[반도체 8대공정] 6. 금속 배선 공정

1. 금속 배선 공정(Metallization)이란?

  - 포토, 식각, 증착 등 여러 공정을 반복하면 웨이퍼 위에 반도체   회로가 만들어진다. 이 회로가 동작하기 위해서는 외부에서 전기적 신호를 가해 주어야 하는데, 신호가 잘 전달되도록 반도체 회로   패턴에 따라 금속선을 연결하는 작업을 금속 배선 공정이라고 한다.

 

​2. 금속 재료의 필요조건

  1) 웨이퍼와의 부착성 : 실리콘(Si) 웨이퍼 위에 얇은 박막으로 증착   할 수 있도록 부착이 쉬워야 하며, 부착 강도 또한 우수해야 함.

  2) 전기 저항이 낮은 물질 : 금속선은 회로 패턴을 따라 전류를   전달하는 역할을 하기 때문에 전기저항이 낮아야 함.

  3) 열적, 화학적 안정성 : 금속 배선 공정의 후속 공정에서 금속 선의   특성이 변하지 않도록 열적, 화학적 안정성이 뛰어나야 함.

  4) 패턴 형성의 용이성 : 회로 패턴에 따라 금속선을 쉽게 형성시킬   수 있어야 함. 아무리 좋은 금속이더라도 식각 등의 공정 특성에 맞지   않으면 반도체 배선 재료로 쓰이기 어렵다.

  5) 높은 신뢰성 : 집적회로 기술의 발전으로 반도체가 미세화 됨에   따라 금속 배선 역시 작은 단면으로 제작해도 끊김 없이 사용할 수 있어야 함.

  6) 제조 가격 : 위 조건을 만족시키더라도 제조 가격이 높으면 대량   생산이 어렵기 때문에 반도체의 재료로 적합하지 않다.

 

위 조건을 충족시키는 대표적인 금속은 알루미늄(Al), 구리(Cu),  텅스텐(W), 티타늄(Ti) 등이 있다.

 

3. 알루미늄(Al) 배선공정

  1) 알루미늄 배선 공정 과정

  -> Al 증착 ▶ PR Coating ▶ Photo ▶ Develop ▶ Al Etch ▶ PR Strip

   2) 알루미늄의 장단점

알루미늄의 장점	알루미늄의 단점
- 박막 상태에서도 bulk 상태와 비슷한 높은 전기전도도를 가진다. - 박막 증착이 쉽다. - 산화막과의 접착력이 좋다. - 사진, 식각 공정이 쉽다. -낮은 접촉 저항 -가격이 저렴하다.	- Hillock이 잘 형성된다. - 부식이 잘 된다 - 녹는점이 낮다. -CVD, 전기도금이 어렵다 -전자이동으로 수명이 짧다.

 

4. 구리(Cu) 배선공정

 - 구리는 알루미늄이 텅스텐보다 비저항이 낮아, 같은 저항값을 갖는 금속선에 대해서 보다 미세하게 패턴 제작을 할 수 있어 사용되고 있다. 그치만 구리가 식각이 어렵기 때문에 구리를 먼저 증착하고  cmp공정을 통해서 깎는 다마신 공정을 통해서 구리선을 배선해야 한다.

 

  1) 구리 배선 공정 과정

  ->SiO2 증착 ▶ PR Coating ▶ Photo ▶ Develop ▶ SiO2 Etch ▶ PR Strip  ▶ Cu 매립 ▶ CMP

   2) 구리(Cu) 장단점

구리의 장점	구리의 단점
-Al보다 낮은 비저항 -Al보다 높은 녹는점 낮은 확산 계수 - Electromigration이 억제되어 신뢰성 향상 -낮은 RC Delay	-Etch가 어렵다 (Damascene 공법으로 해결) -벤드 갭 때문에 Cu가 SiO2를 확산으로 지나감 → 회로가 고장 날 수 있음 (Diffusion barrier를 형성하여 해결)

  3) 구리 증착 방법

• Electroplating(전기도금) : 전기 도금은 다른 증착 방법들과 비교해 소자를 채우는 Filling 특성이 좋다.

         - Catalyst와 같은 active가 전자가 잘 모이도록 도와 주기 때문이다.

         - 증착이 될 수록 남은 Catalyst가 모여 점점 농도가 올라가고 증착이 더 잘 되도록 한다.

         - 다른 증착법과 비교를 해보면 PVD와 CVD는 Void와 Seam같은 Defect를 남기는데 전기 도금은 완벽한 Filling            을 보여준다.

• 다른 증착법과 비교를 해보면 PVD와 CVD는 Void와 Seam같은 Defect를 남기는데 전기 도금은 완벽한 Filling을 보여준다.