반도체 8대공정 5탄, 금속공정(Metalization) 개념정리

반도체 8대공정 5탄, 금속공정(Metalization) 개념정리

 

 

 

 

Metalization이란 소자 간 연결선 역할을 하는 Interconnect와 S/C에서 전기적인 신호를 받거나 내보내는 역할을 수행하는 Contact를 제작하는 공정입니다. 즉, S/C에 전류가 흐르는 도로를 만드는 과정이 바로 Metalization인 것입니다. 일반적으로 단일층 재료로 Al과 Cu를 사용하고 있고 다층구조에는 Ti와 W를 사용하는 추세입니다.

그렇다면 위에 나와 있는 금속 이외에도 다른 금속을 사용할 수 있을까요?

Metalization에 사용하기 위해서는 다음 6가지 조건을 충족해야합니다.

 

 

 

 

 

 

- Metalization에서의 Metal의 조건

 

1. Good adhesion to the Wafer

Wafer 표면에 부착하기 쉽고 Thin Film으로 강하게 부착할 수 있어야 합니다.

 

2. Low Resistivity

소자 간 연결선과 Ohmic Contact 용도로 활용하기 때문에 Current의 흐름을 최대한 방해하지 않는 Metal을 사용해야 합니다.

 

3. Thermal and Chemical Stability

후속 공정 진행 시 Metal의 특성이 변할 수 있습니다. 따라서 열적으로 화학적으로 안정성을 띄는 Metal을 사용해야 합니다.

 

4. Easy to Patterning

Interconnect와 Contact을 제작할 때 Etching이 가능해야합니다.

 

5. High Reliability

S/C의 집적도가 높아짐에 따라 Metal Line이 작은 단면에서도 끊어지지 않고 지속될 수 있는지가 중요합니다.

 

6. Reasonal Price

대량생산 시 합리적인 가격의 Metal 소재를 사용해야합니다.

 

 

대표적으로 위의 조건 6가지에 부합하는 금속 Al과 Cu의 특징에 대해서 설명하도록 하겠습니다.

 

 

 

 

 

 

- Al vs Cu

 

 

 

 

 

 

 

- Junction Spiking / Electromigration / Hillock / Damascene Process

1. Junction Spiking

Junction Spiking이란 고온공정에서 Al과 실리콘의 상호확산에 의해 발생하는 Defect입니다. 방지대책으로는 Al 내에 미리 1~2 wt%의 실리콘을 첨가해주고 Ti나 W로 Barrier metal을 Al과 실리콘 사이에 깔아두는 방법이 있습니다.

 

 

 

 

 

2. Electromigration

전자들이 Grain Boundary를 따라 이동하면서 발생하는 Defect로 Al에 미리 1~2 wt%의 Cu를 첨가하여 전자의 Diffusion을 방지합니다.

 

 

 

 

 

 

 

3. Hillock

Hillock이란 튀어나온 돌출부를 뜻하며 Al이 Soft한 물질이기에 Thin Film에 압축응력이 인가되면 Hillock이 발생합니다.

 

 

 

 

 

4. Damascene Process

Damascene Process란 상감기법으로 Etching이 어려운 Cu의 특성으로 인해 탄생한 Process입니다. 자세히 설명하자면 Al의 경우 Al을 우선 형성한 후 원하는 모양으로 Etching한 후 그 위에 산화막을 형성하는 방식입니다. 이에 반대로 Cu는 Etching 특성이 좋지 못해 Al과 같은 방식으로 금속패턴을 형성할 수 없습니다. Damascene Process는 Al 금속패턴 형성과정과 반대로 진행하는 방식입니다. 산화막을 먼저 형성한 후 원하는 모양으로 Etching 합니다. 그 후 Barrier Metal을 깔아준 후 Cu로 Etching 부위를 채워 넣고 Polishing 해주는 방식입니다.

 

 

추가적으로 Dual Damascene이란 공정의 간소화를 위해 Metal Line과 Via를 동시에 형성하기 위한 기법입니다. 위 사진과 같이 Etch Stop을 사이로 산화막을 두 개를 동시에 형성한 후 Photo 공정을 통해 패턴을 형성하여 Metal을 Deposition하는 방식입니다.

 

 

 

 

 

 

 

- Metal 형성 방법 비교

 

 

 

 

 

- Planarization

고온공정을 통해 Glass를 녹여 흐르게 만들어서 평탄화 하는 Thermal flow, 평탄화 하기위해 다시 Etching하는 Etch back과 같은 Planarization 기법이 있습니다. 저는 현재 가장 많이 사용하는 기법인 CMP에 대해 집중적으로 정리하려고 합니다.

 

1. Overview

CMP란 Chemical Mechanical Polishing의 약어로 앞서 Damascene Process에서 활용한 기법입니다. 과거부터 설명하자면 초기에는 Wafer 제작의 최종단계로서 Wafer 표면을 Planarization 하기 위한 기술로 개발되었습니다. 1980년대 말 부터는 다층 배선을 위한 Planarization에 활용하기 시작하였고 최근에는 STI(Shallow Trench Isolation), MOSFET의 Gate 형성과 같은 공정에도 사용하고 있습니다.

 

2. Principle of CMP

연마입자를 용액에 분산시킨 Slurry를 연마 패드와 연마 대상 사이에 주입하고 적정한 압력을 가하며 기계적인 움직임을 지속합니다. 이 때, 돌출부가 상대적으로 큰 압력을 받게 되어 전반적인 평탄화를 이룰 수 있고 내부의 패턴을 외부로 노출시키는데 활용할 수 있습니다.