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1 금속공정 1 I. 금속공정 II. 금속-실리콘접촉 III. 금속박막의형성과비교 IV. 알루미늄박막의성질 V. 알루미늄공정 VI. 알루미늄의신뢰도 VII. CMP와다층금속배선
2 I. 금속공정 2 1. 개요 1) 기능 : contact, interconnection, connection to outside 2) IC에미치는영향 : yield, reliability 3) 금속 system의조건 (1) 공정의적합성과용이성 (2) 전기적인조건 (3) 신뢰성 2. 금속시스템이갖추어야할요건 1) 공정의적합성과용이성 (1) 박막형성 : 불순물오염, 전하포획, 확산단면변경, 성장속도
3 3 (2) 접착성 : 산화막과의접착 (3) 선택적이고쉬운식각 (4) 열적합성 : 온도안정성, 팽창계수 (5) bondability : 본딩을위한다른금속박막과의접속성 2) 전기적인조건 (1) 낮은접촉저항 : Pt-Si, Al (2) 실리콘과의반응 : 한정적반응 (3) 높은전도도와낮은온도계수 ( 3,000 4,000 ppm/ ) 금속 Al Cu Au Mo Pt Ag Ta Ti W 비저항 ) 신뢰성 (1) step coverage, electromigration (2) corrosion, oxidation, 열적, 화학적안정
4 4 3. 금속시스템 1) Al : electromigration, corrosion 외는우수 2) Al + 2% Si 3) Al + 2% Si + 4% Cu 4) Pt - Si 5) Pt(700A ) : Si - Ti(1000A ) - Pt(2000A ) - Au(1mil) Pt 증착 (700A ) Pt-Si 형성소결 (sintering) Pt 에칭 Ti 증착 (1000A ) Pt 증착 (2000A ) Au 증착 (1mil) 6) Mo, Ta, W-Au, Cu-Au, Ti-Au,
5 5 < 각종금속의집적회로금속공정에의적합성비교 > properties Al Au Mo Pt Ta W deposition evap. evap. sputter or CVD from fluorides compatibility G - G G G G adherence G N G - G G delineation G N Y D D D bondability G G N N N N contact resistance G - H B H H conductivity surface coverage depends on deposition condition electromigration resistance F B G G G G corrosion resistance F B F G G G stability G G G G G G process temperature( ) 주 : G(good), N(no), Y(OK), D(difficult), H(high), B(best), F(fair)
6 II. 금속 - 실리콘접촉 6 1. 접촉특성 1) Schottky 장벽 2) Ohmic 특성 : 장벽을낮게하거나 tunneling 이용 2. 밴드구조 1) n 형반도체와금속의접합 <n 형반도체와금속접촉의에너지밴드 >
7 7 2) M-O-S 각각의에너지준위 qφ M = 4.1eV qχ ox = 0.95eV E c qχ Si = 4.15 ev qφ s = 5 ev E FM Eg 8 ev E c E FSi E v E v aluminum silicon oxide silicon < N a = /cm 3 으로도핑된 p 형실리콘열산화막및 Al 금속의에너지준위 >
8 8 3) doping 과장벽의측정여기서, ε Si : 실리콘유전률 φ B : 장벽높이 V R : 역방향전압 N : 도판트농도 φ B 와 N 의관계는? ) V ( N q 2 C 1 V N q 2 1 W C R B Si R B Si Si φ ε = φ ε = ε = 2 1 R B Si qn ) V ( 2 W φ ε = for step junction
9 9 3. 전류전압특성 1) N<10 17 /cm 3 : 열전자에의한전류 I I TE ( qv / ) 1] = I [exp kt o 여기서 V F : 순방향바이어스 I o : 포화전류 R : Richardson 상수 A : 다이오드면적 F 2 ( RAT ) exp( qφ kt ) o = B / < 열전자의에너지분포 >
10 10 (1) Schottky diode 의순방향 I-V 특성 <Al/n-Si Schottky 다이오드의순방향 I-V 특성 >
11 11 (2) Schottky diode 의역방향 I-V 특성 Schottky diode 의파괴전압 (I R =10-6 A): Si step junction 파괴전압의 60% < Al/n-Si Schottky 다이오드의역방향 I-V 특성 >
12 12 <n 형실리콘 Schottky diode 의기판농도에따른 I-V 특성 >
13 13 2) /cm 3 < N < /cm 3 : 열전자및터널링전자에의한전류 두전류성분의구별 전류의온도특성 3) N>10 19 /cm 3 : tunneling current 에의한 Ohmic contact 영역 (1) 접촉비저항 : R c = dv A di v 0 exp 1 W exp 1 N (2) Al-silicon 접촉비저항
14 14 <p 형실리콘에서 Al 의접촉비저항과도핑농도의관계 (STH) <n 형실리콘에서 Al 의접촉비저항과도핑농도의관계 (STH)
15 III. 금속박막의형성과비교 화학기상증착 (CVD) 1) better uniformity, better step coverage 2) Al 의성질 : 600 에서증발 500 이상공정불가 3) 90 년에와서금속의 CVD 연구활발 : W, Mo 4) Al CVD 연구단계 2. 물리적증착 1) 진공증착 : filament, e-beam, RF, flash, sputtering (1) 고진공의필요성 - 평균자유행로 : 1 torr cm (for N 2 ) 10-3 torr 5 cm (for N 2 ) 대기압 0.5 μm (for electron) - 박막의순도 - 증착속도 10-6 torr 이하의진공도
16 16 (2) 열진공증착의종류 filament 증착, RF 증착 e-beam 증착, flash 증착 (3) filament 증착 < 필라멘트소스용기 >
17 17 heater : W, Ta, Mo, Pt( 내화성금속 ) 1 금속이 heater 표면에고르게녹아야함 2 금속융점 << heater융점 3 mutual solubility가작아야함 4 heater의순도가높아야함 (4) RF 증착 ( 유도가열증착 ) 금속의직접가열 : 효율이높고오염이적다. RF 전력장치가고가이고 space를많이차지한다. (5) e-beam 증착 증착속도유지및오염방지 10 kev 에너지전자는 60 µm Al 속을침투한다. (15 µm 에서에너지의반을잃음 )
18 18 tight beam 과 diffuse beam < 타이트빔과확산빔에의한 Al 증착률 > pure metal 또는 refractory metal 에적합 alloy 의성분조성비얻기어렵다 x-ray 방출 (6) 플래쉬증착 alloy 박막증착에유리 wire feeding 에의하여조성비조절 이차전자방출, 복사파괴현상이없음 전력소모는 e-beam 증착의 20%
19 19 2) 스퍼터링 (1) 장점 저온공정 조성비조절용이 chamber 내기체분위기조절 막의성질및구조조절 step coverage 양호 (Ar 1-10 mtorr) 기판부착양호 기판 cleaning 가능 (2) 단점 : 증착속도가느림, 이차전자발생 (DC 스퍼터링으로극복가능 )
20 20 3. 증착속도감지기 1) in-situ thickness monitor (1) crystal monitor f = P = M K M =, 1 K M DV P = = 1 f DAT = M K T = M DA 여기서 f : 공진주파수 M: 결정자박막의질량 K: 진동상수 P: 주기 D: 박막의밀도 T: 박막의두께 A: 박막의면적 (2) interferometer : laser 간섭현상이용대부분의금속에는쓸수없음
21 21 2) 공정순서 (1) 웨이퍼와시료를준비한다. (2) 시스템과프로그램을점검한다. (3) 웨이퍼를장착하고벨자를닫는다. (4) 예비진공을만든다. (5) torr의고진공을만든다. (6) 웨이퍼홀더를회전시키며웨이퍼를가열한다. (7) 박막을성장시킨다. (8) 냉각시킨다. (9) 가스를넣어주고벨자를연다.
22 22 3) 박막의평가 (1) 항목 : 두께, 비저항, 투과도, 반사도, 균일성, grain크기, roughness, 조성비 (2) 두께 : stylus 계기 (3) 면저항 : 4-point probe 4) Na + 오염감시 : HTB C-V 측정
23 IV. 알루미늄박막의성질 물리적성질 R 1) grain size G T P 2) Al 2 O 3 존재 : T>250, 진공도 torr < 기판온도와그레인의크기 > < 성장률과그레인크기 >
24 24 < 진공도와기판온도가그레인크기에미치는영향 >
25 25 3) hillock 형성 (1) 형성 : 박막성장및어닐링과정에서생성 (2) hillock 의형태 : edge, flat-topped, spike hillock (3) 원인 : 실리콘과 Al 의 stress 와 strain 온도상승하면질량이동하여 stress 감소선팽창계수 : Si (3.3 ppm/ ), Al (23.6 ppm/ ) 막형성온도 (T e ) 와어닐링온도 (T a ) 차이 strain
26 26 (4) hillock 의방지 1 self-diffusion rate 억제 : Sn, Cd, In 2 핵형성 site 제공 : Si 3 hillock 의영향 : 신뢰도를떨어뜨린다 얇아진부분에서열이발생하고더욱얇아져끊어짐 T e ( ) T a ( ) D cycled (/cm 2 ) D uncycled (/cm 2 ) ) uncycled : RT T a 일회, 2) cycled : RT T a 반복
27 27 2. 전기적성질 1) 접촉저항 : 10-5 Ω cm 2 /25 25 µm 2 2) 열처리 : 500, 10 min. 450, 30 min. 3) 비저항 : Al (2.65 µω cm), Al-Si (1%) (3.0 µω cm) 4) ρ> Ω cm ( dopants/cm 3 ) rectifying contact <n 형실리콘에서접촉저항 > <p 형실리콘에서접촉저항 >
28 28 금속 비저항 (μω cm) 금속 비저항 (μω cm) Au 2.35 Al-Ni(1%) 2.75 Al 2.65 Al-Si(1%) 3.0 Mo 5.7 Al-Ti(1%) 5.53 Pt 10.6 Al-Cr(1%) 5.78 Ti 55.0 Al-Pt(1%) 2.9 Cu 1.7 Au-Ni(10%) 화학적성질 1) 챔버내의기체 : O 2, H 2 O, H 2, N 2, CH 4 2) 주요기체 : H 2 O, O 2 2Al + 3O 2 = 2Al 2 O Al + 2H2O = (Al 2O3 H2O) + H ) 열처리 : 낮은저항의접촉면형성 3SiO 2 + 2Al 2Al 2 O 3 + 3Si ( 실리콘이 Al으로확산 alloy 형성 )
29 29 < 금속의산화에필요한생성에너지 > oxide heat of formation (kcal/mole) oxide heat of formation (kcal/mole) Ta 2 O WO Al 2 O MoO V 2 O Cu 2 O -40 Cr 2 O Ag 2 O -7 TiO Au 2 O SiO
30 30 4. 표면 Coverage 1) shadowing : slope, geometric, self shadowing shadow 형성 : θ > arctan {D/(0.5L X 1 = ( L Xo ) 2 h D o ) } < 소스와기판의기하학적인관계 >
31 31 2) shadowing 의최소화방법 deposition system 의설계 최적화 biaxial planetary 사용 source 의면적을크게 source-substrate 간격크게 기판온도높이고 기판패턴의경사각을작게 <bixial plenetary: 소스와기판사이의기하학적관계 >
32 32 5. Adhesion 1) SiO 2 와의접착 2) 간단한접착시험 : tape(3m) 시험 < 금속및실리사이드의실리콘산화막과의접착성 > materials shearing force (10 8 dynes/cm 2 ) adherence to SiO 2 FeSi 37 weak CoSi 120 strong CoSi 2 70 intermediate PtSi very strong Al 170 very strong Ti 170 very strong Au - very weak Co 54 intermediate Mo 113 strong
33 33 6. 알루미늄시스템의장단점 1) 장점 : 단일층박막, low cost, high conductivity 간단한박막형성, good adhesion, easy patterning, low contact resistance Al-Si alloy 이용, good bondability, 대기중의산화가어렵다. 유연성이좋다 2) 단점 : difficult CVD deposition, 전기도금이어렵다 electromigration, corrosion, hillock formation Al-Au 접합부분에서의반응 전기전도도가낮아진다 Si into Al grain boundary reliability silicon 보다높은열팽창계수 stress, 쉽게긁힘
34 V. 알루미늄공정 Double metal 공정 < 이층금속공정의예 >
35 35 1) 이층금속공정 (1) 1st metal 공정 Al, Al-Si, Al-Cu, Al-Si-Cu 막형성 Al : e-beam, sputtering Al-Si : double gun e-beam, sputtering Al-Si-Cu : flash, sputtering (2) 1st insulator SiO 2, Si 3 N 4, Al 2 O 3, Ta 2 O 5, WO 2, PSG 막형성 : CVD, sputtering (3) 2nd metal Al 또는 1st metal과동일 (4) passivation PSG : 3% 인도핑, 0.8~1μm 두께, 85 Å/sec : 35 Å/sec for PSG : CVD 산화막 ( 식각률 )
36 36 2) 이층금속공정문제점 (1) sharp edge : 성장핵의형성으로막성장이빨라짐 1st & 2nd metal 의 short 2nd metal crack reliability (2) hillock 형성 Al deposition 할때 (380 ) PSG deposition (200 ), alloy (450 ) (3) SiO 2 미립자 : chamber 내에서핵형성, Al film 에들어감. (4) 재작업 (rework) 불가 < 힐록에의한금속의합선 >
37 37 (5) sharp edge 문제해결 1 경사식각 : hard baking 조절로감광막이 etch 동안 일어나게함 2 에칭용액에녹는마스크물질을 Al 과감광막사이에코팅 3 hillock 문제 : 저온성장, Al-Si 사용 4 PECVD SiO 2 deposition : 열 CVD system 보다 SiO 2 핵형성에의한입자의 contamination 적음. (6) 기타알루미늄공정 1 양극산화 2 유기물절연체 : polymide 산소 plasma etching
38 38 2. 양극산화 1) 양극산화공정 < 양극산화의장치 > <H 3 PO 4 전해액에서의 Al 의양극산화특성 > 2) 양극산화조건 : 전해액성질 ( 성분, 온도, 교반 ) 전기적조건 ( 전압, 전류 ) 양극산화시간알루미늄의질 ( 거칠기, 순도 )
39 39 3) 산화막 (1) 치밀한산화막 : 주석산염, 구연산염 5000A 까지 (2) 다공질산화막 : 인산, 황산, 수산 수 µm 까지 (1A Al 1.65A Al 2 O 3 ) 4) 다공질양극산화 < 전압이다공질 Al 2 O 3 에미치는영향 >
40 40 (1) 낮은전압 : 기공의밀도가커지며강도는낮아진다 (2) 전압은전해액에따라조절된다 (3) 산화막성장은 Faraday 법칙에따른다 MQη dv dh Mη dq dh V =, = S =, = ρfm dt dt ρfm dt dt Mη ρfm V: 부피, ρ: 밀도, F : C/mole, m=6, S: 면적, H: 높이 M : mole 단위질량, Q : 전체전하, η : 효율, J : 전류밀도 J <25, 10mA/cm 2 에서의다공질양극산화 > high voltage low voltage electrolyte 4 % H 3 PO 4 4 % H 2 SO 4 operating voltage barrier layer thickness(a ) 1,
41 VI. 알루미늄의신뢰도 실리콘 - 알루미늄반응 1) eutectic point 577 에서 1.6% 용해도 2) 350 에서 0.1% 용해도 3) 성장이나열처리과정에서 Al spike 형성 alignment 및 packaging 영향 (111) 면의수평방향과 (110) 면의수직에서 36 방향으로잘자람 <Si 의 Al 에서의용해도 >
42 42 4) spike 방지 (1) 낮은온도에서증착 : step coverage 와접촉저항과 trade off (2) 접촉면에서의 Al 두께를최소로한다 (3) 200A 정도는높은온도에서나머지는낮은온도에서증착 (4) barrier metal 사용 : Ti, W, Ta, Ti-W - 접촉저항과의 trade off (5) 다결정실리콘층을이용 (6) Al-2% Si 합금사용 < 상온에서막형성할때 > < 합금할경우나기판을가열하여막형성할때 >
43 43 2. 알칼리이온의침투 1) 문제점 : bipolar 소자의저전류증폭에악영향 MOS 소자의문턱전압에악영향 2) 해결방안 : 공정시 Na + 오염방지 barrier 물질 (Si 3 N 4, Al 2 O 3, PSG) 사용 < 알칼리이온의침투 > < 알칼리이온을막기위한 Al 2 O 3 박막 >
44 44 3. Electromigration 1) 이온에작용하는힘과전자의운동량 q : 이온의전하량 q* : 전자의전하량실효전하량 : q* = 20 30q 이온이전자를따라움직인다 2) 평면에서의원자유속 N F = D + μne = μne X D kt J = σe, = * μ q D = D exp[ W /kt] : self 0 F = μne = q * s diffusion JN D0exp( W s/kt) kt of Al into Al
45 45 3) 원자가쌓이거나공핍되는원인 (1) 온도 : temperature gradient (2) diffusion: surface diffusion grain boundary diffusion bulk diffusion (3) 활성화에너지변화 : grain 크기변화, 접촉근처의성분변화 : D o, W s, J 변화 step 에서의 current crowding 4) Electromigration 에의한 MTF (1) MTF 변화요인 선폭단면적에따라증가 선의길이에따라감소 원자유속에반비례 A MTF exp( α/l) = F WT Jn Ws exp( α/l)exp( ) kt
46 46 여기서, W : Al 선폭 T : Al 두께 n : 1 (contact) 또는 2~3( 선 ) (2) MTF 향상 MTF W s (ev) grain size: large (>3 μm) 2 ~ ~ 0.6 small (<1 μm) ~ 0.4 surface coating:al 2 O 3 (anodized) 10 ~ ~ 0.65 SiO 2 (CVD) 1~2 additives to Al : (1~2)% Si 1 (4~6)% Cu, Mg, Cr 10 ~ ~ 0.8
47 VII. CMP 와다층금속배선 서론 1) 원래는실리콘웨이퍼제작의최종단계로서웨이퍼의표면을평탄화하기위한기술로개발 2) 1980 년대말, 다층배선을위한평탄화기술로이용되기시작 3) 최근에는소자격리, MOSFET 의게이트형성과같은다양한공정에널리사용됨 4) 일반적인식각과는달리표면의돌출부를우선제거하고물질을제거하는방법으로평탄화공정에매우유리함
48 48 2. CMP 의기본개념 1) 유리가공에사용되는정밀연마기술에기원을둠 2) 연마입자를용액에분산시킨슬러리를연마패드와연마대상사이에주입하고적정한압력을가하며기계적인움직임을지속함 3) 돌출부가상대적으로큰압력을받게되어전반적인평탄화가이루어지거나 ( 평탄화공정 ) 내부의패턴이외부로노출되게됨 ( 상감공정 ) 4) 그라인딩공정에비하여느리지만수 nm 정도의표면거칠기를얻을수있음 평탄화 (planarization) 상감 (Damascene) 공정
49 49 3. CMP 장비및공정 1) 장비의구성 정반 : 단단하고평평한판, 아래쪽에서웨이퍼지지 연마패드 : 정반위에부착, 웨이퍼표면과접촉하여연마작용 척 : 웨이퍼의표면을연마패드쪽으로위치시킴 스핀들 : 척에회전력을전달 슬러리공급기 : 연마패드에슬러리를공급 polishing pad slurry dispenser spindle chuck wafer platen CMP 장비의개략도
50 50 2) 연마패드 연마작용은웨이퍼에가해지는평균압력이아닌돌출부에인가되는국지적압력에의해결정됨 연마패드의표면 : 수십 um 의돌기가웨이퍼와접촉 웨이퍼의패턴밀도가높을수록압력이감소되어연마속도감소 연마패드도마모로인해정기적으로교체해야함 연마패드와웨이퍼
51 51 3) 슬러리 슬러리 : 연마입자 + 용액 연마입자의크기와강도 : 기계적특성결정 용액의반응성과 ph: 화학적특성결정 연마입자 : SiO 2, Al 2 O 3, CeO 2 구리 CMP 용슬러리 : 암모니아용액 + Al 2 O 3 CMP 공정종료후슬러리제거는필수 실리카연마입자의전자현미경사진
52 52 4) CMP 공정변수 주요공정변수 : 정반회전수, 속도, 압력, 슬러리공급률 기타변수 : 연마패드형태, 압축성, 경도, 탄성계수, pore 크기, 온도 5) CMP 공정요소 연마속도 선택비 패턴밀도효과 웨이퍼내균일도 웨이퍼간재현성
53 53 4. CMP 공정의특성 1) 화학적측면 화학반응에의한연마대상물표면변화 -> 연마입자의기계적작용으로변화된물질제거 SiO 2 : SiO 2 -> Si(OH) 4 W: W -> WO 3 Cu: Cu -> Cu 2 O 2) 기계적측면 직접접촉방식 : 연마패드가웨이퍼에직접접촉 구름접촉방식 : 연마입자가때때로웨이퍼표면에굴러들어감 비접촉방식 : 연마입자가유체역학적으로가속됨 R = k Pv k = 1/ (2 E) p k p ( 프레스턴상수 ), P ( 연마패드압력 ), v ( 연마패드의웨이퍼에대한상대속도 ), E (Young 의상수 ) p
54 54 5. CMP의활용 1) 산화막연마 다층금속배선을위한평탄화공정 STI 소자격리 종말점형성을위하여 Si 3 N 4 를정지층으로이용함 질화막을정지층 (stopping layer) 으로활용한예
55 55 4) Thermal Oxidation STI 공정의예 1) Trench Definition: Buffer Oxide Growth, Nitride Deposition, Isolation Lithography 5) CVD Oxide Fill 2) Trench Etch: Nitride Etch, Oxide Etch, Silicon Etch 6)Chemical Mechanical Polish 3) Photoresist Strip 7) Nitride Etch
56 56 2) 금속연마 텅스텐 CMP: 컨택 (contact) 혹은비아 (via) 플러그 (plug) 구리 CMP: 구리는건식식각이어려우므로상감기법의사용이일반적이며이때 CMP 가사용됨 자세한내용은 7 절에서다루어짐
57 57 6. 저유전상수물질 1) 필요성 : 정전용량의감소 속도향상 전력소모절감 유전상수예측치 (ITRS 2010) Year MPU/ASIC Metal 1 (1/2 pitch) Dielectric Constant (ILD) 2.3~ ~ ~ ~ ~1.7
58 58 2) 유전상수를낮추는방법 SiO 2 의변형 (k > 2.7): 메틸계열과이산화탄소를이용한탄소도핑 다공성실리카의사용 (k < 2.7): tetramethoxysilane(tmos) 또는 tetraethoxysilane(teos) 를수용액또는알코올내에서산이나염기촉매를이용하여졸 - 겔법으로겔을만듦 궁극적인저유전상수물질 : 에어갭 (air gap) 3) 저유전상수물질의적용을위한조건 낮은유전상수, 화학 / 기계적특성, 집적특성 전기적성질의등방성, 금속배선물질과의저반응성, CMP 공정에견딜수있는기계적강도, 저흡습률, 내열성, 낮은열팽창계수, 응력및박리를최소화하는접착력, 낮은스트레스, 낮은고온기체발생
59 59 7. 구리와이중상감공정 1) 다층금속배선 필요성 : 고집적, 고속동작, 회로설계의자유도증가 하위층에서상위층으로갈수록금속선폭과두께가증가함 2) 배선금속으로서의구리특성 장점 : 낮은비저항 (1.7uΩ cm), 낮은 electromigration, 높은용융점, 높은열전도도, 높은탄성계수 단점 : 건식식각의어려움, 자체보호산화막의부재, 실리콘과산화막에서의빠른확산, 저유전상수폴리머에낮은접착력 다층금속배선의예
60 60 3) 구리막의형성방법 물리적기상증착 : 단차극복에문제가있음 전기도금 : via filling 이우수하여일반적으로사용됨 4) 이중상감공정 : via 홀과배선패턴용 trench 를모두형성하고한번에금속으로채우는공정 금속층간절연막을형성. 금속층간절연막은그자체가다시여러층으로이루어짐. 비아와배선패턴을형성한후식각. 접착 (adhesion) 및장벽 (barrier) 층을증착. 장벽층으로는탄탈륨이나질화탄탈륨을주로사용. 구리층형성. CMP 로구리층을평탄화.
61 61 이중상감공정. (a) 절연막증착, (b) 배선과비아패터닝, (c) 접착및장벽금속증착, (d) 구리막형성, (e) 구리 CMP
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