[반도체 공정] 반도체? 이 정도는 알고 가야지: (7)금속(metallization)공정

반도체? 이 정도는 알고 가야지: (7)금속(Metalization)공정

 

SK하이닉스 채용을 준비하는 취준생이라면 꼭 알아야하는 반도체 공정! 지난 6번째 공정 포스팅에 이어, 7번째 공정 관련 포스트를 준비했는데요. 먼저 몸풀기 용 퀴즈 하나 풀고 자세히 알아보도록 하겠습니다.

 

SK Careers Editor 한수정

 

 

 

 

 

 

 

 

정답은 ② 금속 공정입니다.

 

정답을 맞추신 당신! 당신은 반도체 전문가, 조금 더 깊은 이해를 위해 이 글을 읽어보세요. 

정답을 못 맞추신 당신! 조금만 더 공부하면 반도체 전문가가 될 수 있어요. 그런 의미에서 이 글을 읽어 보세요.

 

 

#금속 공정이란?

금속 공정(Metalization)은 금속 형성 공정 혹은 금속 배선 공정이라고도 불립니다. 반도체는 각 층의 연결을 통해 회로의 작동이 이루어지는데요. 이를 위해 필요한 공정이 ‘금속 공정’입니다. 외부에서 얻어지는 전기적 에너지를 받아 소자들끼리 신호가 섞이지 않고 전달되도록 선을 연결해주어야 합니다.

 

#금속 공정에 사용되기 위한 ‘금속의 조건’

 

모든 종류의 금속이 금속 공정에 사용될 수 있을까요? That’s No No. 전극층을 형성하고 각 층을 연결하기 위해 사용되는 금속에는 몇 가지 조건이 있습니다.

 

 

 

1) 웨이퍼와의 부착성

: 반도체 기판, 즉 실리콘 웨이퍼와의 부착성이 좋아야 합니다. 즉, 쉽게 부착되고 부착 강도가 뛰어나 얇은 박막으로 증착 할 수 있어야합니다.

 

2) 낮은 전기저항

: 금속선은 회로패턴을 따라 전류를 전달하는 역할을 합니다. 그러므로 전기저항이 낮은 물질이어야 합니다.

 

3) 열적•화학적 안정성

: 금속 배선 공정 이후의 공정에서 만들어 놓은 금속선의 특성이 변하지 않는 것이 중요합니다. 따라서 이후 공정에 대해 열적, 화학적 안정성이 뛰어난지 꼭 고려해주어야 합니다. 

 

4) 패턴 형성의 용이성

: 반도체 회로 패턴에 따라 금속선을 만드는 작업 과정이 쉬운지를 확인해야 합니다. 좋은 금속 재료이더라도 식각 등 공정 특성에 맞지 않으면 배선 재료로 쓰이기 어렵기 때문입니다.

 

5) 높은 신뢰성

: 신뢰성이란 반도체의 향후 품질을 말합니다. 즉 금속을 선택할 때 반도체의 좋은 품질을 오랜 기간 유지할 수 있는지를 고려해주어야 합니다. 집적회로 기술의 발전으로 점점 그 크기가 미세해지고 있는데요. 금속 배선 또한 작은 크기의 단면에서 끊어지지 않고 오래갈 수 있는지 따져야 합니다. 

 

6) 제조 가격

: 위 다섯 개의 조건을 만족시키더라도 너무 비싼 재료라면 대량 생산을 하는데 어려움이 있기 때문에 부적합합니다.

 

이러한 조건을 만족시키는 단일층 재료로는 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등이 있고, 다층구조로는 티타늄(Ti) 텅스텐(W)등이 있습니다.

 

 

 

# 금속 박막 형성 과정

조건에 맞는 금속이 준비되었으면 이제 본격적으로 금속 공정을 시작해야겠죠? 단일층 재료로 많이 사용되는 알루미늄(Al)과 구리(Cu)의 공정을 조금 더 자세히 알아봅시다.

 

 

<Al 증착 ▶ PR Coating ▶ Photo ▶ Develop ▶ Al Etch ▶ PR Strip>

 

 

알루미늄은 저항이 낮고, 산화막(SiO2)과의 접착성이 우수해 금속 공정에 적합한 물질입니다. 하지만 실리콘과 만나면 섞이려는 성질이 있어서, 접합면 사이에 Barrier metal이라 불리는 금속을 넣어 상하는 것을 방지해주어야 합니다. 금속 배선 공정 역시 증착을 통해 이루어지는데, 알루미늄의 경우 주로 Sputtering에 의해 증착됩니다.

 

 

장 점	단 점
- 가격이 저렴해요 - 박막 상태에서도 bulk 상태와 비슷한 높은 전기전도도를 가져요 - 박막 증착이 쉬워요 - 산화막(SiO2)과의 접착력이 우수해요	- Hillock이 발생해요 - 전자이동으로 수명이 짧아요 - 부식이 잘 돼요

 

 

 

<SiO2 증착 ▶ PR Coating ▶ Photo ▶ Develop ▶ SiO2 Etch ▶ PR Strip▶ Cu 매립 ▶ CMP>

 

구리는 알루미늄이 텅스텐보다 비저항이 낮아, 같은 저항값을 갖는 금속선에 대해서 보다 미세하게 패턴 제작을 할 수 있어 사용되고 있습니다.

 

장 점	단 점
- 알루미늄보다 비저항이 낮아요 - 알루미늄보다 녹는점이 높고  diffusivity가 낮아요 - electromigration이 억제되어서  반도체의 신뢰도가 높아져요	- etch가 어려워요 - SiO2를 확산으로 지나가기 때문에  확산 방지막이 필요해요 - 패턴형성이 어려워 damascene 공정을  사용해야 해요

 

#금속 박막 형성 방법

 

금속 박막을 형성하는 방법에는 크게 세 가지가 있습니다. 화학적 반응으로 박막을 형성하는 방법인 CVD(Chemical Vapor Deposition), 물리적 기상 증착법인 PVD(Physics Vapor Deposition)가 있습니다. 또, PVD와 CVD 방식의 한계를 극복하기 위해 원자층을 증착하여 박막을 형성하는 ALD(Atomic Layer Deposition)이 주목을 받고 있습니다.

 

 [   PVD   ]

 

장점	단점
- 저온 증착이 가능해요 - 모든 물질을 증착할 수 있어요 - 불순물이 적어요	- Step coverage가 좋지 않아요 - 조성 조절이 어려워요 - 얇은 두께를 조절하기 어려워요

 [   CVD   ]

 

 

 

장점	단점
- Step coverage가 좋아요 - 조성이나 두께를 조절하기 유리해요	- 대부분의 공정이 고온에서 진행되어야 해요 - 반응 변수가 복잡해요 - 유독 가스를 사용하기 때문에 위험해요

 

 

 

 

 

 [   ALD   ]

 

장점	단점
- CVD 대비, 낮은 온도에서 공정할 수 있어요 - Step coverage가 좋아요 - CVD 대비 조성이나 두께 조절이 유리해요	- 유독 가스를 사용하기 때문에 위험해요

 

 

 

이번 7번째 공정까지의 포스팅을 통해 웨이퍼 제조에서부터 회로의 작동이 이루어지는 과정까지 살펴보았습니다. 다음 “반도체? 이 정도는 알고 가야지”에서는 완벽한 반도체가 되기 위한 마지막 단계인 TEST&Packaging에 대해 알아보도록 하겠습니다. 취준생 여러분, 이후 면접 전형에 참여하실 때,  ‘반도체 공정’은 기본인 거 아시죠? 저희 SK Careers journal에서 준비한 반도체 공정 포스트로 면접 준비 잘 하시길 바랄게요!