반도체 8대공정 중 Metal 공정이란?

 

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METAL 이란?

 반도체 8대 공정 중 METAL 공정에 대해 알아보겠습니다.

 

 METAL이란 물질은 전기를 잘 흘려주는 성질이 있기 때문에 전기를 잘 흘려주기 위한 장치에는 모두 METAL을 사용합니다.

 

 

 가령 전선의 경우를 예를 들어보면 피복 안에 구리 선이 있고 구리라고 하는 금속이 전기를 흘려주는 역할을 하는 것처럼 반도체에서도 이러한 구리 선의 역할을 하는 것을 Metal Line이라고 하며 이를 Metal 공정에서 만들어 줍니다.

 

 Metal Line은 Chip 외부에서 흘러들어오는 전기적 신호를 chip 내부의 각 소자로 전달시켜주기도 하고, 반대로 chip 내부의 전기적 신호를 외부로 전달해 주는 전달자 역할을 합니다.

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Metal 공정의 재료

반도체용 금속 재료로 사용하기 위해서는 여러 가지 조건을 만족해야 합니다. 즉 전기가 잘 통해야 하고, 얇은 박막을 얻기가 용이하여야 하는 등 몇 가지 조건들이 있습니다. 필요조건을 정리하면 아래와 같습니다.

1. 기판(Si Wafer)과의 부착성
Si Wafer 위에 Metal 막을 얇게 증착했을 때 부착이 쉽고 부착 강도가 뛰어나야 합니다.

2. 낮은 비저항 물질
Metal 배선은 전류를 전달하는 역할을 하기 때문에 전기 저항이 낮은 물질이 사용되어야 합니다. 저항이 적어야 전기가 잘 흐르기 때문입니다.

3. 열적, 화학적 안정성
열적 화학적 안정성은 후속 공정 진행 시 매우 중요합니다. Metal Line을 형성시키고 나서 후속에 진행되는 공정에서 그 물질이 변하게 된다면 사용이 어렵습니다.

 

 예를 들어 텅스텐(W) 같은 재료는 후속 열처리 공정을 진행할 경우 높은 Stress와 비교적 낮은 접착성 때문에 들뜨기 쉽고, 산화가 잘 됩니다.

 

 그렇기 때문에 높은 열처리가 필요한 후속 공정이 있으면 사용하기가 어렵습니다.

 

4. Patrern 용이성
아무리 좋은 물질이라 하더라도 Metal Line의 Pattern 형성이 어려우면 반도체 재료로 쓰이기 힘듭니다.

 

 예를 들면 백금이나 금 같은 물질은 저항이 낮음에도 불구하고 식각이 잘되지 않는 성질과 높은 가격 때문에 반도체 배선 재료로 잘 쓰이지 않습니다.

5. 높은 신뢰성
금속 배선의 선폭이 작아짐에 따라 작은 단면적에 많은 전하를 흘려주어야 하고, 이에 따라 배선의 수명이 문제가 될 수 있습니다.

 

 반도체 칩은 사용하다가 내부 배선이 끊어졌을 때 수리를 할 수 있는 성질의 것이 아니기 때문에 어느 정도의 배선 수명을 보장할 수 있는 재료이어야 합니다.

 

6. Low Cost
 위와 같은 특성을 모두 가지고 있다고 하더라도 고가의 재료라면 사용하기가 곤란합니다.

 

 보통 알루미늄이나 텅스텐보다도 금이나 백금이 전기적 특성이 좋음에도 불구하고 사용하기 어려운 이유는 너무 비싸기 때문인 것도 있습니다.

 

 

 여러 가지 반도체용 금속재료가 가져야 하는 조건을 알아봤습니다.

 

 현재 일반적으로 반도체 제조공정에 사용되는 Metal의 종류는 알루미늄, 타이타늄, 텅스텐, 구리 등이 있는데, 위에서 열거한 재료의 필요조건을 갖추었기 때문입니다.

 

 반대로 백금과 같은 물질은 전기를 통하는 성질이 뛰어남에도 불구하고 사용하지 않는 이유는 미세패턴을 만들기가 어렵고 고가이기 때문인데, 기술이 발달함에 따라 이러한 재료에 대한 연구도 활발해져 반도체 공정에 쓰일 날도 멀지 않을 것입니다.

출처 : 삼성 반도체 이야기

 

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PVD와 CVD란

 다른 포스팅의 CVD 공정에 대해 소개할 때도 간단히 나왔던 내용입니다.

 

 고집적의 반도체를 제조하기 위해서는 아주 얇은 박막이 필요합니다.

 

 박막을 얻기 위한 방법으로는 크게 PVD라는 방법과 CVD라는 방법이 있습니다.

 

 먼저 PVD라고 하는 것은 Physical Vapor Deposition의 약어로 화학적 반응 없이 물리적인 에너지만으로 막을 얻는 방법을 일컫습니다.

 

 대표적인 방법으로는 Sputtering이 있고, 실제 반도체 공정에서 많이 사용됩니다.

 

 

 한편 CVD라는 것은 Chemical Vapor Deposition의 약어로 화학적 반응을 이용하여 박막을 형성시키는 방법입니다.

 

 이러한 방법은 일반적으로 PVD 방식에 비해 미세 패턴에서 우수한 Step Coverage를 보입니다.

 

 하지만 CVD 법은 막 내에 반응 부산물들이 존재할 수 있기 때문에 불순물의 영향이 큰 공정에서는 사용하기 어려운 단점이 있습니다.

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Sputtering

 Sputtering의 원래 의미는 침을 튀긴다. 튀겨서 뜯어 놓는다는 의미입니다.

 

 이와 같은 생각을 가지고 어릴 적 즐겼던 구슬치기를 연상해 보면, 구슬이 모아져 있는 곳을 멀리서 다른 구슬로 힘껏 치면 모여있던 구슬이 맞아서 밖으로 튀어나올 것입니다.

 

 Sputtering의 원리도 이와 비슷합니다. 이 구슬들이 모여 있는 부분을 Target이라고 생각하고, 던지는 구슬을 Plasma화 한 아르곤 원자, 던지는 힘을 고전압이라고 생각하면 됩니다.

 

 

 이 상태에서 튕겨 나온 구슬이 대단히 많아 그것들이 흩어져 일부 다시 붙는다고 생각하면 그게 바로 증착이라고 하는 것입니다. 

 

 구슬이 튀어서 사방으로 퍼져 가듯이 Target으로부터 튀어나오게 되고, 이 중 일부가 기판 위에 붙으면 증착된 것으로 이해하면 됩니다.

 

 이러한 현상을 어려운 말로 표현하면 고전압이 인가된 진공 Chamber 내에 아르곤(Ar Gas)을 주입해 비활성 기체인 아르곤(Ar)을 Plasma 상태로 만들면 Ar Gas 이온이 높은 에너지를 가지면서 Target의 물질을 튕겨내어 증착시키는 방법이라고 말합니다.

 

 

 알루미늄은 보통 Sputtering 공법을 사용합니다.

 

 Sputtering으로만 증착시켰을 경우 contact hole size가 작을 경우 Step Coverage가 불량하게 될 수 있는데, 이를 해결하기 위해 증착 후 고진공 상태에서 열을 가하면서 Al 원자들을 contact hole 내부로 이동시켜 채우는 방법을 사용합니다.

 

 그러나 고온 공정 중 Al과 Si와의 확산이 일어나면서 누설전류가 발생할 수 있기 때문에 Barrier layer의 강화가 중요합니다.

 

 또한 고온 공정을 거치고 난 후의 알루미늄 표면 변화에 따라 후속 Photo 공정에서의 Alignment 문제가 발생할 수 있기 때문에 세심한 관리가 필요합니다.

 

 

 이러한 문제 때문에 contact size가 작고 Contact Aspect Ratio가 큰 수조에서는 알루미늄 Sputtering보다는 CVD 방법이 쓰이게 됩니다.

 

 CVD 법으로 증착할 경우 PVD 방법보다 좋은 Step Coverage를 얻을 수 있기 때문입니다.

 

 그중 상용화되어 널리 쓰이는 것이 CVD Tungsten입니다. 이러한 방법은 좋은 Step Coverage를 얻을 수 있으나 텅스텐 자체의 높은 저항 때문에 칩 내에서의 Speed 저하를 가져오고, 이러한 이유로 contact hole 내부만 텅스텐으로 채우고 그 외 배선은 알루미늄이나 Cu를 사용하는 방법을 많이 사용하고 있습니다.

 제품이 고 집적화되면 될수록 Patrern size가 작아지게 되므로 앞서 언급했던 contact 내부에서의 균일한 막 형성을 얻기가 어려워지고 있습니다. 이점이 Metal 공정에서 극복해야 할 가장 큰 과제입니다.

 

 

반도체 8대공정 요약 정리