반도체 산업 이해하기-⑧ : 반도체 8대 공정의 여섯 번째 금속배선 공정

반도체 8대 공정 중 여섯 번째 단계는 '금속배속 공정'이다. 반도체 전공정의 마지막 단계인 금속배속 공정은 반도체 회로에 전기적 신호가 잘 전달 되도록 전기길(금속선)을 연결하는 공정이다.

 

 

 

반도체 산업에 대해 쉽게 이해할 수 있도록 시리즈로 포스팅하였으니 반도체에 대해 더 많은 기초 상식을 알고 싶으시면 아래 글을 참고하시기 바랍니다.

 

반도체 산업 이해하기-① : 반도체란 무엇이며, 역할과 종류에 대한 기초 지식

반도체 산업 이해하기-② : 반도체 8대 공정 개념 이해하기

반도체 산업 이해하기-③ : 반도체 8대 공정 # 1 '웨이퍼 제조 공정'

반도체 산업 이해하기-④ : 반도체 8대 공정 # 2 '산화 공정'

반도체 산업 이해하기-⑤ : 반도체 8대 공정 # 3 '포토 공정'

반도체 산업 이해하기-⑥ : 반도체 8대 공정 # 4 '식각 공정'

반도체 산업 이해하기-⑦ : 반도체 8대 공정 # 5 '증착 & 이온주입 공정'

반도체 산업 이해하기-⑧ : 반도체 8대 공정 # 6 '금속배선 공정'

반도체 산업 이해하기-⑨ : 반도체 8대 공정 # 7 'EDS 공정'

반도체 산업 이해하기-⑩ : 반도체 8대 공정 # 8 '패키징 공정'

 

금속배선 공정이란?

 

반도체는 순수한 규소에 불순물을 주입하는 이온주입 공정을 통해 전도성을 갖게 됩니다. 이러한 반도체는 필요에 따라 전기를 통하게 하거나 혹은 통하지 않게 조절할 수 있습니다.

 

 

이전 공정인 포토 공정, 식각 공정, 증착 & 이온주입 공정을 반복하면 웨이퍼 위에 수많은 반도체 회로가 만들어진다. 삼성전자나 SK하이닉스와 같은 메모리 반도체 회사라면 웨이퍼 표면에 트랜지스터와 캐패시터가 늘어서게 될 것이고, 파운드리나 CPU 회사라면 FinFET과 같은 3차원 트랜지스터가 웨이퍼 바닥에 나란히 자리하고 있을 것이다.

 

하지만, 이들 반도체 회로들은 홀로 있어서는 아무 의미가 없다. 웨이퍼 위 반도체 회로들은 서로 연결되어 전기신호를 주고 받아야 동작할 수 있다. 따라서 반도체 회로는 상호간 연결이 되어 있어야 한다. 금속배선 공정은 전기신호가 잘 전달될 수 있도록 반도체 회로 패턴을 따라 전기길(금속선)을 연결하는 공정을 말한다.

 

동일한 회로를 사용하더라도 그 연결 형태에 따라서 CPU, GPU 등 다양한 형태의 반도체가 만들어 진다. 금속배선 공정이야 말로 반도체에 "목적"을 부여하는 공정이다.

 

금속 재료의 필수조건

 

금속배선 공정은 앞서 설명한 바와 같이, 반도체 회로 패턴을 따라 금속선을 이어주는 공정이다. 하지만 금속배선 공정에서 반도체에 들어가는 금속 재료는 몇가지 필수조건을 갖추어야 한다.

 

1. 웨이퍼와 부착성

실리콘 웨이퍼 위에 얇은 박막으로 증착할 수 있도록 부착이 쉬우며, 부착 강도가 우수해야 한다.

 

2. 전기 저항이 낮은 물질

금속선은 반도체 회로 패턴을 따라 전기신호나 전류를 전달하기 때문에 전기저항이 낮아야 한다.

 

3. 열적ㆍ화학적 안정성

금속배속 공정 이후 공정에서 금속선의 특성이 유지 될 수 있도록 열적, 화학적 안정성이 뛰어나야 한다.

 

 

4. 패턴 형성의 용이성

회로 패턴을 따라 금속선을 쉽게 이어줄 수 있어야 한다.

 

5. 높은 신뢰성

집적회로 기술 발전으로 반도체가 미세화됨에 따라 금속배선 역시 작은 단면으로 제작해도 끊김 없이 사용 할 수 있어야 한다.

 

6. 제조 가격

제조 가격이 낮아야 대량 생산이 가능하다.

 

금속배선 공정의 종류

 

금속배선 공정은 이전 공정인 포토, 식각, 증착 등과 같은 단일 공정이 아니다. 일반적인 반도체 회사들은 금속배선을 만들기 위해 포토, 식각, 등의 공정을 거친다. 다만 금속배선 공정에서는 전단계에서 회로 층 형성 때와는 특성이 다른 물질, 즉 금속들이 많이 사용된다는 차이가 있다.

 

 알루미늄(Al) 배선 공정

알루미늄은 전기 전도성이 높고 포토, 식각, 증착이 용이하다. 또한, 산화막에 접착이 잘되며 가격이 저렵하다.

 

하지만 부식이 쉽고 녹는점이 낮다. 또한, 알루미늄은 실리콘과 만나면 서로 섞이려는 성질때문에 접합면이 파괴되는 현상이 생길 수 있다. 이러한 현상을 방지하기 위해 알루미늄과 웨이퍼 접합면 사이에 장벽(Barrier) 역할을 하는 금속을 증착하는 과정이 더해진다. 이를 베리어 메탈이라 한다.

 

베리어 메탈(출처 : 램리서치)

 

알루미늄 배선 공정은 증착을 통해 이루어진다. 웨이퍼를 진공 챔버에 넣어 통과시키면 알루미늄의 입자가 얇은 막을 형성해 웨이퍼에 부착된다. 이 과정은 화학(CVD) 또는 물리(PVD)적인 방법 중 하나로, '증기 증착'이라고 부른다.

 

 구리(Cu) 배선 공정

구리는 알루미늄보다 약 30% 정도 낮은 전기 비저항성을 갖고 있어 전도도가 높아 많이 사용되고 있다. 비저항이 낮아 전기신호를 빠르게 통과시키고 소모 전력도 낮아 회로에서 발생하는 열을 줄일 수 있다. 구리는 금속에 전류가 흐를 때 일어나는 금속 이온의 이동 현상인 일렉트로 마이그레이션(Electro migration)의 내성이 높아 디바이스 신뢰도가 더욱 안정적입니다.

 

 

하지만 구리는 쉽게 휘발성 화합물을 형성하지 않기 때문에 웨이퍼 표면에서 기체 상태로 변환시켜 제거하는 방식을 사용하기 어렵다. 구리를 식각하는 대신 유전체 물질을 증착하고, 유전체를 식각하여 필요한 부분에만 금속 틀인 트렌치(Trench)와 비아 홀(Via hole) 패턴을 만든다. 그리고 이 패턴에만 구리를 채워 배선을 형성하며, 이를 ‘다마신 공정(Damascene Process)’이라고 부른다.

 

다마신 공정

 

반도체 회로 배선 물질을 알루미늄에서 구리로 대체한 다마신 방식은 현재 가장 널리 쓰이고 있다. 구리-다마신 방식은 이제 10nm의 금속선 폭에서도 구현이 가능해, 향후 오랫동안 사용될 가능성이 크다.

 

결론

 

여기까지 금속배선 공정에 대해 살펴보았다. 금속배선 공정은 반도체 금속으로된 전기길을 만드는 공정이라고 보면 될 것이다.

 

계속해서 반도체 8대 공정 중 일곱 번째 단계인 'EDS 공정'에 대해 알아보도록 하자.

 

반도체 산업 이해하기-⑨ : 반도체 8대 공정의 일곱 번째 EDS 공정

반도체 산업 이해하기-⑨ : 반도체 8대 공정의 일곱 번째 EDS 공정