Metallization _ Damascene Process

BEOL(Back End Of Line, 후공정)에서는 수평면으로 금속선 회로를 깔고, 수직 방향으로는 소자가 외부와 소통할 수 있도록 소자의 4개 단자와 연결하는 콘택트(Contact)와 비아홀(Via Hole)을 형성한다. 소자와 소자, 소자와 외부를 잇는 이 같은 과정을 ‘Metallization 공정’이라고 한다.

 

 

 

용어

contact : 다른 물질 간의 접합부위

interconnection : contact들을 서로 연결한 metal line

metallization : interconnection을 만드는 공정 (→ 원하는 형태의 회로를 구성한다. → 층이 여러 개가 형성된다.)

IMD(inter metal dielectric) : metal 사이의 절연물질

via : metal 사이의 연결을 하는 층 (연결부위)

 

 

 

공정의 핵심

1. resistivity가 낮춰서 RC delay와 voltage drop을 개선해야 한다.
2. 장시간의 reliability와 물리적, 화학적으로 안정한 물질인지 확인해야 한다.
3. patterning이 쉬워야 한다.
4. 가격이 싸야한다. 예전에는 Al을 써서 interconnection을 만들었지만 요즘은 Cu를 사용하여 만든다.

 

 

Metallization 물질

• Au (gold) : silver와 같은 단점이 존재한다.
  1. Si에 매우 빠르게 diffusion한다.
  2. gold 이온들이 diffusion하여 trap을 생성하며 Si와의 adhesion이 좋지 못하다.
  3. 뜯겨 나간다. 따라서 adhesion layer (Ti, Ta, W, Cr)을 증착한 뒤 증착해야 한다.
  4. Au가 비싸다.
  따라서 chip packaging에만 제한적으로 사용된다.

 

• Al
  1. 싸다
  2. Si, SiO2와 adhesion이 좋다. (adhesion layer 필요 없다.)
  3. patterning이 쉽다. (wet etching, dry etching 쉽다.)
  4. eutectic 발생 : 녹는점이 낮아진다.
  5. 부식, electonmigration, junction spiking과 같은 문제점이 발생한다.
  eutectic(공융 : 혼합물이 녹을 때 각 성분들이 본래 녹는점보다 낮은 온도에서 동시에 녹는 현상) 이 발생한다. Al-Si이 섞이게 되면 녹는점이 원래 중간에서 결정되어야 하지만 Si이 13% 정도 섞일 때, 녹는점이 최소가 된다. : 577도 (eutectic temperature)
  • 순수한 Al이 녹는점은 660도이며 Si이 녹는점은 1414도이다.
  • 450~500도에서 annealing을 진행하여 증착한다. 이때 contact resistivity가 줄어들다가 450도 정도일 때 저항이 급격히 낮아지는 현상이 발생한다.
   

junction spike

• Al과 Si 경계면에서 합금이 형성되고 합금의 녹는점이 낮아진다.
• Si이 Al 쪽으로 흡수되어 버린다. Al이 Si 쪽으로 파고드는 부분 형성 (junction spike) → n+를 넘어서 형성될 수도 있음
• 전기적으로 short 시키거나 추가적인 leakage current를 발생시킨다. 이는 회로의 성능을 저하시킨다.

solution

• barrier layer (poly -Si or metal)을 삽입한다. 하지만 비저항 측면에서 손해이다 (낮은 비저항 물질 : Al)
• Al 증착 시 1%의 Si이 포함된 Al을 증착한다. 이를 통해 Al-Si의 녹는점을 600도까지 올릴 수 있다.

electromigration

• Al interconnection에 전압을 인가하여 전류를 흘려준다.
• 높은 전류가 흐른다면 전자가 가진 momentum이 크다.
• Al 원자를 이동시켜 버린다. (void→ 날아간 부분이 hillock, bridge을 발생시킨다.)

solution

• Cu와 같은 heavy metal의 비율을 약간 늘린다.
• magic number : 95% Al + 4% Cu, 1% Si을 이용한다. 하지만 electromigration과 spike 문제를 해결하기 어렵다.
• 이러한 문제는 Damascene Process로 해결되었다.

 

• Cu
  1. 비저항이 Al보다 좋다.
  2. Si와 접합 시 매우 빠르게 확산한다.
  3. etching이 어렵다.
  4. 현재는 Damascene Process를 적용하여 해결했다.
  배선 패턴을 형성하려면 구리 재질을 RIE(Reactive Ion Etching, 반응성 이온 식각) 방식으로 깎아내야 하는데, 이 과정이 매우 어렵다. 구리를 식각 하려면 식각 시 발생하는 화합물이 가스 형태로 배출돼야 하는데, 구리 화합물은 휘발되지 않기 때문이다. 따라서 나중에 다마신 방식이 완료된 후에도, 불필요한 구리를 제거하기 위해 식각이 아닌  CMP(Chemical Mechanical Polishing, 화학적 기계적 연마) 방식으로 연마(Polishing)해야 한다. 또한, 구리는 실리콘뿐 아니라 SiO2(이산화규소) 속으로도 확산될 수 있어 알루미늄보다 더욱 치명적인 스파이킹(Spiking) 현상과 정션 쇼트(Junction Short)를 발생시킨다.
• 이 같은 구리의 문제점을 해결하기 위해서는, 먼저 구리의 확산을 막기 위한 베리어를 설치한다. 이는 알루미늄인 경우와 유사하게 실리콘/SiO2와 구리 사이에 추가적인 베리어를 형성하는 방법이다. 또한, 구리막이 식각되지 않는 문제는 다마신이라는 상감기법을 적용해 해결한다. 다마신이란 미리 만들어 놓은 틀 속에 용융된 금속 액체를 주입해 넣듯, 전해도금(Electroplating)으로 구리를 채워 넣는 방식을 말한다.

1. IMD (절연체 층 = ILD)을 깎아준다.
2. barrier layer 증착 : 주로 metal : Cu가 diff 하는 걸 막음
3. Cu Seed 측을 증착한다. : 전기가 흐를 수 있는 층
4. 전류를 흘려주면서 Cu층을 형성시킨다. (전기도금 )
5. CMP 공정을 통해 매끄럽게 갈아준다. (Cu를 에칭 할 공정이 없다)

single Damascene : Cu metallization + W via

dual Damascene : Cu metallization + Cu via