반도체 8대 공정 (4) - 금속 배선 공정 - MOL 공정 - 텅스텐 플러그

지난 시간에는 MOL 공정 중 실리사이드 공정까지 알아보았고, 이번에는 MOL 공정 중 텅스텐 플러그(W plug) 공정에 대하여 알아보겠습니다.

 

실리사이드의 목적인 소자의 오믹 컨택트의 형성 후에는 소자를 구동할 수 있도록 도선을 만들어 주어야 합니다.

실리사이드 콘택트와 구리 배선 사이를 연결해 주는 역할을 하는 것이 텅스텐 플러그(W plug)입니다.

반도체 공정의 중간 단계이기 때문에 MOL(Middle of Line)이라고 불리며, 공정 순서는 산화물 절연막을 증착 후 오믹 콘택트를 위해 만들어진 트렌치에 채워진 실리사이드 물질 위로 텅스텐을 채워 넣는 방식입니다.

이렇게 표면까지 모두 채워지게 되면 CMP를 사용하여 절연막의 표면이 드러날 때까지 연마시키면 기둥 형태의 텅스텐 플러그가 절연 물질로 둘러싸여 실리사이드 물질에 연결된 구조가 됩니다.

 

좁고 깊은 구동이 형태의 패턴을 채우는 과정이기 때문에 CVD 방법을 통해 증착이 되며, 증착 조건에 따라 트렌치의 안쪽이 다 채워지기 전에 개구부가 막히게 되면 내부에 Void가 생기게 되고, 이는 CMP 진행 후 구멍으로 드러나게 됩니다.

이런 현상을 Seam 현상이라고 하는데, Seam 현상이 나타나면 텅스텐 플러그 위로 연결될 구리 배선 공정에서 불량을 유발하기 때문에, 텅스텐을 증착할 때의 온도와 소스의 양, 그리고 압력 등의 공정 조건이 매우 중요합니다.

* 텅스텐 플러그에서 Seam 현상을 방지하기 위해 제어할 인자 : 텅스텐 증착 시 온도, 소스(WF6)의 양, 압력

 

텅스텐을 증착할 때 사용하는 소스는 WF6입니다. 공정 온도에서 불소와 해리된 W는 성장이 되면서 트렌치를 채웁니다. 그런데, 증착 후 남게 되는 불소는 에치에 쓰일 정도로 반응성이 높은 물질입니다. 따라서 실리사이드 물질 바로 위에 텅스텐을 증착한다면,

 

* 바닥면의 실리콘와 불소와 반응이 일어나게 되어 용암이 폭발하는 듯 휘발생 반응물이 발생하게 되는데, 이를 볼케이노(Volcano) 불량이라고 합니다.

* 측벽의 산화물절연체와 불소가 반응하게 되면 산화물이 에치되는 효과가 생겨 산화물 절연체가 제거되어 얇은 띠 형태의 공간이 생기게 됩니다. 이를 박리(delamination)라고 합니다.

 

이러한 불량이 발생합니다. 이러한 불량을 방지하기 위해서는 실리사이드 물질과 텅스텐 사이에 확산 방지막(Diffusion Barrier layer)이 필요한데, 티타늄 질화물(TiN)을 많이 사용하고 있습니다.

 

오늘은 이렇게 텅스텐 플러그(W plug)의 역할에 대하여 대략적으로 알아보았습니다.

텅스텐 플러그(2) 편에서 조금 더 자세하게 다뤄보도록 하겠습니다.