[5일차] Part 2. 반도체 공정 (금속배선/CMP/Cleaning 공정)

 

금속배선 공정

 

1. 금속 배선 공정의 정의

2. 기존 배선 Al 공정의 한계

3. 구리 Cu 배선 공정

 

1. 금속 배선 공정의 정의

1) 금속 배선 공정 정의

반도체 회로 내 소자 간의 신호 전달 및 전력 공급을 위해

저 저항의 금속을 사용하여

소자 및 하부 배선들을 서로 연결하고

전기적으로 격리되어야 할 부분은 절연체를 사용하여 절연시키는 공정

 

* 하부쪽 실리콘과 열결된 hole = Contact, 금속 간 연결 = Via

* 절연체 : ILD (Inter Layer Dielectric), IMD (Inter Metal Dielectric)

 

2. 기존 배선 Al 공정의 한계

1) 무어의 법칙 -> 반도체 칩 미세화 진행 -> 저항 및 정전 용량 증가

- 저항 R = 비저항ρ 과 도체 길이 L 에 비례 / 도체의 면적A에는 반비례

미세화에 따라 A 줄어들음! -> 저항 R이 커질 수 밖에 없다.

- Capacitance (금속 사이에 절연체 있으면 자연히 생김)

= 유전율ε 과 면적 A에 비례/ 절연체 두께 S(space) 에 반비례

 

 

=> RC Delay 발생!

 

2) 기존 Al 및 실리콘 산화막 SiO2 층간 절연막 배선 구조이 신호 지연 문제 심각

3) Al -> Cu & 실리콘 산화막 -> 저 유전율 (low K) 층간 절연막 구조로 변경

 

3. 구리 Cu 배선 공정

1) 구리 배선 채택 이유

① 성능 향상

- 알루미늄보다 낮은 비저항 -> Al :2.66 / Cu:1.67 [μΩ*cm]

 

② 신뢰성 개선

- 구리는 알루미늄 대비 전자이동 Electromigration 특성 우수 (100배이상)

- 이유 : 높은 bp (1083℃/ Al:660℃) 및 격자/입자 경계로 확산해 나갈 수 있는 활성화 에너지가 높다.

 

* 전자는 +쪽으로 빠르게, 전계에 의해 Al+은 -쪽으로 천천히 움직여야 하지만,

전자가 많은 수, 큰 힘이기 때문에 (계란으로 바위치기!) Al이 +쪽으로 움직임

* 보이드 (void) 힐록 (hillock) 형성!

 

2) 구리 배선 문제점

① 식각이 어렵다

- 식각 시 휘발성 있는 반응 부산물을 만들지 못함.

- 비등점 bp : CuCl -> 1490도, CuF-> 1100도

 

② 실리콘 산화막을 통한 확산이 잘 된다.

-> 실리콘 소자의 오염 초래

 

3) 구리 배선 문제 해결책 : 다마신 Damascene 공정 적용

- 식각이 불필요하고 확산 방지막 사용하여 완벽히 구리를 감쌀 수 있음.

 

4) 구리 2중 다마신 Dual Damascene 공정 흐름도

- Metal line과 Via 동시에 형성 -> 공정 간소화

- 구리 배선의 문제점 해결

- 전해 도금 -> 매립 특성(밑에서 부터 자라서 Conformal) 및 생산성 개선

 

 

 

 

#1 Via 포토공정으로 Define

#2 Via 식각 공정 (질화막과 Selectivity 없는 걸로)

#3 Metal 2는 Metal 1과 수직으로 : Trench 포토공정

#4 Metal 2 식각 공정 : 질화막 etch stop layer (질화막과 Seletivity 높은 걸로)

 

#5 탄탈륨 질화막 (TaN) : Cu가 바깥으로 빠져나가는 거 막아주는 역할

- DC Sputtering

#6 탄탈륨 증착 (Ta) : 중간에서 접착력 확보 - DC Sputtering

#7 Cu Seed layer 증착:저항 낮춰서 전기전도도 높이기 위해

(저항을 낮춰줄 필요가 있음 전해도금이기 때문에)

#8 구리 도금

- 수조에 음극(웨이퍼), 양극(Cu), 전해액(황산, CuSO4, 유기 첨가제)

- 양극에서 Cu가 나오면 산화가 되면서 이온 Cu2+ ,

2e-는 음극 근처에서 환원이 됨. (Cu2+ + 2e- => Cu)

 

* 유기 첨가제 때문에 밑에서 부터 위로 올라가게 됨 => Conformal 한 박막!

 

#9 구리 화학/기계적 연마 CMP

#10 실리콘 질화막 증착

CMP 공정

 

1. CMP 공정의 정의

2. CMP 공정 목적

3. CMP 공정 장비 구조

4. CMP 공정 원리

5. CMP 공정 변수

6. CMP 문제점 및 해결책

 

1. CMP 공정의 정의

연마 대상 물질의 표면에 화학적 변화를 주어 기계적 연마를 용이하게 함으로써 웨이퍼 상의 다양한 박막을 연마하여 웨이퍼 표면을 평탄화 하거나 제거하는 공정

 

2. CMP 공정 목적

 

1) 반도체 소자의 고집적화

- 소자 격리 기술 STi

- 포토 공정 한계 극복 (DOF 여유도)

- 다층 배선화 (금속 배선 layer 많아짐 - 층간 절연막 평단화)

 

2) 반도체 소자의 고속화

- Cu 다마신 (CMP 필요)

 

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3. CMP 공정 장비 구조

 

1) 플래튼 : 전체 장비 시스템의 지지대 역할 -> 웨이퍼 캐리어와 함께 연마 시 회전

2) 연마 패드 

- 웨이퍼의 굴곡에 대응 할 수 있는 부드럽고 단단한 재료

- 30~50μm 의 기공(슬러리 수용)을 가진 1~3mm 두께의 폴리 우레탄 등의 다공성 고분자 재료 (슬러리 갈리게 하기 위함)

- 화학적 기계적인 내구성, 소수성(Hydrophilic) 특성, 점탄성(Viscoelastic) 특성 요구 => 진행됨에 따라 특성 저하, 연마 속도가 감소함

 

3) 캐리어 : 웨이퍼가 장착되어 회전하는 장치 (아래쪽으로), 연마 시 수직으로 누르는 힘이 작용

4) 컨디셔너 : 패드의 기공에 낀 가공 잔류물 등의 제거 및 조도(거칠기 roughness) 회복

- 다이아몬드 알갱이들이 박혀 있음.

5) 슬러리 : 초순수, 연마용 미립자 및 화학 약품으로 구성된 연마제 (금속용 및 산화막용 : 2종류)

- 연마제(Abrasive) + 첨가제 (Additive) + DIW (초순수) 

- Additive : CMP 진행 시 모든 반응에 대한 화학적 반응 관장 => 선택비, 산화, R/R(Removal Rate), Scratch, pH control, Abrasive 용해, 세정효과, 분산제

 

* 산화막용 : H2O와의 접촉에 의한 Sii(OH)4로의 변화 및 염기성에 의한 용해 ( 기계적 > 화학적 )

* 금속막용 : 금속표면 산화 -> 산화물 -> 용해 -> 금속 표면의 에칭 ( 기계적 < 화학적 )

 

4. CMP 공정 원리

1) Metal CMP 공정

※ 슬러리

- 산화제 (과산화 수소, 질산철 등) : 표면 산화 -> 강도↓

- 산성 용액 : 슬러리 안정성 향상, 금속 식각

- 미립자 : Al2O3, MnO2, SiO2

* 금속 표면 산화 -> 기계적 연마(산화막 연마 용이) -> 산화막 제거 -> 식각(부식 후 용해) -> 산화 (보호막) -> 평탄화 => 반복! (보호하면서 필요 없는 부분만 연마 될 수 있게)

2) Oxide CMP 공정

- 슬러리 구성 : 미립자 -> SiO2(실리카), CeO2/ 염기성 용액 / 초순수

- 염기성 수용액 : 물 분자의 산화막 표면에 침투 용이

- 침투한 물 분자의 수화작용에 의해 SiO2 => Si(OH)4 (연마 용이) 

- 실리카 입자의 OH와 산화막 표면의 OH가 결합

- 실리카 입자의 물리적 마찰 -> 산화막 표면이 제거

 

5. CMP 공정 변수

- 연마 속도 : 단위 시간 당 제거되는 막의 두께 (압력, 상대 속도)

- 평탄도 (Planarity) : 광역적 (Global) 단차 감소 정도 - 0.5도 이하 (CMP는 local 평탄화X)

- 균일성 (Uniformity) : WIW, WTW 등 잔류막 두께 편차

- 선택비 (Selectivity) : 상이한 물질의 연마 제거 속도 (R/R)의 비율

 

6. CMP 문제점 및 해결책

1) 긁힘Scratch 및 파티클 Particle

- 원인 : 부적당한 수직 압력, 닳은 패드 상태, 불충분한 컨디셔닝, 슬러리 찌꺼기 및 건조, 박막 접착력 등

- 대책 : 적절한 CMP 공정 조건의 선택 & CMP 후 세정

2) CMP 고유 불량

① 침식 불량 (Erosion)

저밀도 부분(먼저 연마로) 과도 연마 -> 연마 되지 않아야 할 정지 층까지 연마

-> 과도 연마 시 제거 물질과 정지층과의 선택비가 낮을 경우에 발생 확률 높음

 

② 디싱(Dishing) 불량 : 넓은 패턴 (R/R ↑) -> 중앙부가 푹 내려 앉는 불량 발생 (접시 모양과 유사)

-> 과도 연마 시 제거 물질과 정지층과의 선택비가 너무 높을 때 연마 물질만 계속 연마되어 발생

- 패턴 밀도 조정 (Dummy Pattern 넣어줌) 및 선택비 개선

 

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Cleaning 공정

 

1. 세정 공정의 정의

2. 세정 공정 요건

3. 세정 공정 분류

4. 습식 세정 - RCA 클리닝

5. 기타 세정 공정

6. 웨이퍼 건조 공정

 

1. 세정 공정의 정의

- 수율을 좌지우지 할 수 있는 중요한 공정!

- 웨이퍼 표면의 이물질을 비롯하여, 금속 불순물, 유기 오염물 및 불필요한 박막 등의 원하지 않는 모든 불순물을 물리, 화학적 방법을 사용하여 제거하는 공정

 

2. 세정 공정 요건

- 클리닝 화공약품 (Chemical) 및 가스 등의 자체 오염이 없을 것

- 웨이퍼 표면 모든 형태의 오염원을 효과적으로 제거할 수 있을 것

- 하부 구조 또는 박막을 식각하거나 손상을 주지 말것

- 안전하고 경제적이며 친환경적일 것

 

3. 세정 공정 분류

 

- 습식 세정

  RCA 세정 (강산, 강알칼리) - Front End

  기계적 세정 (금속 배ㅐ선 후 세정) - Back End

 

- 습식 → 건식

1) High Aspect Ratio, 2) 저 유전율(low-k, 기계적 강도가 약함) 의 유전체

  3) 임게 크기의 입자 (작은 크기의 입자), 4) 물반점 (Si, SiO2, O2 3가지 조건에 의해 SiO2 자라는 현상 발생)

 

- 건식 세정

  1) 플라즈마 세정 : 식각보다 약하게 플라즈마해서 세정 

  2) UV-O3 세정 : PR/유기물은 고분자 chain으로 되어 있음 -> UV 에 의해 De-polymerization -> 오존 O3에 들어가면 CO2로 바뀌어 버림! (날아감)

  3) Vapor 세정 : 불산HF를 기상 Vapor 상태로 만들어서 자연산화막 제거

 

* 일괄 처리 방식 -> Cross Contamination (교차 오염) 우려

=> 스프레이 방식 

 

 

4. 습식 세정 - RCA 클리닝

- 1969년대 미국 RCA사에서 개발, 현재까지도 대부분 반도체 업체 사용 중

- 최근 클리닝 효과 극대화 위해 메가소닉 등 기계적 세정 병행

* SPM : 황산 클리닝 - 강산, 유기물 제거에 탁월하지만, 이후에 황 제거가 쉽지 않아 잘 사용 X

* DHF : 자연 산화막/Chemical Oxide 둘다 Quality 좋지 않음 -> 제거

 

1) SC1 클리닝 (APM: Ammonia Peroxide Mixture) = 강 알칼리!!

- 암모이나 NH4OH : 과산화수소수H2O2 : 물 H2O

- 클리닝 효과 : 이물질, 유기물, 일부 금속

- 클리닝 원리 :

   #유기물 - 과산화수소(산화제)가 산화시켜 CO2로 날리기

   #무기물 - Si 표면 얇은 산화막을 암모니아가 미세한 표면 식각

   => 제타 포텐셜 때문에 NH4OH 알칼리성 물질 쓰면 원래 surface와 particle하고 서로 같은 극성의 + 전하

            => 다시 들러붙지 못하게 함!!

 

* 제타 포텐셜 

   

 

2) SC2 클리닝 (HPM : Hydrochloric Peroxide Mixuture) = 강산!!

- 염산 HCl : H2O2 : H2O

- 무기물 제거 => 염산이 알칼리 및 전이 금속을 용해

- 원리 : 과산화수소수가 금속을 산화시키고, HCl이 금속산화물을 녹여버림. (용해)

 

* QDR (Quick Dump Rinse) : 초순수 린스

- 수조에 Wafer 넣고 강한 압력의 DIW 뿌려주고(Spary) Drain 시켜주면 세정됨.

 

3) DHF (Diluted HF, 희석 불산)

- 자연 산화막 제거

 

5. 기타 세정 공정 ( Back-End 기계적 세정)

 

1) Megasonic (초음파 세정)

- 파동에 의한 입자 가속 (900~1.1MHz) (전단력Shear force 때문에 파동에 의해 Particle이 떨어져 나감)

- 미세 입자 제거 -> 정밀 세정

- RAC + Megasonic

 

2) Scrubbing 

- CMP 등 큰 Particle 제거 (~0.1μm)

- DIW + brush -> Scratch 최소화

 

6. 웨이퍼 건조 공정

 

1) 스핀 건조 (예전)

- 표면에 N2를 주입 -> 웨이퍼 고속 회전 -> 원심력을 이용하여 수분 제거

- 물 반점 불량, 웨이퍼 깨짐, 기계적 동작 기인 재 오염

 

2) 마랑고니 건조 (많이 사용)

- 표면 장력 차이 -> 유체 이동 현상(표면장력 높은쪽에서 낮은쪽으로 유체 이동??) -> 스핀 건조의 문제 해결

* 공기와 부딪힐 일이 없음

 

* 웨이퍼 아래 DI water , 위에는 N2와 IPA(알코올)이 차있음 => 공기가 들어갈 수 없음

  이 상태에서 웨이퍼를 꺼내면, 부착력 때문에 물이 붙음 

  P1 지역은 웨이퍼에 부착된 물 적음 => IPA물에 녹음 농도가 높음

  P2 지역은 웨이퍼에 부착된 물 많음 => IPA 농도 낮음 

  표면장력은 표면적을 최소화 시키려는 힘, 표면에서 물분자들끼리 끌어다니는 힘 때문에 생김

  물은 수소결합을 하고 있기 때문에 표면장력이 강하다 ( P2가 표면장력이 강하다- 물을 확 끌어당김P1->P2로)

  공기중에 노출이 되지 않은 상태에서 건조가 되어 버림!! (물반점 XX)