반도체 전공정 - 6. 금속배선
6)금속배선
상재리님 블로그 참조
mim : 메탈 인슐레이터 메탈(쉽게 생각하면 케패시터)
imd : inter metal dielectric :금속 배선의 합선방지 절연체,물리적 보안,구조물 (sioh:c ,공기)
ild : inter layer dielectric : 층간 절연체(디램 셀 및 캐피시터간의 절연)
다양한 소자 형성 이후 전기적으로 연결하기 위해 배선을 하는 공정
반도체의 공정이 3D화되면서 수직적으로 연결하는 다층배선의 기술들의 수요와 난이도가 빠르게 증가하고 있다
금속화 공정에서의 주요 필요조건
6-1)낮은 전기 저항(Au,Al,Cu) 금,알루미늄,구리
-회로 패턴을 따라 전류를 전달하는 역활을 하기 때문에 낮은 전기저항 필요
6-2)웨이퍼와의 부착성(adhesion)
-실리콘 웨이퍼위에 얇은 박막으로 증착할수 있도록 부착이 쉬워야 하며 부착강도 또한 우수해야된다
6-3)열적/화학적 안정성
-금속배선공정의 후속공정에서 금속선의 특성이 변치않아야된다
6-4)패턴형성의 용이성
6-5)높은 신뢰성,용량(캐피시턴스),발열 특성
-미세화됨에 따라 금속배선역시 작은 단면으로 제작해도 끈김없고 열전도율(열을잘배출)이 좋아야된다
6-6)제조 가격
어디에 쓰이느냐?
interconnection(상호연결)
메탈과 실리콘을 연결해주는 다이렉트 컨넥션
via홀 즉 층과 층을 연결해주는 컨넥션(w : 텅스텐)
mosfet(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) : 금속 산화막 반도체
-45nm 부터 HKMG:high k metal gate 높은 유전율을 가지는 금속 게이트
-32nm 부터 RMG : replacement metal gate 교체금속게이트
(금속이 높은 온도에서 버티지를 못하기 때문에 더미 금속을 입힌다음 다마신공정:CMP을 통해 깍아낸후
더미금속을 선택식각한 후에 실제 금속을 도포하는 교체금속게이트 방법)
어떤 금속을 사용하느냐?
알루미늄(Al)
junction spiking : 알루미늄이 녹아들어가는현상(장기적 안정성이 떨어짐) 450도에서 0.5% si이 녹음
-문제점을 개선하고자 증착하는 알루미늄에 si 를 첨가한다
-베리어 메탈을 ptsi(플레티넘실리콘)을 멀티 베리어로 증착한다
ohmic connect : 옴의법칙을 따르는 양방향 전류가 흐르는 특성
electromigration : 전자가 금속원자가 충돌하면서 변형을 일으키는현상 신뢰성이 떨어짐
전자의 충돌로 인하여 보이드(구멍) 및 힐락(언덕) 발생 남알남님 유튜브 참조
문제점을 개선하고자 3% 구리를 넣어주면 좋아짐(구리가 금속결합력이 높음 즉 녹는점이 높다)
https://www.youtube.com/watch?v=gt9rD3DtxVs
sputtering(플라즈마 PVD)를 사용하여 증착
재료의 변화 Al -> Cu
90년대 후반부터 미세공정의 난이도가 본격적으로 상승하면서 알루미늄보다 더 낮은 저항 및
rc time relay(신호지연), 더 높은 신뢰선을 갖는 구리로 배선재료가 변경
문제는 재료특성은 좋지만 알루미늄의 장점이있던 배선 형성 공정이 복잡하다는 단점이 존재
구리는 건식식각이 어렵기 때문에 알루미늄을 배선재료로 쓸경우 미리 알루미늄을 증착하고 패턴에 맞게 식각을 하는 공정이라고 하면 구리를 배선으로 쓸경우에는 패턴에 맞게 미리 파놓은 다음에 구리를 전기도금을 통해서 형성하는 공정이다
즉 알루미늄은 건식식각이 가능하기 때문에 깔고 깍는데 구리는 건식식가이 불가능하기 때문에 깍고 까는 것이라고 할수있다
이 단점을 해결하기 위해 damascene(다마신) 공법이 나옴
Single Damascene 공정 : Via층 = W(텅스텐), 금속층 = Cu(구리)
Dual Damascene 공정 : Via층 = Cu(구리), 금속층 = Cu(구리)
공정의 특성상 듀얼 다마신을 주로 사용한다
거니거니님 블로그 참조
거니거니님 블로그 참조
cu seed : 베리어 메탈의 산화방지 및 구리의 접착성을 좀더 좋게 하기 위해 박막 증착(PVD 증착)
ti/tin : 실리사이드 물질 구리이온의 절연막 역활로 확산을 방지하는 층의 역활(ALD 증착)
ti:티타늄 tin:티타늄나이트나이드
거니거니님 블로그 참조
cmp : chemical mechanical polishing : 화학+물리적 연마(etch back)
메탈과 옥사이드 다른 슬러리를 사용
yeon 님 블로그 참조
yeon 님 블로그 참조
https://www.youtube.com/watch?v=SYuOoI187gc
재료의 변화 구리다음은 무엇일까?
cu -> co(코발트) sub 7~5nm(차세대 메탈라인)
알루미늄에서 구리로 넘어올때의 문제점이 구리에서도 보이기 시작했다
구리는 얇아질수록 저항이 높아진다(10~5nm 정도일때 다른금속과 전도성이 뒤집히는 현상이 보임)
