금속 CMP(구리, 알루미늄, 텅스텐) 공정의 차이점과 특징

1. 금속 CMP의 개요: 반도체에서 금속층의 역할과 CMP 필요성

반도체 제조 공정에서 금속층(Metal Layer)은 칩 내부의 트랜지스터, 커패시터, 저항 등의 요소를 서로 연결하는 배선 역할을 담당한다. 특히, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 텅스텐(W)과 같은 금속은 낮은 저항과 높은 신뢰성 덕분에 미세 배선 형성에 필수적으로 사용된다.

하지만 금속 배선이 형성될 때 표면이 고르지 않거나 과도한 금속이 잔존하면 웨이퍼 평탄화에 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해 적용되는 것이 바로 금속 CMP(Metal CMP) 공정이다.

CMP 공정은 금속층을 정밀하게 연마하여 필요한 부위만 금속을 남기고 불필요한 부분은 제거하는 역할을 한다. 그러나 각 금속의 물리적·화학적 특성이 다르기 때문에, CMP 공정에서 사용하는 슬러리(Slurry), 연마 패드(Polishing Pad), 연마 속도(Removal Rate) 등이 금속마다 차이가 난다.

본 글에서는 구리, 알루미늄, 텅스텐 CMP 공정의 특징과 차이점을 상세히 살펴보겠다.

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2. 구리(Cu) CMP 공정: 배선용 금속의 특성과 연마 방식

(1) 구리 배선의 장점과 CMP 필요성

구리는 낮은 저항(약 1.68 µΩ·cm)과 높은 신뢰성 덕분에 첨단 반도체 칩의 배선 재료로 사용된다. 특히, 90nm 공정 이후부터는 알루미늄을 대체하며 주력 금속 배선으로 자리 잡았다.

그러나 구리는 CMP 공정에서 몇 가지 어려움을 동반한다.

• 산화막(Barrier Layer) 형성이 필수적: 구리는 실리콘과 직접 접촉하면 확산이 일어나기 때문에, 반드시 Ta(Tantalum) 또는 TaN(Tantalum Nitride) 산화막을 형성해야 한다.
• 연마 시 패턴 손상 위험: 구리는 기계적 강도가 낮아 연마 과정에서 쉽게 손상될 수 있다.
• 부식 방지 필요: 구리는 CMP 후 공기 중에서 쉽게 산화되므로, 특수한 보호층을 적용해야 한다.

(2) 구리 CMP 공정의 특징

구리 CMP는 보통 두 단계(멀티스텝) CMP 공정으로 진행된다.

1. Bulk Cu Removal: 불필요한 구리를 빠르게 제거하는 과정.
2. Barrier Layer Removal: 잔여 구리 및 보호막을 정밀하게 제거하는 단계.

이 과정에서 사용되는 슬러리는 산화제(H₂O₂ 기반)와 부식 억제제(Organic Inhibitor)를 포함하여 구리 표면을 보호하면서도 효과적으로 연마할 수 있도록 설계된다.

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3. 알루미늄(Al) CMP 공정: 전통적 배선 금속의 연마 특성

(1) 알루미늄 배선의 장점과 CMP 필요성

과거 반도체 배선의 표준이었던 **알루미늄(Al)**은 구리보다 저항이 다소 높지만(약 2.7 µΩ·cm), 공정이 단순하고 비용이 저렴하여 여전히 일부 반도체 칩에서 사용된다.

하지만 알루미늄 CMP는 다음과 같은 도전 과제를 동반한다.

• 산화막(Al₂O₃) 형성 문제: 알루미늄은 CMP 중 산화막이 빠르게 형성되어 연마 속도를 저하시킨다.
• 기계적 강도 문제: 알루미늄은 비교적 연질 금속으로, 연마 과정에서 변형이 발생할 가능성이 있다.
• 산화제로 강한 염기성 슬러리 사용: 알루미늄 CMP에서는 강한 염기성(KOH 기반) 슬러리가 주로 사용된다.

(2) 알루미늄 CMP 공정의 특징

알루미늄 CMP는 주로 단순한 배선 구조에서 사용되며, 일반적으로 다음 단계를 따른다.

1. Bulk Al Removal: 잉여 알루미늄을 제거하는 과정.
2. Final Polishing: 표면을 균일하게 정리하는 최종 연마 단계.

이 과정에서는 **산화막 억제를 위해 특수한 첨가제(Complexing Agent)**가 포함된 슬러리가 사용되며, 연마 속도를 조절하기 위해 연마 패드의 특성이 조정된다.

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4. 텅스텐(W) CMP 공정: 컨택 플러그 형성의 핵심 기술

(1) 텅스텐 CMP의 필요성

텅스텐(W)은 반도체에서 컨택 플러그(Contact Plug) 형성에 사용되며, 높은 녹는점과 강한 기계적 강도로 인해 특정 공정에서 중요한 역할을 한다.

그러나 텅스텐 CMP는 다음과 같은 어려움을 가지고 있다.

• 높은 기계적 강도: 텅스텐은 단단한 금속이기 때문에 연마가 어려워 CMP 공정에서 연마 패드의 마모가 심하다.
• 강한 화학 반응성: 텅스텐 슬러리는 과산화수소(H₂O₂)와 같은 강한 산화제를 포함하여, 화학적 제거 속도를 높여야 한다.
• 디싱(Dishing) 현상 발생 가능: 연마 후 중심부가 과도하게 제거되는 문제가 발생할 수 있다.

(2) 텅스텐 CMP 공정의 특징

텅스텐 CMP는 구리 및 알루미늄 CMP와 달리 강한 산화제 기반의 슬러리를 사용하여 연마 속도를 높인다.

• Bulk W Removal: 잉여 텅스텐 제거.
• Final Polish: 균일한 표면 형성을 위한 마무리 연마.

최근에는 텅스텐 CMP 공정의 효율성을 높이기 위해 다층 CMP 및 AI 기반 최적화 기술이 적용되고 있다.

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5. 금속 CMP 공정 비교 요약

금속저항값 (µΩ·cm)주요 용도CMP 난이도주요 슬러리 성분

구리(Cu)	1.68	배선	어려움	산화제 + 부식 억제제
알루미늄(Al)	2.7	배선	보통	염기성 슬러리 (KOH)
텅스텐(W)	5.6	컨택 플러그	어려움	강산화제 기반 슬러리

이처럼 금속 CMP는 각 금속의 물리·화학적 특성에 따라 연마 방식, 슬러리 조성, 공정 전략이 달라지는 고도화된 기술이다. 최신 CMP 기술의 발전을 통해 더욱 정밀한 반도체 제조가 가능해지고 있으며, 향후 AI 기반 최적화와 새로운 재료 연구가 금속 CMP의 핵심 이슈가 될 것이다.