[반도체 공정] 6. 금속화 공정(Metallization)

금속화 공정(Metallization)

Metallization이란 반도체 공정에서 Contact (반도체에서 전기적인 신호를 받거나 내보내는 역할을 수행)과 Interconnection (서로다른 반도체 device간 연결선)을 제작하는 공정이다.

반도체에 사용되는 금속의 필요 조건은 다음과 같다.

1) 전기저항이 낮은 물질

금속선은 회로패턴을 따라 전류를 손실 없이 전달하는 역할을 하므로 무엇보다 전기저항이 낮은 물질(Au, Al, Cu)이어야 한다.

2) 반도체 기판(wafer)과의 부착성

기판에 박막형태로의 부착이 쉽고 부착 강도가 뛰어나 얇은 박막으로 증착할 수 있어야 한다.

 

3) 열적·화학적 안정성

금속 배선 공정 이후의 공정에서 금속선의 특성이 변하지 않는 것이 중요하다. 반도체 후속 공정에 대한 열적, 화학적 안정성 또한 중요하다.

4) 패턴 형성의 용이성

반도체 회로 패턴에 따라 금속선을 형성시키는 작업이 쉬운지를 확인해야 한다. 아무리 좋은 금속이더라도 식각 등의 공정 특성에 어려움이 있다면 

반도체 배선 재료로 쓰기 어렵다. 작은 단면에서도 끊어지지 않고 오래갈 수 있는지도 중요한 조건이다.

 

5) 경제성

위와 같은 조건을 모두 만족하더라도 고가의 재료라면 대량생산을 하는데 어려움이 따르기 때문에 반도체의 재료로 부적절하다.

이러한 공정에 대표적으로 많이 쓰이는 금속인 Al과 Cu를 각각 비교해 보자.

Junction spiking, Electromigration, Hillock ,Damascene 공법에 관한 설명은 링크로 들어가면 자세한 설명을 볼 수 있다.

Junction Spiking :  https://allgo77.tistory.com/69

Electromigration, Hillock : https://allgo77.tistory.com/70

Damascene 공법 : https://allgo77.tistory.com/71

금속 박막 형성 방법

이러한 금속 박막을 형성하는 방법에는 크게 PVD, CVD 그리고 ALD라는 방법이 있다.

각각 Physical Vapor Deposition, Chemical Vapor Deposition, Atomic Layer Deposition이다.

여기서 PVD로 증착시키다보면 Void가 발생하고 CVD로 증착시키다보면 Seam와 같은 defect이 발생하게 된다.

이럴 경우 전기도금(Electroplating)을 이용하여 해결한다. 전기도금이란 전기분해의 원리를 이용해 한쪽에 있는 금속을 다른 쪽의 금속에 입히는 작업을 의미한다. 도금을 해야 하는 금속을 음극(cathode)에 놓고 양극(anode)에 입히고 싶은 금속을 놓은 후 전해액(electrolyte)에 담근 후 직류전원을 가하면 전위차가 생겨 금속 이온이 이동하여 증착된다.

아래는 wafer위에 연결선으로 사용되는 구리(Cu)도금을 위해 황산구리(CuSO4)+황산(H2SO4) 전해질에 구리전극과 wafer을 넣어 도금하는 그림이다.

평탄화 공정(Planarization)

증착을 진행하고 나면 증착된 물질이 균일하지 않고 필요없는 부분을 제거해야하기 때문에 소자를 전체적으로 평탄화(Planarization)시켜주는 작업이 필요하다. 이러한 평탄화 공정에는 다양한 방법이 있는데 대표적으로 CMP, Thermal flow, Etch back등의 방법이 있다.

1. CMP (Chemical Mechanical Polishing)

 

CMP는 가장 많이 사용되는 평탄화 방법중 하나이다. 회전하는 Plate 위에 CMP용 Slurry 용액을 뿌린 후 Wafer에 압력을 가하면서 회전시키면 Slurry에 의한 화학적인 작용 + 회전과 압력에 의한 물리적인 작용에 의하여 평탄화가 진행되는 기법이다.

2. Thermal reflow

Thermal reflow 기법은 높은온도로 웨이퍼 표면을 녹여 흐르게 하여 평탄화 하는 기법이다. 순수한 SiO2의 녹는점은 매우 높으므로(약 1300ºC)

Doping된 PSG, BSG, BPSG 등을 주로 사용한다.

PSG: Phosphorus-doped Silica Glass

BSG: Boron-doped Silica Glass

3. Etch back

 

위의 사진처럼 증착공정을 여러번 반복하다보면 gap이 점점 매워지면서 평탄해지는 것을 볼 수 있다. 이후 평탄화를 하면서 두꺼워진 layer을 etching하는 방법이 Etch back 방법이다.