[반도체 전공정 6편 완결편] 반도체에 생명을 불어넣는 연결, ‘금속배선’ (6/6)

반도체의 핵심, ‘연결’

앞서 살펴본 산화, 포토, 식각, 증착 등의 과정들을 여러 차례 거치고 나면 드디어 반도체 소자들이 웨이퍼 표면에 형성된다. SK하이닉스와 같은 메모리 반도체 회사라면 웨이퍼 표면에 트랜지스터와 캐패시터*가 늘어서게 됐을 것이고, 파운드리나 CPU 회사라면 FinFET*과 같은 3차원 트랜지스터가 웨이퍼 바닥에 나란히 자리하고 있을 것이다.

* 캐패시터(Capacitor) : 축전지, 전기를 저장할 수 있는 장치로 다수의 전자제품에 적용되지만 본 칼럼에서는 메모리 반도체에서 데이터가 저장되는 장치를 지칭한다.

* FinFET : 3차원 MOSFET의 일종으로, 전류의 통로가 물고기 지느러미 모양과 비슷하게 생겼다.

▲ 그림 1 : 소자 영역과 금속 배선 영역 (출처 : Cepheiden, 원문보기)

하지만 이 소자들은 홀로 있어서는 아무 의미가 없다. 전기기판 위의 개별 소자들이 납땜 없이는 작동하지 못하듯, 웨이퍼 위 트랜지스터들도 서로 연결되지 않으면 아무 역할도 하지 못한다. 트랜지스터들은 외부 전원을 받아 동작할 수 있어야 하며, 처리가 끝난 데이터를 다음 영역으로 옮겨주는 등 다양한 일을 해야 한다. 따라서 소자와 전원, 소자와 소자를 연결해 주는 공정이 필요하다. 그리고 반도체 역시 ‘전자’ 회로인 만큼, 각 소자들은 전기를 이용해 소통해야 한다. 여기서 필요한 것이 ‘금속배선’ 공정이다.

그리고 동일한 소자를 사용하더라도 그 연결 형태에 따라서 CPU, GPU 등 다양한 형태의 반도체가 완성된다. 금속배선 공정이야말로 반도체에 ‘목적’을 부여하는 공정인 것이다.

▲ 그림 2 : 형성된 소자층(붉은색)을 연결하는 금속배선(노란색)(일부 구조물 생략)(출처 : 원문보기)

이번에 살펴볼 금속배선 공정은 앞에서 살펴본 포토, 식각, 증착 등과 같은 단일 공정이 아니다. 실제로는 반도체 회사들은 금속배선을 만들기 위해 포토, 식각 등의 공정을 거치는 것이다. 다만, 금속 배선 공정에서는 전 단계인 소자층 형성 때와는 특성이 다른 물질(금속)들이 많이 사용된다는 차이가 있다.

즉, ‘식각 장비’와 비슷하게 ‘금속배선 공정용 장비’가 존재하는 것이 아니라, 각종 공정용 장비들이 금속 배선을 만드는 데 사용되는 것이다. 만약 무언가 깎아서 공간을 만들어야 한다면 식각용 장비가 사용될 것이고, 빈 곳에 물질을 채워야 한다면, 주로 증착 장비가 사용될 것이다. 그리고 그 과정 사이마다 포토 공정이 당연히 들어가게 된다. 

도선과 소자 사이 : 컨택

기판의 소자들을 연결할 때는 전선을 연결한 뒤 납땜한다. 하지만 반도체의 경우, 아래에서 위로 쌓아 올리는 방식을 사용하기 때문에, 하부의 소자층을 형성한 다음, 그 위에 컨택이라고 부르는 소자와 금속배선의 연결부를 만들고 그 위에 금속배선을 연결한다.

▲ 그림 3 : 컨택 형성 시 텅스텐의 용도와 배리어 메탈 예시 (출처 : Cepheiden, 원문보기)

생각하기에 따라서는 무엇인가 이상할 수도 있다. 컨택 없이 그냥 금속을 소자와 바로 연결하면 될 것 같다. 하지만 역시나 여기서도 미세화가 문제를 일으킨다. 앞서 증착 공정에서 빈틈을 채우는 특성인 갭 필(Gap fill) 등의 특성을 살펴봤는데, 문제는 알루미늄 등의 금속 물질들은 타공이 깊을 경우 아무리 증착을 시도해도 틈이 잘 메워지지 않는 특성이 있다는 것이다. 이럴 경우 중간이 빈 불량 도선이 된다. 해당 문제로 인해 만들어야 하는 금속배선의 깊이가 깊을 경우(소자층과 금속층의 거리가 멀 경우), 텅스텐(W)과 같이 갭 필 특성이 좋은 다른 금속을 증착해 미리 채워 넣어야 한다. 이것이 아니면, 금속 접점을 형성한 뒤 고열 처리 공정이 필요한데, 사용하려는 금속이나 기타 물질들이 알루미늄과 같이 열에 약한 경우에도 텅스텐으로 접점을 형성하고 그 위에 알루미늄 도선을 배치한다.

머리카락 두께 수천분의 1밖에 되지 않는 세계에서는 이해하기 힘든 일이 일어나며, 이에 대응하기 위해선 다양한 대안을 놓고 비교해 최적의 결정을 내려야 한다. 위에서 설명한 텅스텐의 경우 장점만 있는 것 같지만 실제로는 배선 재료로서는 구리나 알루미늄보다 부적합하다. 배선 저항이 크기 때문에 텅스텐을 남용할 경우 반도체 전체 전력 소모가 증가하기 때문이다.

배리어 메탈 : 금속과 금속의 ‘저항’을 줄이다

한편, 소자와 접점 사이에는 배리어 메탈(Barrier metal)이라는 금속(혹은 금속 화합물)이 필요하다. 반도체 공정에서 금속이 아닌 물질과 금속인 물질을 정확하게 접합하기는 매우 어려운 일이다. 특성이 다른 두 물질이 바로 접합되면 그 경계에서 큰 저항이 발생*하게 되는데, 이는 반도체의 전력 소모를 증가시킨다. 이를 막기 위해서 경계면이 ‘자연스럽게’ 비금속에서 금속으로 변하는 것처럼 만들어야 하는데, 여기에 배리어 메탈이 사용된다. 배리어 메탈을 만들기 위해선 반도체 소자의 규소층 위에 티타늄(Ti)이나 코발트(Co)와 같은 물질을 칠해준 뒤, 이 금속들이 규소 원자와 반응시키면 된다. 이런 과정을 Silicidation이라 부르며, 해당 부위를 Contact Silicide라 부른다.

* 물리적으로는 금속과 규소 사이 전도대(Conduction Band)** 차이로 인해 저항이 발생한다.

** 전도대(Conduction Band) : 고체의 에너지띠 구조에서 에너지 간격으로 분리된 두 띠 가운데 위의 띠로 고체의 전도에 기여한다.

그뿐만 아니라 배리어 메탈은 공정 진행 과정에서 원치 않은 소자 손상을 방지하기 위해서도 사용한다. 예를 들어 알루미늄의 경우, 웨이퍼의 주재료인 규소(Si)와 반응하려는 성질이 있다. 만약 알루미늄 금속 배선이 소자층의 규소를 가까이 지나가야 하는 상황이라면, 둘 사이를 티타늄 화합물 등으로 차단해 줄 필요가 있다.

▲ 그림 4 : 알루미늄 배선 사용 시 배리어 메탈 역할

한편, 알루미늄의 한계로 구리 도선의 사용이 늘어나면서 배리어 메탈의 역할이 늘어나게 됐다. 구리는 알루미늄보다 한술 더 떠서 규소보다 더 안정적인 이산화규소(SiO₂) 사이로도 확산해 들어가는 특징이 있다. 이를 방치하게 되면 전류를 차단해야 할 산화막이 구리 원자를 포함하게 돼 전류 누설이 발생한다. 이것을 막기 위해 탄탈륨(Ta)이라는 금속을 이용해 구리와 소자층의 경계를 지어줘야 한다.

도선 : 소자와 소자 사이 전선

이제 납땜에 해당하는 부분을 만들었으므로, 전선을 연결해야 한다. 반도체에서 전선을 연결하는 과정은 일반적인 전선을 만드는 과정과 매우 유사하다. 일단 피복에 해당하는 부분을 먼저 만들어야 한다. 일반 전자회로의 경우, 완성된 전선을 가져와 연결하는 것이지만, 반도체는 회로 위에서 전선을 ‘만들어 내야’한다.

▲ 그림 5 : 반응성 이온 식각(RIE) Damascene 공정 비교(출처 : ㈜도서출판한올출판사 [반도체 제조기술의 이해 293p])

이 과정은 만들고자 하는 금속의 종류에 따라 매우 다르게 전개된다. 만약 증착할 금속이 알루미늄이라면, 앞에서 배웠던 식각과 증착을 통해 도선을 만들 수 있다. 일단 웨이퍼 표면 전체에 금속 막을 바른 뒤, 위에 포토레지스트를 도포하고 노광을 하는 것이다. 이후 필요 없는 알루미늄을 깎아낸 뒤, 알루미늄 주변에 각종 유전체(절연 물질)를 채워 넣게 된다.

구리의 경우는 금속과 유전체 증착 순서가 반대다. 구리는 배선을 만들 때 유전체를 먼저 증착한 뒤, 포토 공정을 이용해 유전체를 식각한다. 이후 구리 씨드 레이어를 만든 뒤, 구리를 유전체 사이에 채워 넣고 남는 구리를 갈아서 없애는 과정을 거친다.

혹자는 금속 먼저 혹은 유전체 먼저, 두 공정의 순서만 바뀐 것이 왜 중요한지 궁금할 것이다. 하지만 앞서 설명했듯 구리를 쓰기 위해서는 씨드 레이어를 도포해야 하는데, 이를 위한 새로운 증착 공정이 추가돼야 했으며, 알루미늄에서는 사용하지 않던 전기도금(Electroplating) 기법도 도입해야 했다. 알루미늄의 한계를 넘어서기 위해서는 신물질인 구리(Cu)뿐 아니라 이에 맞는 수많은 공정이 개발돼야 했다. 100년 전 사람들도 알루미늄보다 구리가 전기적 특성이 좋다는 것은 알고 있었다. 다만, 반도체 회사 입장에서 ‘더 싸고, 많은 트랜지스터’에 적용하기 위해선 제조 공정의 발전도 필요했다.

금속배선은 위쪽으로 갈수록 두꺼워진다. 반도체 소자들 중, 자주, 많은 데이터를 주고받아야 하는 소자들은 물리적으로 가까운 거리에 배치해야 유리하다. 하지만 주고받는 빈도가 높지 않은 소자들은 먼 거리를 연결해도 상관없다. 이런 소자들의 경우 상부의 더 두꺼운 금속배선을 통해 연결된다.

여기서 짐작할 수 있겠지만, 두꺼운 상부 금속배선들은 제조하기 어려운 테크닉을 적용할 필요가 없다. 과거에 알루미늄으로 특정 두께의 하부층 배선을 만들어 봤다면, 이번에는 같은 두께의 알루미늄 배선을 상부에 만들 수 있는 것이다. 따라서 상부 배선층에는 꼭 첨단 기술을 적용하지는 않고, 기존에 자주 해 본 공정을 적용할 수도 있다. 이를 통해, 반도체 회사는 투자비를 아낄 뿐만 아니라, 공정 학습 시간을 줄일 수 있다.

 기술의 조합

위 기술들은 따로따로 존재하는 것이 아니다. 반도체 제조 회사들의 목적에 맞춰 다양하게 조합돼, 각 회사가 원하는 반도체를 만드는 데 사용된다. SK하이닉스와 같은 메모리 회사와는 달리 TSMC, 인텔과 같이 로직 반도체*를 제조하는 회사들은 트랜지스터의 전류 제어 능력이 매우 높아야 한다. 이를 위해 FinFET과 같은 3차원 구조를 도입함으로써 전류 통과 부분인 채널을 3차원 모양으로 만들어 면적을 높여야만 한다. 이런 구조의 트랜지스터를 만들었다면, 당연히 DRAM 등이 사용하는 평면 트랜지스터보다 접점 형성이 매우 어려울 것임을 짐작할 수 있다. <그림 6> 왼쪽 그림의 경우 전류가 흐르는 부분(채널)과 컨택을 밀착시키기 쉽지만, 오른쪽 그림의 경우 채널에 밀착되는 컨택을 만드는 것이 어려울 것임을 짐작 가능하다.

* 로직(Logic) 반도체 : CPU, GPU 등 연산 목적을 가진 반도체

▲ 그림 6 : 로직 반도체의 FinFET은 DRAM의 평면 트랜지스터보다 접점 형성이 어렵다.

도선의 배리어 메탈도 마찬가지다. 인텔은 7나노 공정에서 구리의 일렉트로마이그레이션* 문제로 인해 구리 대신 코발트 기반의 금속배선층을 시도했다가 수년간 큰 어려움을 겪은 바 있다. 이로 인해 인텔은 2022년 현재 개발 중인 4나노 공정에서 구리 배선을 다시 도입하되, 구리 배선을 탄탈륨(Ta)과 코발트로 감싸서 문제를 해결하려 시도하고 있다. 인텔에선 이를 개선된 구리 배선(Enhanced Cu)라고 부르고 있다.

* 일렉트로마이그레이션(Electromigration, EM) : 금속배선에 전류가 흐를 때, 움직이던 전자들이 금속배선 원자를 때려 금속 원자의 위치를 바꿔버리는 현상

미세화가 진행될수록 이런 어려움은 계속 나타날 수밖에 없다. 인텔은 CPU 회사이기 때문에 고속 동작하는 소자가 중요하다. 고속 동작 특성 때문에 일렉트로마이그레이션 저항력이 우수했던 구리조차 한계에 부딪혔던 것이고, 이를 이겨내기 위해 여러 가지 시도를 하고 있는 것이다. SK하이닉스와 같은 메모리 회사의 경우 회로 동작 속도에 의한 문제는 없지만, 대신 캐패시터를 높이 쌓아 전하 용량을 유지하는 것에 어려움을 겪고 있다. 중요한 것은 미세화의 어려움은 각 회사가 처한 비즈니스 환경에 따라 다르게 나타나는 것이다. 분명 SK하이닉스를 기다리는 금속 배선의 어려움도 나타날 것이다.

결론 : 암기보다는 이해를, 혼자보다는 함께

지금까지 우리는 6편의 긴 여정을 함께 했다. 제법 길다고 생각했을 수도 있지만, 고작 6편의 글로는 여러분에게 방대한 첨단 반도체 지식의 1%도 전달하지 못할 것이다. 그럼에도 이러한 글을 쓴 이유는 이후 반도체 산업을 이끌어갈, 혹은 산업에 관심이 있는 많은 분에게 꼭 전달하고자 하는 메시지가 있기 때문이다.

반도체는 수만 명의 사람들이 모여 십시일반으로 공헌해 만드는 거대한 작품이다. 웨이퍼 한 장이 완제품이 되기 위해서는 수백 단계의 공정을 거쳐야 한다. 각 공정에 참여하는 사람들은 최종 제품에 1%도 안 되는 기여를 하는 셈이지만, 이 중 한 공정이라도 실패하면 반도체는 작동하지 않는다. 그리고 반도체 회사에서 개개인이 하는 일은 완전히 독립돼 있지 않고, 서로가 하는 일이 서로에게 영향을 주는 형태이다.

이 글의 목적 중 하나는 이 글을 읽는 독자들이 공정 기술을 이해하는 것이다. 하지만 그것보다 더 중요한 목적은 바로 기술 사이의 관계를 이해하는 것이다. 증착 공정에서 사용한 물질은 이후 열을 사용하는 공정과 식각 등에 영향을 미친다. 식각을 넉넉하게 진행할 경우, 후속하는 증착 공정의 갭 필 특성이 좋지 않으면 전체 제품에 문제가 생길 수 있다. 미세 패턴을 그려야 하는 노광기가 부족하다면, 멀티패터닝*을 해야 한다. 이 과정에서 하드 마스크 추가 증착, 식각이 필요해지게 된다.

* 멀티패터닝 : 노광기를 여러 번 사용해 더욱 미세한 패턴을 웨이퍼 위에 그리는 기법

위와 같은 사실을 보면 알 수 있겠지만, 반도체 산업은 첨단 산업일 뿐만 아니라 일종의 신뢰 산업이다. 회사 내 직원 간 의사소통 능력, 업무의 정직함, 새로운 것을 떠올리는 창의력이 필요한 산업이다. 반도체 기술 발전은 새로운 미세공정을 개발했을 때 생겨나는 다양한 어려움을 모두가 정직하게 공유함으로써 문제를 파악한 뒤, 해결책을 가진 조직(공정)이 창의력을 발휘해 문제를 해결하는 과정의 연속이다. 앞서 포토 공정에서도 액침 노광기로 인해 일어난 새로운 문제를 노광기가 아닌 포토레지스트를 통해 해결한 것을 봤다.

▲ 그림 7 : 노광기에서 발생한 문제를 포토레지스트로 해결한 예시

이 글을 읽은 많은 분들, 특히 후배가 될 여러분이 이런 반도체 산업의 특징을 이해했으면 좋겠다. 기술에 대한 이해를 통해 자신의 커리어를 이어가고, 수많은 유관 조직과 선순환적 관계를 만들어가며 세계 최고의 반도체를 만들어 냈으면 좋겠다.

현재 반도체 기술은 미세화에 큰 어려움을 겪고 있다. 이후에는 반도체를 만들기 위해 반도체 사용자들의 목소리를 지금보다 더 많이 들어야 할 것이다. 그리고 그 시대에 반도체 회사 내에서 소통하며 기술 개발했던 능력이 더욱 빛을 발할 것이다. 

※ 본 칼럼은 반도체/ICT에 관한 인사이트를 제공하는 외부 전문가 칼럼으로, SK하이닉스의 공식 입장과는 다를 수 있습니다.