구리 다마신 공정 (Copper Damascene Process)
한 줄 정의: 절연막에 미리 홈을 파고 그 안을 구리로 채운 뒤 표면을 평탄화하여 배선을 형성하는 반도체 배선 공정입니다.
쉽게 풀면
다마신이라는 이름은 금속을 무늬대로 파낸 뒤 다른 금속을 채워 넣는 전통 상감 세공 기법에서 따온 것입니다. 구리 다마신 공정도 비슷합니다. 먼저 절연막에 배선 모양대로 홈을 파고, 그 홈 안에 구리를 채운 다음, 표면에 남은 여분의 구리를 깎아내어 홈 안에만 구리 배선이 남도록 만듭니다. 구리는 기존에 쓰이던 알루미늄보다 전기가 잘 통하지만 식각으로 패턴을 만들기 어려운 재료여서, 먼저 홈을 파고 채우는 이 방식이 널리 쓰이게 되었습니다.
왜 중요한가
배선의 저항을 낮추는 것은 배선 RC 지연을 줄이고 칩 성능을 높이는 데 직결됩니다. 구리 다마신 공정은 저저항 재료인 구리를 미세 배선에 적용할 수 있게 해준 핵심 공정이기 때문에, 반도체 후공정 및 배선 관련 논문에서 표준적으로 언급됩니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
"The copper damascene process involves trench etching, barrier deposition, copper electroplating, and chemical mechanical polishing."
구리 다마신 공정이 홈 식각, 배리어막 증착, 구리 전기도금, 화학기계연마의 단계로 이루어진다는 내용입니다.
"Dual damascene structures enable simultaneous formation of vias and metal lines within a single copper fill step."
듀얼 다마신 구조를 통해 비아와 금속 배선을 하나의 구리 충전 단계에서 동시에 형성할 수 있다는 예문입니다.
조금 더 깊게 보면
구리는 절연막 속으로 쉽게 확산되는 성질이 있어, 구리를 채우기 전에 확산을 막는 얇은 배리어막을 먼저 증착합니다. 이후 전기도금으로 홈을 구리로 채우고, 화학기계연마(CMP)로 표면의 불필요한 구리를 제거해 절연막과 평탄한 면을 이루도록 마무리합니다.
주의할 점
구리는 반응성 이온 식각으로 직접 패턴을 만들기 어려운 재료이기 때문에, 알루미늄 배선처럼 금속을 먼저 식각하는 방식이 아니라 다마신 공정을 사용한다는 점을 혼동하지 않아야 합니다.