[금속 배선 공정] 금속의 조건, Al과 Cu, Planarization, Interconnection, 신뢰성

1.   금속의 조건

Si(기판)과 부착성이 좋아야 함. 전기 저항이 낮아야 함(배선의 역할), 열과 화학적으로 안정적이어야 함.

패턴 형성이 쉽게 이루어져야 함. 오래 사용할 수 있도록 신뢰성이 높아야 함. 고가의 재료 사용하기 어려움

 

2.   Al과 Cu

두 공정 모두 Barrier 필요.  

-Barrier: Metal과 Si간 확산 방지(접착성 증가), Void가 발생해도 전기적 역할을 할 수 있도록 전자의 경로 역할. 주로 Ti/TiN 사용. But 저항 증가

Al(알루미늄): 일반적으로 사용. RIE 방법을 이용. 저렴, 전기전도도 우수, 증착이 쉽고 빠름, 접착력 우수(Ohmic),

Photo와 Etching 공정이 쉬움, 자연 산화막 제거. Oxide 층으로 확산하지 않음

-단점

1) Junction Spiking: Si와 Al이 반응해 기판으로 Al가 녹아 들어감 -> Al에 미리 Si를 약 2% 첨가 (Diffraction 제어), Barrier Metal 형성

이후 Thermal 관련 공정으로 용해도가 감소해 Boundary에서 Si 석출 가능(Scum)

2) Electro Migration(EM)-신뢰성 문제: 전기적 이동으로 발생(전계, 전자의 충돌), Grain Boundary를 따라 원자가 이동. Hillock과 Void 발생

심할 경우 Short -양쪽에서 Al이 열에 의해 팽창해 Al 일부분이 튀어나오는 현상. Al의 열팽창계수 높아 발생(Tensile)

-> Al에 미리 Cu(무거운 원자)를 첨가(확산을 막음), 또는 Junction Spiking해결책과 같이 Si를 첨가

매우 빨라 Mass Transport 라고 함. 이 충돌로 이온이 이동 (전기 안정성 낮음)

3) 부식이 쉽고, 녹는점이 낮아 열에 약하다.(약 660도) -기생 Cap 발생 가능 - 전류 특성 저하

4) CVD 공정이 어려움(특히 Via 부분) – Via 부분은 MOCVD를 통해 W를 증착

-순서: Al 증착->Photo->Etching->PR Strip-> Barrier 증착-> 산화막 증착

 

Cu(구리): 식각 공정이 어려움-> 전기 도금 중 하나인 다마신 공정(Damascene) 진행. 따라서 단위면적 당 전류량에 따라 속도의 차이 발생

Al보다 저항이 낮아 같은 저항값이 필요하더라도 두께가 줄어듦(Cap을 개선해 RC Delay 개선),

녹는점이 높음. 에너지 손실이 적고, 전기전도도 우수(AI이상), 확산성 낮음. Electromigration가 억제되어 신뢰성이 높음.

-단점

1) Etch가 어렵다 (Dry Etch 불가능) -> Damascene 공정으로 해결

2) Cu가 SiO2를 확산으로 지나감 -> Barrier 증착

-순서: 산화막 증착->Photo->Etching->PR Strip->Barrier 증착-> Cu 매립->CMP (Planarization)->산화막 증착

Damascene

Accelerator: Gap 내부에서 증착을 활성화 (특히 하부)

Suppressor: Gap이 아닌 Surface 부분의 증착을 억제 (상부)

Leveler: Accelerator 억제기. 특히 코너 부분

Accelerator / Suppressor / Leveler

Single Damascene: High A/R에 용이

Dual Damascene: 공정 단계 감소, 비용 감소

=>High A/R의 구조적 문제

를 다른 방법으로 해결하고 Dual 다마신 사용

 

1층의 배선공정은 주로 W를 이용해 Via를 형성하고

이후부터는 Dual Damascene 진행

W Plug 공정

 

3.   Planarization: 단차를 제거하는 것이 매우 중요함.

평탄화를 의미, 국소적으로도 운용되는 방법

1) Thermal Flow: Glass를 녹여 흐르게 함. 순수 SiO2 녹는점이 높아 PSG, BSG, BPSG등을 사용. Boron-doped, Phosphorus-doped Silica Glass

Thermal Flow

2) Etch Back: 여러 번의 Deposition을 하면 어느정도 평탄화가 이루어지지만 두꺼워짐, 두꺼워진 층의 윗부분을 제거하는 방법

 

 

3) CMP (중요!): CMP 항목 참조

4. Interconnection

1) Al Interconnection

2) Cu Interconnection

 

5. 신뢰성

 

1) Metal

-Electro Migration (EM)

구리와 알루미늄 배선 공정에서 주로 발생, 고전류밀도에 의한 원자 이동 현상.

밀도가 낮은 Grain Boundary를 따라 이동하며 Hillock과 Void를 형성

 

Electro Migration (EM)

-Stress Migration (SM)

Stress Gradient에 의한 Atomic Migration.

Tensile은 Void,

Compressive는 Hillock 형성

온도가 올라갈수록 가속되나

일정 온도 이후에는 오히려 감소

Stress Migration (SM)

2) Dielectric

-Breakdown 현상

절연체가 가해진 전계에 의해 절연 특성을 잃어버림.

CCST, CVST, Vramp, Jramp 등의 방법으로 측정

Breakdown  현상

 

-TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown)

Oxide 수명 예측, CVST 이용.

다른 Sample에 다른 전계를 가해 각각에서 구한 Defect를 삽입하여 구동전압 수준에서의 수명 예측

TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown)