[반공공] Metallization (금속배선공정)

안녕하세요. 반공공에서 다룰 단위공정도 어느새 막바지에 다와가네요.  

이번 시간에는 금속 배선 공정에 대해 알아보겠습니다.

 

Contents

1. Aluminum & Poly Silicon
2. Titanium
3. Tungsten
4. Copper

오늘은 금속의 종류에 따른 용도와 문제점, 특징 등을 다뤄볼 예정입니다.

 

CMOS Cross Section [1]

들어가기 앞서, 금속배선 공정은 wafer 위에 금속 도체들을 얇게 올리는 과정입니다. 이렇게 증착된 금속들은 다양한 용도로

활용되지만, 대표적으로 배선(Interconnection), 게이트 및 전극 (Gate and Electrode)로 널리 사용됩니다.

 

1. Aluminum & Poly Silicon

가장 먼저 알루미늄과 폴리실리콘입니다. 알루미늄은 전통적으로 gate와 electrode로써의 역할을 수행해오다가 열적 안정성 등의 이유로 Poly Si에 대체되었습니다. 이유는 아래에서 말씀드리겠습니다.

S/D 비교 [2]

 

위 사진은 Al gate와 Poly Si gate에서의 S/D 형성 과정입니다. 

먼저 Al gate 선택시 ion implantation(이온주입) 공정 후 annealing process를 진행할 때 어닐링 온도가 Al gate의 녹는점보다 

높아 gate가 버티지 못하고 녹아내립니다. 그렇기 때문에 S/D영역을 먼저 형성한 후에 Al gate를 올리는 순서가 강제되었고, 이때 매우 precise한 align이 필요하므로 공정 난이도가 높았습니다.

 

반면 Poly-Si gate의 경우 어닐링 온도를 견딜 수 있는 녹는점을 가지고 있습니다. 그렇기 때문에 gate를 먼저 올리고 후에 S/D을 형성하여 쉽게 정렬된 active area 형성이 가능합니다.

또한 poly-Si도 doped된 Si이기 때문에 dopant에 의해 성질이 변할 수 있지 않느냐하는 의문을 갖는 분이 계실 수 있는데, 이미 heavily doped되면 solubility라고 하는 성질에 의해 더이상 도핑이 되지 않기 때문에 이온 주입시와 어닐링시에도 견딜 수 있습니다. 이러한 안정성 덕분에 Al에서 Si gate로 대체되었습니다.

 

1-1. Junction Spike

또한 알루미늄을 도체로 채택했을 때 발생하는 문제점 중 정션 스파이크가 있습니다.

정션 스파이크는 아래 사진을 보며 설명하겠습니다.

Junction Spike [3]

정션 스파이크는 알루미늄으로 게이트를 형성했을 시 아래 실리콘 영역이 알루미늄에 의해 녹아 구멍이 생기고, 그 사이로 알루미늄이 침투하는데 이때 파고드는 모양이 spike, 일상 속에서 접할 수 있는 비유로는 고드름의 모양과 유사하게 파고드는 현상입니다.

이는 기판 및 실리콘 영역에 metal이 침투하는 것이기 때문에 소자의 신뢰성에 치명적인 영향을 줍니다.

 

이를 해결하기 위해 Si-Al alloy, 즉 실리콘-알루미늄 합금을 사용합니다. 알루미늄에 소량의 실리콘을 섞은 합금을 만드는 것이죠.

이렇게 하면 더이상 알루미늄이 실리콘 영역으로 침투하지 못해 정션 스파이크 현상을 방지할 수 있습니다.

 

2. Titanium

폴리 실리콘과 함께 연결되는 금속에 Titanium(타이타늄)이 있습니다. 

타이타늄은 대표적으로 Silicide 공정에서 활용됩니다. 

 

2-1. Silicide

Silicide공정은 게이트 윗단의 contact 저항을 낮추기 위해 활용되는 공정입니다. 즉, 금속 배선과 폴리실리콘 게이트 사이에

금속-실리콘 혼합층을 만들어 저항을 낮추는 것입니다. 대표적으로 TiS2(Titanium Silicide), WSi2(Tungsten Silicide),

CoSi2(Cobalt Silicide) 등이 있습니다. 메탈 종류별로 역할이 미세하게 다릅니다.

2-2. Salicide

타이타늄을 활용한 실리사이드 공정 시 응용되는 Salicide 공정을 알아봅시다.

Salicide는 Self-Aligned Silicide를 줄인 별칭으로, Silicide 층이 스스로 완벽한 정렬을 하게 하는 공정입니다.

Salicide [4]

위 그림은 샐리사이드 과정입니다. 게이트 양옆에 Space wall을 절연물질(주로 SiO2)로 형성하고, 전체적으로 Ti 금속을 덮은 뒤 열처리를 진행하면 게이트 윗단과 S/D 영역에 선택적으로 TiSi2 층이 형성됩니다. 

Ti은 oxide와 반응하지 않는 성질을 활용했기 때문에 게이트 측벽은 형성되지 않습니다.

 

Ti은 이외에도 N2와 만나 TiN2(Titanium Nitride)를 형성해 W-Ti 층 사이를 접착하는 역할과 W의 diffusion을 방지하는 역할, standing wave effect를 방지하기 위한 ARC (Anti-Reflective Coating) 역할 등을 수행합니다.

 

standing wave effect 내용 ↓

[반공공] Photolithography(포토공정) 1.

[반공공] Photolithography(포토공정) 1.

 

 

3. Tungsten 

 

다음은 텅스텐입니다. 텅스텐은 주로 metal plug나 via hole 등에 사용됩니다. 

반도체가 scaling됨에 따라 채널 장악력을 늘리기 위해 금속은 비저항이 낮은 것을 사용해야 하는데, 텅스텐은 기타 금속들에

비해 비저항이 큰 편입니다. 그럼에도 신뢰성이 높고, 기체상태로 증착 (WF6를 활용한 CVD)이 가능해 Step coverage와 gap fill이 높은 형태로 채울 수 있기 때문에 주로 사용합니다.

금속 별 gap fill [5]

 

 

4. Copper

마지막으로 구리입니다. 현재 가장 널리 사용되는 금속입니다. 가장 큰 이유는 저렴한 가격에 비해 낮은 비저항을 갖기 때문입니다.

또한 Al 사용 시 electromigration이라는 부작용이 발생합니다. 다결정의 grain boundary를 따라 전자들이 이동하며 grain이 점차 팽창하고, 결국 Al을 찢어 void를 형성하는 현상입니다. 하지만 구리는 이 전자이동 현상에 대한 저항성이 매우 큽니다.

실제로 구리가 대체하기 전까지는 Al-Cu alloy를 활용해 전자이동현상을 방지하기도 했습니다.

 

Al의 단점을 크게 커버할 수 있는 Cu는 왜 비교적 대체가 늦어졌을까요?

이유는 증착 과정에 있습니다. Al을 증착할 때는 wafer 표면에 Al을 전체적으로 덮고, photo와 etching 공정을 활용하여

원하는 부분만 Al을 남기는 전통적인 방식으로 증착했습니다. 

하지만 Cu는 Etching을 위한 Etchant가 존재하지 않습니다. 그렇기 때문에 먼저 덮고 깎아내는 전통적 공법이 불가능 했습니다.

시간이 지나고 구리가 들어갈 공간을 먼저 형성하고, 전기도금을 활용해 매우 높은 gap fill로 구리를 채운 뒤 CMP(Chemical Mecahnical Polishing)로 평탄하게 연마하는 damascene 공법이 개발되며 구리로 완전대체 되었습니다.

다마신 공정 [6]

 

구리는 diffusion이 매우 활발한 금속입니다. 때문에 구리의 확산을 막기위한 층으로 Ta(Tantalum), TaN(Tantalum Nitride) 등을 활용합니다. 그리고 차세대 금속재료로 구리보다 낮은 비저항을 갖는 Co, Ru 등이 개발 중입니다.

 

 

오늘은 반도체 공정 중 쓰이는 금속들을 알아보았습니다. 감사합니다.

Reference

[1]~[6]  ([2]제외) Introduction to Semiconductor Manufactrung Technology Hong Xiao

[2] https://www.techsimplifiedtv.in/2023/12/polysilicon-as-gate-material-vlsi.html

Polysilicon as Gate Material : VLSI Milestone Episode - 3