텅스텐 플러그 공정, 핵생성층과 W CVD로 콘택을 채우는 법

지하 깊은 곳에 자리 잡은 지하철 승강장과 지상 위쪽의 고가 도로망을 수직으로 연결하는 엘리베이터 기둥 통로를 공사로 세운다고 상상해 볼까요. 이 수직 통로를 빠르게 채우려고 강산성 성분이 섞인 특수 속경 시멘트를 바로 부어 버리면, 시멘트의 독한 성분이 지하 승강장의 철골 기둥을 부식시켜 구조물 전체가 위험해집니다. 그래서 먼저 산성 성분을 막아 주는 방호 벽돌을 두르고 시멘트가 잘 달라붙는 얇은 초벌 미장을 한 뒤에야 본 시멘트를 부어 기둥을 완성하죠.

반도체 웨이퍼 바닥의 실리콘 트랜지스터(FEOL)와 상부의 구리 배선망(BEOL) 사이를 수직으로 이어 주는 징검다리(MOL, Middle-of-Line)인 콘택 플러그(Contact Plug) 공정에서도 똑같은 일이 벌어집니다. 열과 확산에 강하고 깊은 구멍 매립 능력이 뛰어나 콘택 홀의 주역으로 쓰이는 텅스텐 플러그 공정에서, 왜 라이너·배리어와 핵생성층(Nucleation layer), 그리고 벌크 화학기상증착(W CVD)을 단계별로 쌓아야 하는지 원리를 따라가 보겠습니다.

트랜지스터와 가장 가까운 콘택 홀에 구리 대신 텅스텐을 쓰는 이유

반도체 칩 위쪽의 수많은 신호 배선(M1~M10 이상)은 전기 저항이 낮은 구리(Cu)로 만들지만, 정작 트랜지스터의 소스·드레인과 게이트 바로 위에서 첫 번째 배선(M1)까지 수직으로 올라오는 가장 깊고 좁은 구멍인 콘택(Contact) 홀에는 오랫동안 구리가 아닌 텅스텐(W)이 표준 금속으로 쓰여 왔습니다.

그 가장 큰 이유는 실리콘 소자 오염 방지와 열적 안정성입니다. 콘택 홀 바닥은 실리콘(Si) 소스·드레인 영역(실리사이드)과 직접 맞닿아 있는데, 확산 속도가 빠른 구리를 이곳에 바로 쓰면 후속 열처리 과정에서 구리 원자가 실리콘 내부로 스며들어 트랜지스터를 망가뜨릴 위험이 큽니다. 반면 녹는점이 약 3,422°C로 모든 금속 중 가장 높은 텅스텐은 고온에서도 원자가 거의 움직이지 않아 열적 신뢰성이 압도적이고 일렉트로마이그레이션(EM)에 의해 끊어질 염려가 없습니다.

또한 공정 측면에서도 콘택 홀은 폭이 수십 나노미터 이하로 매우 좁고 깊어 종횡비(Aspect Ratio)가 큰 구조입니다. 텅스텐은 기체 전구체인 육불화텅스텐(WF₆)을 이용한 화학기상증착(CVD) 기술이 매우 잘 확립되어 있어, 물리기상증착(PVD)이나 도금으로는 채우기 까다로운 초미세 구멍 내벽을 뛰어난 단차 피복성(Step coverage)으로 매립할 수 있습니다.

불소 공격(Fluorine attack)을 막는 Ti/TiN 배리어와 ALD 핵생성층

그렇다면 절연막에 뚫은 콘택 홀 안에 곧바로 육불화텅스텐($\text{WF}_6$) 가스를 흘려 넣어 텅스텐을 채우면 어떻게 될까요. 공정을 처음 접할 때 흔히 텅스텐은 확산도 잘 안 하니 절연막과 실리콘 위에 바로 WF₆ 가스로 증착해도 문제없을 것이라고 오해하기 쉽습니다. 그러나 그렇게 하면 구멍 바닥의 실리콘과 절연막이 순식간에 파여 나가는 대참사가 일어납니다.

원료 기체인 $\text{WF}_6$는 반응성이 극도로 강해, 바닥의 실리콘(Si)을 만나면 실리콘 원자를 빼앗아 기체 상태의 사불화실리콘($\text{SiF}_4\uparrow$)으로 날려 버리며 실리콘 기판을 벌레 먹은 것처럼 갉아먹는 실리콘 잠식(Si consumption, Wormhole)을 일으킵니다. 또한 반응 부산물로 나오는 불화수소(HF) 가스가 주변 산화막이나 하부 티타늄(Ti) 층과 반응해 부풀어 오르거나 빈 구멍(화산 분화구 모양의 Volcano defect)을 만드는 불소 공격(Fluorine attack)을 유발하며, 결정적으로 산화막(SiO₂) 위에서는 $\text{WF}_6$가 스스로 핵을 거의 만들지 못합니다.

WF₆ 수소 환원으로 구멍을 메우는 텅스텐 플러그 공정의 작동 원리

왜 굳이 텅스텐 플러그 공정을 ‘ALD 핵생성층’과 ‘CVD 벌크 매립’ 두 단계로 나누어 진행할까요. 이는 원료인 $\text{WF}_6$를 환원시키는 파트너 기체인 실란($\text{SiH}_4$)/다이보란($\text{B}_2\text{H}_6$)과 수소($\text{H}_2$)의 화학적 성질이 정반대이기 때문입니다.

첫 단추를 끼우는 핵생성 단계에서는 반응성이 매우 빠른 실란($\text{SiH}_4$)이나 다이보란($\text{B}_2\text{H}_6$)을 환원제로 씁니다. 이들은 낮은 온도에서도 TiN 표면에 재빨리 전자를 내주며 불소 부산물(HF)을 거의 만들지 않고 순식간에 촘촘한 텅스텐 핵을 깔아 주어 하부 막질을 불소 공격으로부터 보호합니다. 다만 이 반응으로 생긴 텅스텐은 결정립이 아주 작거나 비정질(Amorphous)에 가까워 비저항이 높고, 계속 두껍게 쌓으면 단차 피복성이 나빠져 구멍 입구를 막아 버립니다.

그래서 얇은 핵생성층만 깔고 나면 곧바로 환원제를 수소($\text{H}_2$) 기체로 바꾸어 벌크 CVD($\text{WF}_6 + 3\text{H}_2 \rightarrow \text{W} + 6\text{HF}\uparrow$)를 진행합니다. 수소 환원 반응은 표면 반응 속도가 적절히 제어되어 좁고 깊은 콘택 홀 바닥까지 원료 가스가 골고루 들어간 뒤 내벽 전체에서 균일한 두께(Conformal)로 자라나며, 텅스텐 결정립(Grain)이 큼직하게 성장해 플러그의 전기 비저항을 크게 낮추어 줍니다.

중앙 심(Seam) 억제와 저저항·무불소 텅스텐·몰리브데넘으로의 진화

도입의 엘리베이터 기둥 공사 비유와 실제 공정을 비교해 보면, 건축에서는 시멘트를 위에서 부어 아래부터 채우지만 CVD 텅스텐 플러그 공정은 구멍의 양쪽 측벽과 바닥에서 동시에 같은 두께로 텅스텐이 자라 나와 가운데에서 만나는 방식으로 채워진다는 차이가 있습니다. 이 때문에 구멍 양쪽 벽에서 자라 나온 텅스텐이 정중앙에서 맞닿아 닫히는 순간, 한가운데에 가느다란 수직 틈새인 심(Seam)이나 키홀(Keyhole) 보이드가 남기 쉽습니다.

만약 이 중앙 심(Seam)이 구멍 위쪽까지 높게 올라와 있으면, 후속 공정인 텅스텐 CMP로 윗부분을 갈아낼 때 가려져 있던 심이 표면으로 뻥 뚫리며 노출(Seam opening)되고, 그 틈으로 연마 슬러리 용액이 스며들어 플러그 내부를 부식시키는 불량을 일으킵니다. 이를 막기 위해 증착 도중 식각 가스로 구멍 입구 쪽을 살짝 넓혀 주는 증착-식각(Dep-Etch) 반복 공정을 쓰거나 억제제 가스를 넣어 바닥 쪽 성장을 유도합니다.

나아가 콘택 선폭이 10nm 수준으로 좁아진 첨단 로직과 3D 낸드 워드라인에서는 TiN 배리어와 ALD 핵생성층이 차지하는 두께조차 저항 병목이 됩니다. 이에 따라 $\text{B}_2\text{H}_6$ 기반 핵생성층으로 벌크 텅스텐 결정립을 극대화하거나, 유기금속 전구체를 써서 불소 공격 걱정 없이 TiN 장벽을 생략하는 무불소 텅스텐(Fluorine-free W), 나아가 초미세 선폭에서 텅스텐보다 전자 평균 자유 행로가 짧아 비저항이 훨씬 낮은 몰리브데넘(Mo)으로 콘택과 워드라인 금속을 대체하는 기술이 빠르게 확산되고 있습니다.

Ti/TiN 배리어, ALD 텅스텐 핵생성층, CVD 벌크 텅스텐 비교

텅스텐 플러그 공정을 이루는 세 가지 세부 박막 층의 반응 원리와 역할을 비교하면 아래와 같습니다.

비교 항목	Ti / TiN 라이너·배리어층	ALD 텅스텐 핵생성층 (Nucleation)	CVD 벌크 텅스텐 (Bulk Fill)
주요 원료 및 반응 가스	TiCl₄ + NH₃ (또는 유기금속 전구체)	WF₆ + SiH₄ 또는 B₂H₆ (교차 펄스)	WF₆ + H₂ (수소 환원 연속 주입)
핵심 공정 목적	하부 오믹 콘택(Ti) 및 WF₆·불소 침투 차단(TiN)	잠복기 없이 균일한 씨앗 형성 및 하부 막 보호	빠른 속도로 콘택 홀 전체 매립 및 저저항 확보
박막 두께 및 미세구조	수 nm 초박막, 치밀한 다결정·비정질	2~4 nm 초박막, 미세 결정 또는 비정질(B 함유 시)	수십~수백 nm 매립, 큰 주상정 결정립(Columnar)
전기 비저항 특성	높음 (배리어 두께 최소화 필요)	높음 (두꺼우면 전체 플러그 저항 상승)	낮음 (결정립이 클수록 벌크 비저항에 근접)
공정 불량 시 주요 위험	핀홀 발생 시 불소 공격으로 볼케이노·웜홀 결함	피복 불량 시 벌크 W 미증착 및 거친 표면 유발	오버행 발생 시 중앙 보이드 및 CMP 후 심(Seam) 노출

핵심 정리

독한 산성 시멘트로부터 지하 철골을 지키기 위해 방호벽과 초벌 미장을 먼저 시공하듯, 텅스텐 플러그 공정은 부식성이 강한 육불화텅스텐($\text{WF}_6$)과 불소 부산물로부터 실리콘 소자를 보호하는 Ti/TiN 배리어, 균일한 성장의 발판을 놓는 ALD 핵생성층, 그리고 구멍을 빠르게 채우며 저항을 낮추는 수소 환원 벌크 W CVD의 치밀한 분업으로 이루어집니다.

양쪽 측벽에서 자라 나와 만나는 CVD 매립 특성상 중앙에 생기는 미세한 심(Seam)의 높이를 낮추어 후속 CMP 노출을 막는 것과, 배리어·핵생성층의 두께를 극한으로 줄이고 대결정립 텅스텐이나 몰리브데넘(Mo)으로 접촉 저항을 낮추는 것이 현대 MOL 콘택 공정의 핵심 포인트입니다.

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