[반도체 8대 공정] 알루미늄(AL) 배선 공정

[반도체 8대 공정] 알루미늄 배선 공정

 

반도체 공정은 크게 FEOL, BEOL 즉 전 단계 공정과 후 단계 공정으로 나누어져 있습니다. FEOL에서는 설계하고자 하는 반도체 소자가 만들어지며, BEOL에서는 FEOL에서 만들어진 소자에 금속 도선을 연결합니다. BEOL단에서는 초기 알루미늄(AL)을 사용하였지만, 몇 가지 문제점으로 인해 구리(CU)를 배선 금속으로 사용하게 되었습니다.

 

알루미늄(AL) 배선

BEOL 공정에서 금속 도선 연결 시 초기에 알루미늄을 주로 사용하였습니다. 알루미늄은 금속 중 4번째로 비저항이 낮은 물질입니다. 비저항의 사전적 정의는 어떤 물질이 전류의 흐름에 얼마나 거스르는지를 나타내는 물리량을 의미합니다. 즉 비저항이 낮다는 뜻은 전류의 흐름에 거스름이 적음, 즉 전류를 잘 흐르게 하는 금속임을 뜻합니다. 알루미늄은 비저항이 낮은 특성으로 전류를 잘 흐르게 하며, SiO2 산화막과 같은 물질과 접착 특정이 우수하여 초기에는 주로 사용되었습니다. 그러나 몇 가지 치명적인 문제로 인해 현재는 구리(CU) 나 텅스텐(W)과 같은 금속을 배선 공정에 사용하고 있습니다. 그렇다면 알루미늄 배선의 치명적인 문제는 무엇일까요? 첫 번째는 접합 스파이킹(Junction spiking), 두 번째는 전자이동 불량(Electro migration) 입니다.

 

(1) 접합 스파이킹(Junction spiking)

알루미늄을 증착시킬 경우 온도는 약 400~500도 환경에서 증착하게 됩니다. 이때 알루미늄과 실리콘은 조금씩 녹으며, 실리콘이 알루미늄 내로 확산하여 녹아 들어가게 됩니다. 이 과정에서 실리콘의 빈자리를 알루미늄이 채워서 들어가 아래 그림과 같이 뾰족하게 실리콘 내로 침투하게 됩니다. 이에 따라 실리콘에 형성된 pn 접합 등 반도체 소자에 기능을 상실시켜 버리게 되어 소자가 정상적으로 동작할 수 없게 됩니다. 이를 방지하기 위해 첫째로 알루미늄에 약 1% 정도의 실리콘을 첨가하여 실리콘이 알루미늄으로 녹아 들어가는 것을 방지하거나, 두 번째로 TiN 등 확산 방지막을 증착하여 알루미늄이 실리콘으로 침투하는 것을 방지시키기도 하였습니다.

접합 스파이킹

(2) 전자이동(Electro migration) 불량

알루미늄 배선의 두 번째 문제는 Electro migration입니다. 만약 도선 내 전압을 가해준다면 전자들이 움직이기 시작합니다. 도선 내에는 원자와 전자들의 모임이 있으며, 이때 전자의 움직임에 힘을 받은 원자들이 도선 밖으로 밀려가게 되는 현상이 발생합니다. 아래 그림을 통해 보자면 수많은 전자가 전기장에 의해 움직일 때 +원자, 즉 구리 원자들은 밖으로 밀려 나가게 됩니다. 이때 밀려 나간 구리 원자들이 도선 밖으로 밀려나 산처럼 솟아나게 되는데 이를 hillock이라 하며, 구리 원자들이 이동하여 빈 공간이 생겨 움푹 파이게 되는 Void 불량이 생기기도 합니다. Void는 곧 전자의 이동을 방해하게 되고, Void가 심할 시 전자가 이동할 틈이 없는, 즉 쇼트가 발생하게 됩니다. 원자핵이 가벼운 알루미늄 배선에서는 위와 같은 Void와 같은 치명적인 문제가 발생하게 됩니다. 이를 방지하기 위해 알루미늄(AL)보다 무거운 구리(CU)를 일부 첨가해주면 Electro migraion 문제가 일부 해결이 됩니다.

Electro migration

최종적으로 금속 배선에서 알루미늄을 사용하기 위해서는,  Junction spiking 방지를 위해 AL에 1%의 Si를 첨가하고, TiN 등과 같은 확산 방지막을 사용해야 합니다. 추가로 Electro migration 불량을 해결하기 위해 3% 정도의 CU를 첨가해 위와 같은 현상을 막을 수 있습니다. 그러나 이 해결책 또한 전기적 부작용을 만들며, 반도체 공정의 발전으로 더욱 얇은 금속선이 요구되게 됩니다. 알루미늄보다 비저항이 더 낮은 구리는 얇은 금속선으로도 빠르게 전자의 이동을 가능하게 해주며, 전력 소모가 낮아 발생하는 열도 줄일 수 있습니다. 또한 알루미늄보다 무거운 구리는 위와 같은 Electro migration 현상도 줄어들게 됩니다. 다음 장에서는 알루미늄 배선의 한계를 극복해낸 구리 배선에 관해 공부해 보겠습니다.