- 본 문서는 반도체 8대 공정의 여섯 번째 단계인 '금속배선 공정'에 대해 다루겠습니다.
- 본 문서는 엔지닉 '반도체 전공면접 합격의 모든 것 - 이론 완성편'을 기반으로 작성하였습니다.
- 잘못된 내용이 있다면 댓글로 알려주세요.
1. 금속배선 공정
- 반도체 공정(포토, 식각, 이온 주입 등)을 거쳐 실리콘 웨이퍼 상에 형성된 반도체 소자들을 서로 연결하여 전기적 신호들이 상호 교류할 수 있도록 저저항의 금속선을 형성하는 공정이다.
2. 금속배선
- 피치를 기준으로 국소(Local) 배선, 중역(Intermediate) 배선, 광역(Global) 배선으로 구분한다.
- 국소 배선 : 주로 근거리 간의 배선으로 피치가 좁고, 수직 구조 상에서 하부층에 속한다. 상대적으로 고온의 열 처리량을 거쳐야 하므로, 열적 안정성이 뛰어난 고융점 금속 및 다결정 실리콘을 사용하고, 저항도 높은 편이다.
- 광역 배선 : 주로 전원과 같이 선폭이 넓고 먼 거리를 연결하는 저저항의 금속배선이다.
📌 금속배선이 갖춰야 할 요건
- 하부 절연막과의 부착 강도가 뛰어나야 하며, 쉽게 박리되지 않아야 한다.
- 신호 지연이나 전압 하강의 문제를 방지하기 위해, 전기 저항이 낮아야 한다.
- 후속 공정에 대해 열적, 화학적으로 안정해야 한다.
- 포토 및 식각 공정을 통한 패턴 형성이 용이해야 한다.
- 반도체가 동작하는 동안 오동작이 일어나지 않도록 높은 신뢰성을 가져야 한다.
- 낮은 원가로 생산성이 높아야 한다.
3. 알루미늄 배선 공정
- 알루미늄은 은, 구리, 금에 이어 금속 중 4번째로 비저항이 낮은 물질이다. 또한 증착 및 식각이 용이하고 실리콘과 저항성 접촉 형성이 가능하며, 실리콘 산화막과 같은 전열체와의 접착 특성이 우수하다는 장점으로 인해, 과거에 매우 보편적으로 사용되었다.
- 그러나 몇 가지 치명적인 문제가 있어 현재는 텅스텐이나 구리로 변경되었다.
3.1 알루미늄 배선 공정의 한계
1) 접합 스파이킹(Junction spiking)
- 알루미늄은 비등점이 낮아 후속 공정의 온도를 설정하는 데에 제한이 크다는 문제점이 있다.
- 이외에도 실리콘과 순수 알루미늄이 직접 접촉할 시에는 접합 스파이킹이라는 문제가 발생하게 된다.
- 접합 스파이킹이란 실리콘이 안정해지기 위해 알루미늄이 녹아들어 가는 현상이다.
- 만약 접합 스파이킹이 p 또는 n의 접합 깊이보다 깊을 경우에는 접합으로서의 기능을 상실하게 되어 소자가 정상적으로 동작할 수 없게 된다.
- 이 현상을 막기 위해, 미리 알루미늄에 1% 정도의 실리콘을 첨가하여 실리콘이 녹아 들어가는 것 자체를 방지하거나, 확산 방지막을 증착하여 실리콘의 확산을 방지할 수 있다.
2) 전자이동(Electro-migration, EM) 불량
- 많은 수의 전자가 전기장에 의해 빠른 속도로 이동하면서 이온과 충돌하게 되는데, 이 충돌한 이온이 이 힘에 의해 주위 이온과의 결합을 끊고 전자가 이동하는 방향으로 움직이게 되는 현상이다.
- 금속 이온은 전자이동에 의해 금속 내의 결정 입계를 따라 이동하게 되고, 그 결과 금속 이온이 빠져나간 자리에 Viod가 발생한다.
- 또한 이렇게 이동하던 금속 이온이 특정 지점(큰 결정립을 만나 결정 입계가 막히는 지점 등)에서 더 이상의 이동이 어려워지면, 수직 또는 수평 방향으로 삐져 나오는 현상이 발생한다.
- 개선책으로는, 알루미늄에 0.5 ~ 3%의 구리를 혼합한 Al-Cu 합금 박막을 사용하여, 결정 입계를 통한 확산을 감소시키는 방법과 Al 대신 전자이동에 강한 다른 물질(Cu 등)로 전환하는 방법이 있다.
📌 Al-Cu 합금 시에 Cu의 함유량이 높아지면 저항이 증가하거나 식각 시 문제가 발생할 수도 있다.
4. 구리 배선 공정
4.1 구리 배선의 필요성
- 소자의 미세화에 따라 Al 배선의 단면적이 감소되면서, 이때 발생한 저항의 증가로 인해 회로의 지연이 심각해졌다. 그래서 저항의 감소를 위해 비저항이 Al의 63% 수준인 Cu로의 전환이 필요해졌다.
- Cu는 Al에 비해 전자이동과 같은 신뢰성 특성도 우수한데, 이는 이온 간의 결합력이 커, Cu 이온의 움직임이 Al 대비 훨씬 적으며, Cu의 결정 입계를 통한 확산에 필요한 활성화 에너지가 Al보다 높기 때문이다.
4.2 구리 배선의 문제점
- 이러한 많은 장점에도 불구하고 Cu를 반도체 배선 공정의 소재로 사용하는 데는 몇 가지 치명적인 문제가 존재한다.
1) 패턴 형성을 위한 식각 시에는 휘발성 반응 부산물로 만들어 제거해야 하는데, Cu 배선 공정 시에는 이러한 휘발성 부산물을 만들지 못해 식각이 어렵다.
2) Cu가 공기 중에 노출되었을 때 쉽게 산화되어 부식되고, 침입형 확산 특성 때문에 확산 계수가 높아 실리콘 또는 실리콘 산화막 내로 매우 빨리 확산된다. 이렇게 금속 입자가 실리콘 내부로 침투하게 되면 정상적인 소자 동작이 불가능해지고, Cu 배선 주위를 확산 방지 방막으로 감싸줄 필요가 있다. - 현재는 이러한 문제에 대한 대책으로 Cu 다마신 공정이 제안되어 사용 중에 있다. 이는 기존의 포토, 식각 공정과는 반대로 배선이 형성될 부분의 절연막을 먼저 식각해 내고 거기에 확산 방지층과 Cu를 도금한 후 과잉 전착된 Cu는 CMP 공정을 통해 연마하여 평탄화시키는 공정이다.
