세상에서 가장 쉬운 반도체공정 설명 Step.5 - 금속배선공정편

반도체를 만드는 과정은 8단계로 나눌 수가 있어요. 순서대로 나열하면, 웨이퍼제조 > 산화 -> 포토 > 식각 > 증착 > 금속배선 > 테스트 > 패키징입니다. 이중 오늘 살펴볼 것은 '금속배선공정'입니다.

금속배선공정 :

지금까지 웨이퍼위에 산화막을 입히는 산화공정(산화공정 참고). 산화막 위에 감광액을 입히고 회로를 그려넣는 포토공정(포토공정 참고). 그려진 회로를 제외하고 나머지를 깍는 식각공정(식각공정 참고). 그리고 이제 전도성을 갖기 위해 이온주입(Ion Implantation)해주고 그 위에 얇은 박막을 얹히는 증착공정(증착공정 참고)까지 함께봤어요. 앞선 글에서 포토-식각-증착과정을 계속 반복이 된다고 했죠. 반도체회로 밀도를 높이기 위해서 말이죠.

자, 그런데 아직까지 반도체 내부에서만 전자가 돌아다니죠. 충전도 해야하고 다른 반도체와 연결을 위해서는 연결선이 필요해요. 고무같이 절연성이 있는 물질을 연결선으로 써서는 안되겠죠. 전자가 이동해야하니까 전도성이 있어야합니다. 그래서 전도성이 높은 금속선을 씁니다. 그래서 금속배선(Metal Line)이라 부르고 금속배선공정이라고 이름 지어졌어요.

여기서 잠깐!!
금속배선의 필수조건이 있어요.
· 웨이퍼의 재질인 실리콘(Si)위에 잘 부착할 수 있어야함.
· 전자가 이동함으로 저항성이 낮아야한다(전기저항 Down).
· 열에 의해 배선이 팽창, 수축하지 말아야한다.
· 가공을 해야하기에 식각에 용이해야한다.
· 반도체 미세화로 금속배선도 미세화가 가능해야한다.
· 제조가격이 높으면 대량생산이 불가능해져 적합하지 않다.

이렇게 까다로운 조건을 통과한 금속은 무엇이 있을까요? 대표적으로 알루미늄(Al), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 텅스텐(W)이 있습니다.

만든이 : LSNB

다만, 알루미늄(Al)은 실리콘(Si)과 만나면 서로 섞이려는 성질이 있어요. 경계선이 있어야 제 역할을 할 수가 있는데, 섞여 버리면 접합면이 파괴될 수 있겠죠. 이를 방지하기 위해서 장벽을 하나 세우는데요. 이를 영어로 장벽의 뜻을 가진 Barrier Metal이라 합니다. 이중으로 박막을 형성하는 거죠.

구리 > 알루미늄 :

하지만, 금속선의 선폭이 점점 줄어들면서 더 이상 알루미늄을 사용하기가 힘들어졌어요. 알루미늄은 상대적으로 열에 약해 쉽게 변형되고 너무 얇아지면 부러질 확률도 높죠. 반면, 구리는 알루미늄보다 더 강하고 열에 훨씬 강합니다. 더군다나 전기에 저항성이 알루미늄보다 30% 이상 낮아 전도성도 훌륭하죠.

여기서 잠깐!!
공정방식변경이 RIE 식각 -> 다마신으로 변했는데요. 그 차이점은 아래와 같아요.
· RIE(Reactive Ion Etching) 식각 : 물질에 높은 에너지인 자기장을 쏴 양이온을 떼어내어 웨이퍼표면을 식각
· 다마신(Damascene) : 미리 만들어 놓은 틀 속에 용융된 금속액체를 주입하듯, 전해도금(Electroplating)으로 구리를 채워넣는 방식 -> 구리 화합물은 휘발되지 않은 점을 고려해 불필요한 구리를 만들지 않기 위해 붕어빵처럼 틀을 정해놓는 거임

그렇다면 이렇게 반도체금속배선에 훌륭한 구리를 그동안 왜 덜 사용했을까요? 구리를 금속배선으로 만드는 과정이 매우 힘들었기 때문이에요. 예를 들면, 배선을 만들기 위해 구리를 식각하면, 화합물이 가스형태로 분출되어야하는데 그렇지 않아요. 구리 화합물은 휘발성이 없기 때문이에요. 그래서, 나중에 CMP(Chemical Mechanical Polishing)이라는 화학적 기계적 연마 방식이 개발 되고 나서야 불필요한 구리를 제거가능해졌죠. 또한, 구리는 실리콘(Si) 뿐만 아니라 이산화규소(SiO2)에도 확산되는 경향이 있어서 스파이킹(Spiking), 정션 쇼트(Junction Short) 발생위험이 훨씬 높습니다.

하지만, 현재는 구리 또한 메탈 베리어(Metal Barrier)를 실리콘 사이에 만들어줌으로써 확산을 방지해주고 위에 설명했듯 다마신 방식으로 구리를 만들어주고 있음으로 문제를 해결해나가고 있습니다. 현재는 반도체 금속배선은 알루미늄보다는 구리 사용비율이 압도적이라고 하네요.

만든이 : LSNB

그리고 마지막으로 금속배선 역시 증착과정과 같은 방식으로 이루어지는데요. 공기가 없는 진공기기에 넣어서 낮은 압력에서 끓이거나 전기적 충격을 주면 금속이 증기상태가 되는데요. 이때 웨이퍼를 진공기기안에 넣으면 금속막이 형성이 되는 겁니다.