반도체 공정 - 금속 배선 공정(Metallization)

금속 배선 공정

#시작하며

앞선 포스팅에서 공부했던 Photo, 식각(Etching), 증착 등 여러 공정들을 반복하면서 웨이퍼 위에 반도체 회로가 형성된다. 이렇게 만들어진 회로를 동작하기 위해서는, 외부에서 전기적 신호를 가해주어야 하는데, 신호가 잘 전달되도록 반도체 회로 패턴에 따라 금속선을 연결하는 작업을 금속 배선 공정이라고 한다.

 

#금속 배선 공정(Metallization)

출처. 이포커스CG

금속 배선 공정이란, 반도체 제품에 존재하는 많은 소자들을 동작시키고 이들의 신호가 섞이지 않게 선들을 잘 연결하는 작업을 말한다. 해당 공정은, 전류가 흐르는 Interconnect와 그 사이를 절연으로서 구분해주는 Dielectrics로 구성된다.

 

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• 금속 배선 공정에 사용되기 위한 금속의 조건

* 웨이퍼와의 부착성

: 반도체 기판, 즉 실리콘 웨이퍼와의 부착성이 좋아야 한다. 즉, 쉽게 부착되고 부착 강도가 뛰어나 얇은 박막으로 증착할 수 있어야 한다.

 

* 낮은 전기저항

: 금속선은 회로 패턴에 따라 전류를 전달하는 역할을 한다. 따라서 전기저항이 낮은 물질을 사용해야 한다.

 

* 열적/화학적 안정성

: 금속 배선 공정 이후의 공정에서 만들어 놓은 금속선의 특성이 변하지 않아야 하기 때문에, 이후 공정에 대해 열적, 화학적 안정성을 고려해야 한다.

 

* 패턴 형성의 용이성

: 반도체 회로 패턴에 따라 금속선을 만드는 작업 과정이 난이도가 결정된다. 좋은 금속 재료도 식각 등 공정 특성에 맞지 않으면 배선 재료로 쓰이기 어렵다.

 

* 높은 신뢰성

: 신뢰성은 반도체의 향후 품질을 말하는 것으로, 금속을 선택할 때 좋은 품질을 오랜 기간 유지할 수 있는지를 고려해주어야 한다. 집적회로 기술의 발전으로 점점 그 크기가 미세해지고, 금속 배선 또한 작은 크기의 단면에서 끊어지지 않는지를 따져봐야 한다.

 

* 제조 가격

: 위 다섯 가지 조건을 만족하여도, 너무 비싼 제조 가격이 요구된다면 대량생산에 어려움이 있어 부적합하다. 해당 조건을 만족시키기 위한 단일층 재료로는 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등이 있고, 다층구조로는 티타늄(Ti) 텅스텐(W)등이 있다.

 

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• 알루미늄(Al) 배선공정

 

과정: Al 증착

⇒ PR Coating ⇒ Exposure ⇒ Develop ⇒ Al Etch ⇒ PR Strip

 

- 알루미늄은 저항이 낮고 산화막(SiO2)과의 접착성이 우수해 금속 공정에 적합한 물질이다. 하지만 실리콘과 만나면 섞이는 성질이 있어 접합면 사이에 Barrier metal이라고 불리는 금속을 넣어 방지해주어야 한다. 금속 배선도 증착을 통해 이루어지며, 알루미늄은 주로 Sputtering에 의해 증착된다.

 

• 구리(Cu) 배선공정

 

과정: SiO2 증착 ⇒ PR Coating ⇒ Photo ⇒ Develop ⇒ SiO2 Etch ⇒ PR Strip ⇒ Cu 매립 ⇒ CMP

 

- 구리는 알루미늄이 텅스텐보다 비저항이 낮아, 같은 저항값을 갖는 금속선에 대해 보다 미세하게 패턴 제작이 가능하여 사용하고 있다.

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	장점	단점
Al	박막증착이 용이 산화막과 좋은 접착력 Photo, Etch 공정이 Cu보다 용이	부식이 잘됨 녹는점이 낮음 Junction Spiking Electromigration
Cu	Al보다 낮은 전기저항 Al보다 높은 녹는점	Etch가 어려움(Dry Etch 불가) >> Damascene 공법 사용

 

* Junction Spiking

 

Al에 Si가 녹을 수 있기 때문에 발생한다. Si가 Al에 녹아 안정화가 되려 하기 위함인데, 이는 Al 내에 미리 Si를 소량 첨가하여 방지할 수 있다.

 

* Electromigration

전기 전진 또는 electromigration은, 전도 전자와속의 흩어져 있는 원자핵들 사이의 운동량의 전달로 인해 발생하는 도체 내의 지속적인 이온의 움직임에 의한 물질의 이동을 지칭하는 용어이다. 이는 Al 내에 미리 Cu를 소량 첨가하여 확산을 쉽게 하지 못하게 함으로써 방지할 수 있다.

 

* Damascene 공정

Damascene 공법은, Etch를 진행한 후 식각 된 부위에 물질을 증착해 표면을 갈아내는 상감기법이다.

: Al을 Etching 하는 기존 공정과 달리, dielectric을 Etching 하여 Cu를 증착하는 공정

 

Barrier는 Al, Cu를 모두 필요로 하며, 주로 Ti/TiN을 사용한다. 또한 Step Coverage 향상을 위해 CVD 증착을 이용한다. 여기서 Barrier는, 금속과 실리콘 간의 확산을 방지하고 Void가 생기더라도 연결이 끊기지 않게 전자의 두 번째 경로의 역할을 수행한다. >>  Cu diffusion 방지, 스트레스 완화 역할

 

Seed: Ta 산화방지, Cu의 agglomeration 방지

 

CMP(Chemical mechanical polish) 

회전하는 Plate 위에 Slurry 용액을 뿌린 뒤, 웨이퍼를 눌러주며 회전 하는 과정을 통해 평탄화가 되는 기법이다. Slurry의 화학적 반응과 회전성을 이용한 물리적 제거의 시너지로서 웨이퍼를 평탄화 하는 기술이다.

 

 

 

참조 및 출처 - 서울대학교 반도체 공동연구소 삼성 반도체이야기