반도체 공정 - (6) 금속 배선 공정

금속 배선 공정: 외부에서의 전기적 신호가 잘 전달되도록 반도체 회로 패턴에 따라 금속선을 연결하는 작업

 

금속 배선 구성

contact: 전기적인 신호를 받거나 내보냄

Interconnect: 서로 다른 소자 간의 연결선

Via: 금속 물질이 채워지는 통로

Metal plug: 금속으로 via를 채움

Contact, Interconnect, Via, Metal plug

 

금속 배선 조건

1.웨이퍼와의 부착성 우수

2. 낮은 전기 저항 => 높은 성능이 요구되면서 더욱 낮은 비저항 물질 필요성 증가

물질 별 저항

 

3. 열적, 화학적 안정성

4. 패턴 형성의 용이성 => 공정 복합도가 낮아야하며, 제어 가능해야함

5. 높은 신뢰성

6. 낮은 제조 가격

 

알루미늄(Al)

장점

1. 높은 전기전도도

2. 좋은 접착력

3. 증착, 식각 공정 난이도 낮음

4. 낮은 접촉 저항

5. 가격 저렴

 

공정 과정: Al 증착 -> PR patterning, etching -> Dielectric 증착(gap-fill) -> excess dielectric 제거

Al 배선 형성 과정

 

문제점

1. Electromigration: 전자들이 아주 빠른 속도로 금속 물질을 때려, 금속 물질이 이동하며 다양한 defect 발생

                                => 무거운 금속(Cu)에서는 electromigration 현상 감소

Electromigration

Defects caused by electromigration

 

2. Junction spike: Al-Si 섞이면 녹는점이 낮아짐, Al이 Si 안으로 diffusion 되며 누설 전류 발생

                            *Al (660°C), Si (1414°C), Al-Si (577°C)

                            => barrier metal로 확산 막아 해결

Al-Si eutectic temperature

 

Junction spike

 

구리(Cu)

등장 배경

문제점: 미세화 될수록 지연 증가

미세화에 따른 delay 증가

이유: 배선의 단면적이 작아지며 저항이 증가

배선 저항 식

 

해결책: 더 낮은 비저항 금속 사용(Al에서 Cu로)

Al vs Cu

알루미늄보다 비저항이 작아 금속 배선의 전기 저항을 낮춤

 

but, Cu는 휘발성 byproduct 생성이 어려워 etch 불가능 => Damascene process 이용

 

Damascene process: Dielectric 증착 -> PR patterning, etching -> Cu Damascene(gap-fill) -> excess Cu 제거

Damascene process

 

Cu를 high aspect ratio로 증착하기에 electroplating(전기도금) 방식이 가장 적합

ALD로 Cu seed를 얇게 증착 후 electroplating으로 gap-fill 진행

 

Electroplating: 전기분해의 원리를 이용하여 물체의 표면을 다른 금속 얇은 막으로 덮는 표면 처리 방법

Electroplating

 

Cu electroplating: wafer에서 환원 반응을 일으켜 표면에 Cu로 도금

Cu electroplating

 

Additive(Accelerator, Suppressor)를 적절히 사용해 bottom부터 wall까지 uniform하게 완벽히 도금

Cu electroplating process

 

Silicide

Silicide: Si와 금속의 화합물 ex) TiSi2

Silicide

역할

주요 역할:  Si/metal 계면에서 전기 저항을 낮춤 => ohmic contact

부역할: Cu의 Si, SiO2로의 침투를 막아주는 diffusion barrier. 접촉 저항 낮춤

 

Salicide(Self-Aligned Silicide)

: silicide를 직접 증착하는 것이 아닌 metal을 증착해주고 열처리를 통해 silicide 생성

Salicide 공정

 

Barrier Metal

Metal/nitride bilayer로 금속의 adhesion을 향상과 diffusion barrier 역할

 

 

Ti

1. Si과의 adhesion 향상

2. Al의 diffusion layer

 

TiN

1. Al의 adhesion 향상

2. Al의 diffusion layer

 

 

TaN

1. Si과의 adhesion 향상

2. Cu의 diffusion layer

 

Ta

1. Cu의 adhesion 향상

2. Cu의 diffusion layer