7/27 (수) 엔지닉 반도체 빡공 스터디 8일차

 

15차시 금속 배선 공정

 

1. 금속 배선 공정의 정의

 

- 반도체 회로 내 소자간의 신호 전달 및 공급 전력을 위해 저 저항의 금속을 사용, 소자 및 하부 배선들을 서로 연결하고 전기적으로 격리되어야 할 부분은 절연체를 사용, 절연 시키는 공정

 

 

2. 기존 배선(Al) 공정의 한계

 

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

2) 기존 알루미늄 및 실리콘 산화막 층간 절연막 배선 구조의 신호 지연 문제 심각

3) 알루미늄 -> 구리 및 실리콘 산화막 -> 저 유전율 층간 절연막 구조로 변경

 

 

3. 구리 배선 공정

 

1) 구리 배선 채택 이유

 

① 성능향상

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

 

② 신뢰성 개선 : 구리는 알루미늄 대비 전자이동(Electro-migration) 특성 우수(>100x)

- 높은 비등점(1083℃ (Al 660℃)) 및 높은 격자 / 입자 경계 확산 활성화 에너지

 

 

2) 구리 배선 문제

 

① 식각이 어렵다

- 식각 시 휘발성 있는 반응 부산물을 만들지 못함

- 비등점 : CuCl -> 1490℃, CuF -> 1100℃

 

② 실리콘 산화막을 통한 확산이 잘 된다. -> 실리콘 소자의 오염 초래

 

 

3) 구리 배선 문제의 해결책 -> 다마신 (Damascene) 공정 적용

- 식각이 불필요하고 확산 방지막 사용 완벽히 구리를 감쌀 수 있음

 

 

4) 구리 2중 다마신(Dual Damascene) 공정 흐름도

- 구리 배선의 문제점 해결

- 전해 도금 -> 매립 특성 및 생산성

 

 

 

16차시 산화/확산 공정

 

1. 산화막 형성 방법 및 사용 이유

 

① 열 산화막 성장 방법

- 건식산화 (dry oxidation) Si + O2 -> SiO2

- 습식산화 (wet oxidation) Si + 2H2O -> SiO2 + 2H2 증가

- 성장 속도 : 습식 > 건식 (x5~10 -> SiO2 내 용해도 H2O>O2

- 전기적 특성 : 건식 우수

 

② 산화가 쉽다.

 

③ 우수한 절연체이다.

 

④ 실리콘과 산화막 계면 특성이 우수하다

 

⑤ 열 산화막의 응용

- 이전 (>100nm 현재 미적용)

-- 확산에 의한 doping Mask -> 이온 주입 도입 PR 대체

-- LOCOS 소자 격리 기술 -> STI CVD Ox로 대체

 

- 현재 (<30nm)

-- buffer/Liner/희생 산화막 -> 이온 주입 및 SiN 증착 전

-- MOSFET 게이트 산화막

 

 

2. 열 산화막 성장 원리 (딜-그로브 모델)

 

- 산소 가스가 산화막을 확산하여 실리콘/산화막 경계에서 실리콘과 반응하여 성장

- 실리콘을 소모하면서 성장하는 모델

 

 

3. 실리콘 – 열 산화막 전하 (Si-SiO2 Charge)

 

- Si-SiO2 전하 중 Fixed Oxide Charge와 Interface trapped charge가 Si 웨이퍼 결정면과 관련 있음

- Si의 밀도가 낮아 원치 않는 전하 밀도가 가장 낮은 (100) 웨이퍼를 선호

 

① Fixed Oxide Charge (Qf)

- 원인 : 산화되지 못한 Si (Si-rich)

- 비고 : <100>:~10^10/cm^2, <111>:~5x10^11/cm^2

 

② Interface trapped charge (Qit)

- 원인 : Si 원자의 dangling bond

- 비고 : <100>:~10^10/cm^2, <111>:~5x10^11/cm^2

 

③ Mobile ionic charge (Qm)

- 원인 : alkali 이온 (Na+, K+ 등) 오염

- 비고 : 현재 문제 안됨

 

④ Oxide trapped charge (Qot)

- 원인 : 주로 electron 충격 (플라즈마 식각 등)

 

 

4. 확산 개념

 

1) 밀도 차이나 농도 차이에 의해 물질을 이루고 있는 입자들이 농도(밀도)가 높은 쪽에서 농도(밀도)가 낮은 쪽으로 액체나 기체 속으로 분자가 퍼져 나가는 현상

2) 반도체 도핑 시의 불순물 확산은 공공 확산을 통해 일어남

① 농도 차이에 의한 입자의 이동

② 침입형 확산(수소, 산소, 구리, 나트)

③ 공공형 확산(치환형) (붕소, 인, 비소)

④ Dopant 농도 조절 -> 비 저항 (or전도도) 조절 가능

 

 

5. 확산 공정 방법 및 원리

 

1) 확산 공정은 크게 선 확산과 후 확산으로 구성

2) p형 또는 n형 불순물을 웨이퍼 표면에 침전 시키고 이를 고온에서 확한하는 원리

3) 고온, 장시간 확산 -> 측면 확산 및 깊은 접합 -> 미세화 불가 -> 이온 주입으로 대체

 

고체 용해도 (Solid-Solubility Limits)

- 해당 온도에서 실리콘에 용해될 수 있는 불순물의 양에는 한계가 있음

- 고농도로 주입된 모든 불순물이 전기적으로 활성화되지는 않음