[반도체공정] Metal material(금속 배선 공정)

반도체 선폭 등이 미세화됨에 따라 금속 배선도 그에 맞게 발전하고 있습니다. 금속 배선을 형성하는 Metal material은 반도체 기판과의 부착성뿐만 아니라 열적, 화학적 안정성도 보장되어야 합니다. 오늘은 이와 같이 반도체 공정에 중요한 Metal material에 대해 알아보겠습니다.

금속배선

Metal material의 필요조건

• 반도체 기판과의 부착성(adhesion)
• 전기 저항이 낮은 물질
• 열적, 화학적 안정성
• 패턴 형성의 용이성
• 높은 신뢰성
• 제조가격

해당 조건을 충족하는 금속으로는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 텅스텐(W) 등으로, 필드에서 사용되고 있습니다. 

 

배선 종류

• Plug: 단위소자 전극에 직접 연결되는 배선
• 텅스텐 플러그: W 전면 증착 후 선택적 제거
• Local interconnect: 근접된 소자 사이를 연결하여 하나의 logic unit 형성
• Via: 각 배선층 사이를 수직으로 연결
• Global interconnect: 각각의 logic unit을 연결하여 전체적인 신호를 전달하는 배선

Al 배선 관련 이슈들

1. Electro migration

전자 이동 중 금속 원자와 충돌하며 금속 원자가 원래 자리에서 이탈하는 현상입니다. Electro migration은 grain boundary를 따라 전자가 이동하여 void발생가 발생합니다.

 

해결 방법으로는 Electromigration 현상이 잘 일어나지 않는 Cu(0.5~4%)를 Al 첨가한 배선을 사용하여 예방할 수 있습니다.

 

2. Diffusion으로 인한 Junction Spike

Al, Cu 두 물질 모두 Si와 직접 접촉 시에 계면에서 섞이려는 성질이 강해 배선공정에서 접합면이 파괴되는 현상입니다. 쉽게 확산이 일어나 기판으로 금속 분자가 침투가능하여 품질에 악영향을 미칩니다.

 

해결방법으로는 Barrier layer(barrier metal)를 구성하여 이중으로 박막 형성해 접합면 파괴를 예방할 수 있습니다. 금속의 Diffusion을 억제합니다.

3. Ohmic Contact

서로 다른 두 물질이 접촉할 때 접촉 계면에서 저항이 형성되는 현상입니다. Al - Si, Cu - Si 모두 계면에서의 특성이 나빠지는 현상을 보입니다.

 

해결방법으로는 barrier layer를 형성함으로써 해결할 수 있습니다.