[Ep. 6] 금속 배선 공정(Metallization)

 [Ep. 5] 증착 및 이온 주입 공정(Deposition & Ion Implantation)에 관해 다시 리뷰해보자면, 증착 공정에서는 PVD와 CVD에 관해 살펴보았고, 단차 피복성(Step Coverage)라는 중요한 개념에 대해서도 알아보았습니다. 다음 이온 주입 공정에서는 이온 주입 공정 시 필요한 요소들(도펀트, 도즈, 에너지)에 관해 간략하게 살펴보았습니다. 산화 공정부터 증착 및 이온 주입 공정까지를 FEOL(Front-End Of Line)이라고 부르는 것까지 말씀드렸습니다. BEOL(Back-End Of Line)에 해당하는 여섯 번째 공정인 금속 배선 공정(Metallization)에 대해 살펴보도록 하겠습니다.

[Ep. 5] 증착 및 이온 주입 공정(Deposition & Ion Implantation) - 증착편

[Ep. 5] 증착 및 이온 주입 공정(Deposition & Ion Implantation) - 이온 주입편

 

6. 금속 배선 공정(Metallization)

 지금까지 살펴본 공정(산화, 포토, 에칭, 증착 및 이온 주입)을 반복하면서 Si 웨이퍼 위에 반도체 소자를 만드는 방법에 관해 살펴보았습니다. 이제는 이 소자들이 제대로 동작할 수 있도록 전선을 연결해주는 과정인 금속 배선 공정에 관해 알아보도록 하겠습니다. 공정 이름을 통해서 알 수 있듯이 우리는 금속을 회로선으로 이용하여 소자와 소자 사이, 소자와 외부를 전기적으로 연결할 것입니다. 금속 배선에는 전기 단자와의 연결을 위한 콘택트(Contact)와 반도체 소자 사이를 연결하는 인터커넥션(Interconnnection)이 있습니다. 아래 그림처럼 Si 표면과 맞닿는 ILD 내에 위치한 첫 번째 금속(빨간색 빗금) 부분이 콘택트입니다. 그 외 IMD에 위치한 금속은 모두 인터커넥션입니다. 이 두가지가 모두 갖춰져야 반도체 회로 구성이 가능한 것입니다.

 금속 배선 공정은 어떤 금속을 도선으로 사용하는지가 중요합니다. 도선으로 사용하기 좋은 금속의 특성에 관해 살펴봅시다.

 

1) 저항이 작은 물질을 사용해야 합니다. 도선의 저항이 크면 소비 전력이 커지며, 전류의 손실만큼 열이 발생해 동작 오류가 생길 수 있습니다. 저항이 작은 금속으로는 금, 알루미늄, 구리가 대표적입니다.

2) Si 웨이퍼 및 SiO2 산화막과의 부착성이 좋아야 합니다. 부착성이 나빠 금속 필름이 쉽게 벗겨지면 원하는 모양대로 도선을 형성하기 어렵고, 이후 진행되는 다른 공정에도 문제가 생깁니다.

3) 열적, 화학적 안정성이 높아야 합니다. 안정성이 낮으면 고온 공정 또는 다른 공정 중에 도선이 녹거나 다른 물질과 반응하여 반도체 소자 특성이 변할 수 있습니다.

4) 배선 패턴을 쉽게 만들 수 있어야 합니다. 금속 재료의 에칭이 어렵거나 내구성이 약해 공정 중 쉽게 끊어지면 배선 재료로 적합하지 않습니다.

5) 가격이 싸야 합니다. 아무리 소재 특성이 좋다고 하더러도 반도체 제작시 비용이 너무 높아지는 것 또한 선호되지 않습니다. 위에서 본 것처럼 금은 저항이 작지만, 비싸므로 현장에서는 알루미늄(Al)과 구리(Cu)를 주로 사용합니다.

 

알루미늄 VS 구리

 금속 배선 공정에 처음으로 사용된 금속 재료는 알루미늄(Al)입니다. 알루미늄은 한때 공정 측면에서나 가격 면에서나 훌륭한 배선 재료였으나, 반도체 공정이 미세해지고 고도화됨에 따라 한계를 보였습니다. Al이 맞닿은 Si을 뚫고 들어가는 스파이킹(Spiking)으로 인해 PN접합이 끊어지고(Junction Spiking), 전자의 이동에 의해 알루미늄 원자가 제자리를 이탈하는 일렉트로마이그레이션(Electromigration)이 자주 발생하기 때문입니다. 

 

 이러한 문제를 해결한 것이 구리(Cu)입니다. 구리는 은(Ag) 다음으로 전기가 잘 통하는 금속으로, 알루미늄보다 30% 낮은 저항을 가지고 있으며, 녹는점이 1085℃로 높아 고온 공정에 대한 부담이 덜하며, 일렉트로마이그레이션도 덜 발생합니다. 하지만 구리 배선도 몇 가지 단점을 가지고 있습니다. 알루미늄보다 스파이킹 현상이 더 심하게 발생하여, 이를 막기 위해 전도성이 있는 확산 방지막을 코팅해야 공정을 추가하여야 해서 시간과 비용이 증가합니다. 또, 건식 식각을 통해 원하는 영역을 쉽게 제거할 수 있는 알루미늄과 달리 구리는 건식 식각을 할 수 없는 문제가 있습니다. 그래서 구리 배선을 사용할 경우 아래와 같은 과정을 따릅니다.

 

① 전기가 통하면서 동시에 구리의 스파이킹을 막을 수 있는 확산 방지막(Barrier Metal)층을 코팅합니다.

② 구리를 전기 도금으로 채워 넣습니다.

③ CMP(Chemical Mechanical Polishing)을 통해 구리를 갈아냅니다

※ CMP에 대한 간략한 설명은 [Ep. 1] 웨이퍼 제조 공정(Wafering) 에서 소개하고 있으니 참고해주세요. (이후 CMP를 위한 글도 게재할 예정입니다)

 

 위의 과정을 따르는 방식을 Damascene이라고 하며, 상감청자를 만드는 것과 비슷하여 지어진 이름입니다. 현재 알루미늄과 구리 외에도, 코발트(Co), 텅스텐(W) 등 다양한 금속이 활용되고 있으며, 반도체 공정의 미세화로 인해 기존의 한계를 극복할 새로운 금속 소재를 연구하고 있습니다. 다음 글은 후공정으로 넘어가 테스트 공정에 관해 살펴보도록 하겠습니다.

 

[Ep. 7] 테스트 공정(Test)

[교재]

 

해당 글은 왼쪽 책을 교재로 하여 제작된 글입니다.

반도체 산업에 관해 더 자세한 내용을 살펴보고 싶으신 분은

가까운 도서관이나 서점을 통해 책을 봐주세요.

 

저자: 박진성
출판: 티더블유아이지
2023.02.06