듀얼 다마신 공정, 비아와 트렌치를 한 번에 채우는 순서

목공 공방에서 서랍장에 금속선을 박아 넣는 상감 장식을 만들 때는 먼저 도안을 따라 나무에 홈을 파고, 그 홈에 금속선을 끼운 뒤 대패와 사포로 표면을 평평하게 밀어 냅니다. 장식을 위에 덧붙이지 않고 파낸 자리에 채워 넣는 방식이죠.

구리 배선을 만드는 공정이 바로 이 방식을 빌려 왔고, 여기에 한 가지 요령을 더한 것이 듀얼 다마신 공정입니다. 위아래 층을 잇는 구멍과 같은 층 안의 배선 홈을 하나로 이어 한 번에 채웁니다.

상감과 다른 점도 있습니다. 목공 상감은 홈이 한 단계 깊이뿐이지만 칩에서는 얕은 홈 아래에 더 깊은 구멍이 달린 2단 구조를 만들고, 채우는 재료도 두드려 박는 것이 아니라 도금으로 차오르게 합니다.

다마신의 발상, 깎지 못하는 구리를 홈에 채우기

알루미늄 배선은 금속막을 먼저 깔고 불필요한 부분을 식각으로 깎아 선을 남기는 방식이었습니다. 구리는 건식 식각으로 깎을 때 쉽게 날아가는 화합물이 잘 만들어지지 않아서, 같은 방식으로 패턴을 만들기 어렵습니다.

그래서 순서를 뒤집었습니다. 절연막에 먼저 홈을 파고, 홈과 표면 전체에 구리를 채우고, 넘친 구리를 CMP로 갈아 내면 홈 안의 구리만 선으로 남습니다. 이 발상이 금속 상감 기법인 다마신(Damascene)에서 이름을 얻었습니다.

구리 배선이 왜 알루미늄을 대체했는지는 다른 글에서 다뤘으므로, 이 글에서는 홈을 어떤 순서로 파고 어떤 순서로 채우는가에 집중합니다.

싱글 다마신과 듀얼 다마신, 한 번에 채우면 달라지는 것

배선에는 같은 층 안을 가로지르는 선(트렌치)과, 층과 층을 수직으로 잇는 구멍(비아)이 함께 필요합니다. 싱글 다마신(Single damascene)은 비아 층과 배선 층을 따로 만들어서, 장벽층 증착, 도금, CMP를 각 층마다 한 번씩 합니다.

듀얼 다마신(Dual damascene)은 비아와 트렌치를 하나의 절연막 안에 연달아 새겨서 이어 놓고, 장벽층과 도금과 CMP를 한 번에 끝냅니다. 같은 배선 구조를 만드는 데 필요한 증착과 연마 횟수가 줄어서 공정 비용이 낮아지는 것이 첫 번째 이유입니다.

두 번째 이유는 계면입니다. 싱글 다마신에서는 비아와 위쪽 배선 사이에 장벽층이나 캡층 같은 경계가 생기지만, 듀얼 다마신은 비아와 위쪽 배선이 한 덩어리의 구리로 이어져서 그 경계가 없습니다. 계면이 적으면 저항과 전자이동에 관한 신뢰성 면에서 유리하다고 설명됩니다.

대신 한 번에 채워야 하므로 홈의 구조가 복잡해지고, 식각 순서와 채움 조건을 더 엄격하게 맞춰야 합니다. 어느 쪽이든 층 수가 많은 다층 배선에서는 듀얼 다마신이 표준처럼 쓰이는 이유가 이 효율에 있습니다.

비아 퍼스트와 트렌치 퍼스트, 식각 순서를 정하는 고민

듀얼 다마신 공정에서 가장 먼저 갈리는 것은 비아와 트렌치 중 어느 쪽을 먼저 식각하느냐입니다. 비아 퍼스트(Via-first)는 비아를 먼저 하부 식각 저지막 근처까지 뚫고, 그 위에 트렌치를 식각합니다.

이 방식의 문제는 트렌치용 포토를 할 때 이미 뚫린 비아 구멍 속으로 레지스트가 흘러 들어간다는 점입니다. 트렌치를 식각하는 동안 비아 바닥이 함께 깎이는 것을 막으려면 구멍 안을 유기물 충전재로 일부 채워 보호해야 하고, 식각이 끝난 뒤에는 이 충전재를 다시 벗겨 냅니다.

트렌치 퍼스트(Trench-first)는 반대로 트렌치 패턴을 먼저 새기고, 그 바닥에서 비아 패턴을 맞춰 뚫습니다. 이미 파인 트렌치 때문에 표면에 단차가 생긴 상태에서 비아 포토를 해야 하므로 초점과 정렬이 어렵습니다.

이를 완화하려고 금속 하드마스크(TiN 등)에 트렌치 패턴을 먼저 열어 두는 방식이 널리 쓰입니다. 레지스트가 절연막에 직접 닿는 일이 줄어들어 절연막 손상 위험이 낮아지고, 비아를 뚫은 뒤에 하드마스크를 따라 트렌치를 식각하면 됩니다. 트렌치의 깊이는 중간에 식각 저지막을 끼우거나, 식각 시간으로 맞추는 방식 중 선택하는데, 저지막은 유전율이 높아 배선 사이의 유효 유전율을 올리기 때문에 시간 제어를 선호하는 경향이 있습니다.

듀얼 다마신 공정 순서, 식각에서 캡핑까지

식각 순서의 방식은 달라도 큰 흐름은 같습니다. 비아 퍼스트를 기준으로 한 전체 순서를 한눈에 정리하면 다음과 같습니다.

눈여겨볼 점은 4단계입니다. 비아 바닥의 식각 저지막을 여는 순간 하부 구리가 처음 공기와 식각 가스에 노출되므로, 이 면의 상태가 이후 접촉 저항과 신뢰성을 좌우합니다.

장벽층과 씨앗층, 얇지만 까다로운 두 겹

구리는 절연막 속으로 쉽게 퍼지는 금속이라, 홈의 바닥과 벽면을 확산을 막는 장벽층으로 감싸야 합니다. 오랫동안 탄탈럼(Ta)과 질화탄탈럼(TaN)을 겹쳐 쓰는 구성이 표준으로 쓰였고, 장벽층은 구리가 잘 붙게 하는 접착층 역할도 합니다.

씨앗층은 장벽층 위에 입히는 얇은 구리막으로, 도금할 때 전류가 흐르는 통로이자 도금 구리가 자랄 바탕이 됩니다. 홈 입구에 이 막이 두껍게 쌓이면 입구가 먼저 좁아져 안쪽에 빈 공간이 남기 쉬워, 두께와 균일성을 정밀하게 맞춰야 합니다.

장벽층에는 구조적인 숙제가 있습니다. 장벽층은 구리보다 저항이 훨씬 높은데, 홈이 좁아질수록 단면에서 차지하는 비중이 커져서 실제로 전류가 흐르는 구리의 몫이 줄어듭니다. 특히 비아 바닥의 장벽층은 하부 구리와 만나는 접촉 저항에 영향을 주므로, 이온을 충돌시켜 바닥의 장벽층을 일부 걷어 내는 방법이 쓰이기도 합니다.

그래서 ALD로 더 얇게 입히거나, 코발트나 루테늄 같은 라이너로 바꾸는 시도가 이어지고 있습니다. 어떤 구성을 쓸지는 세대와 회사에 따라 다릅니다.

구리 도금과 CMP, 바닥부터 차오르게 채우기

구리는 황산구리 용액에 웨이퍼를 담그고 전류를 흘려 석출시키는 전기도금으로 채웁니다. 좁고 깊은 홈을 빈틈없이 채우려면 입구에서 먼저 자라 막히는 일을 피하고 바닥에서부터 차오르게 해야 합니다.

이를 위해 도금액에는 성장을 늦추는 억제 첨가제와 성장을 빠르게 하는 가속 첨가제가 함께 들어갑니다. 홈 안쪽에서는 가속 첨가제가 상대적으로 진해지는 효과가 있어 바닥이 더 빨리 자라는데, 이를 슈퍼컨포멀(Superconformal) 도금이라고 부릅니다.

도금이 끝나면 홈 위로 구리가 두껍게 넘쳐 있습니다. 비교적 낮은 온도의 열처리로 결정립을 키워 저항을 낮추고, CMP로 넘친 구리와 그 아래의 장벽층을 차례로 갈아 홈 안의 구리만 남깁니다. 이 단계에서 넓은 배선이 접시처럼 파이는 디싱이나 촘촘한 영역이 낮아지는 이로전이 관리 대상입니다.

마지막으로 구리 윗면에 캡핑막을 덮습니다. 구리 표면은 원자가 이동하기 쉬운 길이 되기 쉬워 전자이동의 주요 경로로 알려져 있으므로, 캡의 재료와 접착력이 신뢰성을 좌우합니다.

듀얼 다마신 공정이 어려워지는 지점

첫 번째는 채움입니다. 홈이 좁고 깊어질수록 비아의 종횡비가 커져서, 장벽층과 씨앗층이 바닥까지 고르게 닿고 도금이 빈틈없이 차오르도록 조건을 맞추기가 어려워집니다.

두 번째는 비아의 정렬 오차입니다. 노광에서 위층 비아가 하부 배선에서 조금 어긋나면 비아가 이웃 배선이나 절연막 쪽으로 걸쳐, 단락 위험이나 절연 신뢰성 문제로 이어집니다. 이를 줄이기 위한 자기정렬 비아 같은 구조가 연구되고, 멀티 패터닝과 결합한 흐름도 복잡해지는 추세입니다.

세 번째는 절연막 손상입니다. 홈 측벽은 식각과 애싱을 거치며 손상되기 쉽고, 특히 유전율을 낮추려고 기공을 낸 재료는 더 취약합니다. 이 때문에 금속 하드마스크를 쓰거나 식각 가스를 바꾸는 식으로 손상을 줄이는 노력이 공정 설계에 들어갑니다.

흔한 오해도 있습니다. 듀얼 다마신은 구리를 한 번에 두 층 올리는 공정이라는 이해는 정확하지 않습니다. 한 층의 비아와 트렌치를 함께 만드는 것이므로 층 수만큼 같은 순서를 반복합니다.

다마신 방식 비교 표

구분	싱글 다마신	듀얼 다마신 (비아 퍼스트)	듀얼 다마신 (트렌치 퍼스트, 하드마스크)
패턴을 새기는 순서	비아 층과 배선 층을 따로 만듦	비아 먼저, 트렌치 나중	트렌치 패턴을 하드마스크에 먼저 새김
도금과 CMP 횟수	비아 층과 배선 층에 각각 1회	한 번에 1회	한 번에 1회
비아와 위쪽 배선 사이 계면	장벽층과 캡층 경계가 생김	구리가 이어져 경계 없음	구리가 이어져 경계 없음
주된 난점	공정 횟수와 비용	비아 속 충전재 처리, 트렌치 식각 중 비아 바닥 손상	단차 위 포토 정렬, 하드마스크 관리
절연막 손상 관점	층마다 식각을 반복	레지스트 제거 시 노출이 큼	하드마스크로 노출을 줄이는 데 유리

핵심 정리

듀얼 다마신 공정은 비아와 트렌치를 하나의 절연막에 이어서 새기고, 장벽층과 씨앗층, 전기도금, CMP를 한 번에 끝내는 구리 배선 공정입니다. 공정 횟수가 줄고 비아와 위쪽 배선 사이의 경계가 사라지는 장점이 있습니다.

상감 장식이 홈의 깊이와 순서를 먼저 정해야 하듯, 이 공정의 품질은 식각 순서와 장벽층의 두께, 도금의 채움 방식에서 갈립니다. 면접이나 실무에서는 비아 퍼스트와 트렌치 퍼스트의 차이, 그리고 듀얼 다마신 공정이 홈이 좁아지며 부딪히는 채움과 정렬의 한계를 함께 설명할 수 있어야 합니다.

면접 대비 질문