[금속 배선 공정] - 기본편

금속 배선 공정은 무엇일까?

 

반도체 공정의 경우 대부분의 공정 이름들이 직관적인 걸 알 수 있다. 금속 배선 공정도 마찬가지로, 금속 배선을 넣는 공정이다. 우리가 열심히 만들어 놓은 반도체 소자들을 전기적으로 연결해야 사용할 수 있기 때문에 금속 배선 공정 또한 매우 중요한 공정일 수 밖에 없다. 

 

금속 배선 공정 내용 자체가 많지는 않지만, 꼭 정리해봐야하는 내용들이 몇가지 있으므로 정리해보도록 하자.

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금속 배선 공정의 정의

 

: 반도체 회로 내에 존재하는 소자간의 신호 전달 및 전력 공급을 위해 저 저항의 금속을 사용, 소자 및 하부 배선들을 서로 연결하고 전기적으로 격리되어야 할 부분들은 절연체를 사용, 절연 시키는 일련의 공정 과정을 뜻한다.

 

 

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[금속 배선 공정의 흐름 및 최신 근황]

 

최근에는 금속 배선 공정시 많은 경우 구리(Cu)를 사용한다. 하지만, 처음 부터 구리를 사용한 것은 아니다. 구리가 비저항 값이 낮아 구리를 사용하는것이 이론적으로는 그 전까지도 타당하였으나 구리를 이용하여 배선을 하기에는 여러 문제점 들이 있었다.

 

• 식각이 어려움 / 식각시 휘발성 있는 반응 부산물을 만들지 못함 (CuCl, CuF 등)
• 실리콘 산화막을 통한 확산(Diffusion)이 발생하여 실리콘 소자를 오염시킨다.

위의 두 가지 큰 문제점을 해결할 수 있는 공법이 나오기 전 까지, 울며 겨자 먹는 느낌으로 구리(Cu) 대신 알루미늄(Al)을 이용하여 금속 배선 공정을 진행 하였다.

 

하지만, 알루미늄도 다음과 같은 문제들이 발생하였다

 

• 계속 되는 반도체 칩 미세화에 의해, 저항 및 정전용량의 증가
• 기존 알루미늄 및 실리콘 산화막 층간 절연막 배선 구조의 신호 지연문제가 심각

무어의 법칙에 의하면, 2년에 한번씩 동일 반도체 면적에 들어가는 트랜지스터 수가 2배가 증가한다고 한다. 이러한 추세에 알루미늄은 원래도 구리보다 저항이 높아 쓰기 애매했는데, 트랜지스터의 구조로 인한 저항 마저 증가하기 때문에 쓰기가 더 애매해 졌다. 이는 저항과 캐패시턴스의 공식을 보면 바로 알 수 있다.

저항(R)과 캐패시턴스(C)값의 공식

 

이러한 이유들로 인해, 다시 구리(Cu) 배선으로 시선이 향했고 위에 언급했던 문제들을 모두 한방에 해결 할 수 있는 공정이 개발되었다. 해당 공정 기술의 이름은 다마신(Damascene)공정이라고 불리며 해당 방식은, 확산을 통해 실리콘 주변부로 들어오는 구리를 애초에 확산하지 못하게 구리 주변을 절연체로 둘러 싸고 구리 자체를 식각 할 필요가 없는 방식으로 구리를 그 안에 채워 넣는 방식을 채택하였다.

 

구리의 우수한 전도성을 이용하면서 구리가 일으킬 수 있는 문제점들을 완벽히 컨트롤 할 수 있는 방법으로 최신 공정에서도 많이 이용되고 있는 금속 배선 공정 기법이다. 위 공정 순서에서, 탄탈륨질화막(TaN)과 탄탈륨(Ta)를 사용한 이유가 있는데, 정리해보면 아래와 같다.

 

• 탄탈륨 질화막(TaN) : 실리콘 소자로의 Cu의 확산을 방지하는 역할
• 탄탈륨 (Ta) : 위의 탄탈륨 질화막 자체가 구리와의 접착력이 좋지 않으므로, 탄탈륨을 넣어줘서 접착력을 제공함

구리 전해 도금 장치 및 공정원리

구리 도금의 경우, 위와 같이 전해 도금 방식을 사용한다. 위 구조의 장치를 사용하면 지속적으로 화학물질들이 순환하면서 그 사이에 구리가 웨이퍼 위에 도금 되는 방식이며 위에서 사용한 다마신 공정에 의해 구멍의 가장 안쪽부터 구리가 채워지기 때문에 매우 Conformal한 형태의 프로파일을 얻을 수 있다는 장점까지도 가지고 있어 이용되고 있는 방법이다.

 

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이번 포스트에서는 짧고 간단하지만 필요한 개념들 위주로 정리해 보았다. 앞서 공부한 포토공정과 식각공정등으로 열심히 웨이퍼를 만들기만 하면 실 제품화가 될 수 없다. 이러한 금속배선공정등의 후속 공정들이 모두 진행 되어야 비로소 완제품으로 거듭날 수 있고, 이러한 후속 공정들의 원리나 개요정도를 어느정도 알고 있어야, 그 앞단의 공정들에서도 후속 공정의 상황을 어느정도 고려할 수 있기 때문에 전체적인 흐름을 먼저 아는게 반도체 공부에서 가장 중요하다고 생각한다. 반도체는 사람 혼자만드는게 아니라 모든 공정과정이 협업으로 이루어 지기 때문에 더더욱 그런 부분이 중요하다.

 

앞으로 남은 확산공정, CMP 및 세정공정도 힘내서 공부하고 정리해서 업로드 하도록 하겠다!

 

다들 반도체 공부하느라 힘드실텐데 화이팅! 나도 화이팅..! :)