이 구리 배선의 표준으로 자리 잡은 것이죠. 깎기 힘든 금속을 다루기 위한 우회로가 다마신이었던 셈입니다.

공정 흐름으로 보는 다마신 공정 비교

두 방식이 실제로 어떤 순서로 진행되는지 나란히 놓고 보면 차이가 더 또렷해집니다. 아래 두 공정 흐름으로 다마신 공정 비교를 따라가 보겠습니다.

다마신은 절연막을 먼저 파고 금속을 나중에 채우며, 서브트랙티브는 금속을 먼저 깔고 절연막을 나중에 채웁니다. 순서가 정반대라는 점이 두 방식의 성격을 가릅니다.

미세화가 서브트랙티브 식각을 다시 부르는 이유

다마신은 좁고 깊은 홈 속을 배리어와 구리로 빈틈없이 채워야 하는데, 선폭이 10나노미터대로 좁아지면 배리어가 단면을 잡아먹고 도금이 홈 바닥까지 닿기 어려워집니다. 깎기 힘든 구리를 피해 간 우회로가, 이번에는 채우기의 벽에 부딪힌 것입니다.

여기서 루테늄·몰리브덴 같은 식각 가능한 금속이 등장하면서 서브트랙티브가 다시 떠올랐습니다. 서브트랙티브는 알루미늄 시절의 낡은 방식일 뿐이라고 넘기기 쉽지만, 배리어 없이 금속을 꽉 찬 선으로 남길 수 있어 좁은 배선에서 유효 단면적을 되찾는 장점이 분명합니다.

게다가 서브트랙티브는 배선을 먼저 세운 뒤 사이를 메우므로, 배선 틈에 일부러 공기층(에어갭)을 남겨 커패시턴스를 낮추기도 쉽습니다. 다만 좁은 금속 선을 수직으로 가지런히 깎아내는 식각 난이도와, 깎인 금속 잔류물 관리가 넘어야 할 과제로 남아 있습니다.

서브트랙티브와 다마신 방식 비교

두 배선 방식의 성격과 유불리를 정리하면 아래와 같습니다.

구분	다마신(채우기)	서브트랙티브(깎기)
식각 대상	절연막을 깎아 홈 형성	금속을 직접 깎아 선 형성
금속 채움 순서	홈을 판 뒤 금속 채움	금속을 깐 뒤 절연막 채움
어울리는 금속	식각이 어려운 구리	식각 가능한 루테늄·몰리브덴
미세화 강점	성숙한 공정, 비아 통합 용이	배리어 생략과 에어갭 적용 쉬움
핵심 과제	좁은 홈의 배리어 부피와 갭필	금속 수직 식각과 잔류물 관리

핵심 정리

쿠키를 칼로 잘라낼지 틀에 채울지 재료에 따라 달라지듯, 배선도 금속의 성질에 따라 깎는 서브트랙티브와 채우는 다마신으로 갈립니다. 다마신 공정 비교의 핵심은 구리가 식각이 어려워 채우는 길을 택했다는 데 있습니다.

그러나 미세화로 채우기마저 한계에 이르자, 식각 가능한 루테늄·몰리브덴과 함께 서브트랙티브가 다시 주목받고 있습니다. 두 방식의 순서와 유불리를 이해하면, 차세대 배선 공정이 어느 쪽으로 움직이는지 큰 그림이 잡힙니다.

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