반도체 공정 과정 - 금속 배선 공정 (6)

금속 배선 공정이란 무엇인가

반도체는 전기가 잘 통하는 물질인 도체와 통하지 않는 물질인 절연체의 중간 성질을 가진 물질로, 상황에 따라 전기가 흐르거나 흐르지 않도록 조절할 수 있다.

반도체를 제조할 때 웨이퍼 위에 포토, 식각, 증착 등 공정을 반복하며 트랜지스터와 기타 구조를 만든다. 이 구조물은 전기신호와 전력을 주고받을 수 있도록 서로 연결되어 있어야 한다.

이렇게 연결된 기본 소자들을 동작시키기 위해서는 외부에서 에너지원인 전기적 신호를 가해주어야 한다.

이 소자들을 동작시키고 각각의 신호가 섞이지 않고, 잘 전달되도록 선을 연결하는 작업을 금속 배선 공정이라 한다.

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금속 배선 필요 조건

반도체에 들어가는 금속 재료는 여러가지 필요 조건을 만족해야 사용할 수 있다.

1. 반도체 기판(웨이퍼)과의 부착성

• 부착이 쉽고 부착 강도가 뛰어나 반도체 기판인 실리콘 웨이퍼 위에 얇은 박막으로 증착할 수 있어야 한다.

2. 전기저항이 낮은 물질

• 금속선은 회로 패턴에 따라 전류를 전달하는 역할을 하므로 전기저항이 낮은 물질이어야 한다.

3. 열적, 화학적 안정성

• 금속 배선 공정 이후의 공정에서 금속선의 특성이 변하지 않는 것이 중요하다. 
• 따라서 후속 공정에 대해 열적, 화학적 안정성이 뛰어 나는지 또한 알아야한다.

4. 패턴 형성의 용이성

• 반도체 회로 패턴에 따라 금속선을 형성시키는 작업이 쉬운지를 확인해야 한다. 아무리 좋은 금속이여도 식각 등의 공정 특성에 맞지 않는다면 반도체 배선 재료로 쓰이기 어렵다.

5. 높은 신뢰성

• 집적회로 기술의 발전으로 나날이 작아지고 미세해짐에 따라 금속 배선 역시 작은 단면에서 끊어지지 않고 오래갈 수 있는지도 중요하다.

6. 제조 가격

• 위와 같은 조건을 모두 만족하더라도 고가의 재료라면 대량생상을 하는데 어려움이 따르기 때문에 반도체의 재료로 부적합하다.

출처: https://news.samsungsemiconductor.com/kr/%EB%B0%98%EB%8F%84%EC%B2%B4-8%EB%8C%80-%EA%B3%B5%EC%A0%95-7%ED%83%84-%EC%A0%84%EA%B8%B0%EB%A5%BC-%ED%86%B5%ED%95%98%EA%B2%8C-%ED%95%98%EB%8A%94-%EB%A7%88%EC%A7%80%EB%A7%89-%EC%9E%91%EC%97%85/

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금속 배선 과정

1. 알루미늄 배선 공정

알루미늄을 사용한 배선 공정의 경우 우선 알루미늄을 증착하고 감광액을 도포한 후, 포토 공정을 통해 노광 및 현상을 진행한다.

이후 식각을 통해 불필요한 알루미늄 부분과 남아있는 감광액을 제거하고, 다시 그 위에 산화막을 증착한다. 그리고 다시 포토, 식각, 증착 공정을 반복하며 배선을 만든다.

 

알루미늄은 산화막에 접착이 잘되고, 실리콘과 반응하려는 성질이 있어 접합면에서 문제가 생길 수 있다.

이를 방지하기 위해 알루미늄과 웨이퍼 접합면 사이에 금속을 증착하는 베리어 메탈 증착 과정이 더해진다.

 

2. 구리 배선 공정

반도체 공정이 미세화 되고 디바이스 크기가 작아짐에 따라 알루미늄 배선은 충분한 속도와 전기적 특성을 제공하지 못하였다. 따라서 디바이스 크기와 비용을 모두 고려한 우수한 전도체가 필요하였고, 알루미늄보다 전기 저항성이 낮아 빠른 디바이스 속도가 가능한 구리가 많이 사용된다.

 

하지만 구리는 쉽게 휘발성 화합물을 형성하지 않기 때문에 웨이퍼 표면에서 기체 상태로 변환시켜 제거하는 방식을 사용하기 어렵다. 구리를 식각하는 대신 유전체 물질을 증착하고, 유전체를 식각하여 필요한 부분에만 금속 틀인 트렌치(Trench)와 비아 홀(Via hole) 패턴을 만든다. 그리고 이 패턴에만 구리를 채워 배선을 형성하며, 이를 ‘다마신 공정(Damascene Process)’이라고 부른다.

구리 원자가 유전체로 확산되면 절연성을 저하시킬 수 있어 구리와 유전체 사이를 막아줄 배리어(Barrier)층을 만든다. 이후 배리어 위에 얇은 구리 씨드(Seed) 층을 만들고, 도금 공정을 이용하여 높은 종횡비의 패턴을 구리로 채우게 된다. 이후 금속 CMP(Chemical Mechanical Polishing)라는 방식을 통해 불필요하게 남은 잔여 구리 부분을 제거한다. 이후 다시 산화막을 증착하고, 포토 및 식각 공정을 거쳐 불필요한 산화막을 제거한다. 그리고 다시 구리 증착, CMP, 산화막 증착, 포토, 식각 공정을 반복하며 구리 배선을 형성한다.

 

출처: https://blog.naver.com/lam-r-korea/222228835627