반도체 8대 공정 (4) - 금속 배선 공정 - BEOL 공정 - 접합 스파이킹

지난 시간까지 금속 배선 공정 중 MOL 공정에 대하여 알아보았습니다.

오늘은 BEOL 공정에 대하여 알아보겠습니다.

MOL : 소자에 금속-반도체 접합과 그 위의 컨택트 플러그를 만드는 공정

 

 

BEOL (Back End of Line) 공정

 

반도체 공정의 후반에는 각각의 소자와 연결된 컨택트 플러그를 원하는 기능을 수행하는 칩으로서의 회로 연결 공정을 하게 됩니다.

주로 금속을 이용하여 설계 목적에 맞게 배선을 하는 공정입니다.

여기서 사용하는 금속은 저항이 낮아야 하며, 열적 물질적 안정성을 가지고 있어야 합니다.

이러한 특징을 잘 만족시키는 물질이 알루미늄(Al)입니다.

알루미늄은 비저항이 2.66으로 은(1.59)에 비해 크긴 하지만, 가격적인 측면이나 녹는점이 낮고 산화물을 형성하기 좋은 물질적 특성 때문에 배선 공정에서 많이 사용되었습니다.

특히, 배선의 역할을 하면서 소자에서 오믹 컨택트 금속으로도 사용이 가능합니다.

소자가 작아지는 트렌드에 따라 더 낮은 저항의 금속이 필요해지고 물질적인 안정성이 문제가 되면서, 배선은 구리 공정으로 전환되었습니다.

 

* 오믹 컨택트(ohmic contact, 옴 접촉) : 전압과 전류의 특성이 '옴의 법칙'을 따르는 금속과 반도체와의 접촉. 반도체 소자에서 금속 결선을 뽑아낼 때 전극 금속이 소자의 특성에 큰 영향을 주지 않으려면 전극 금속과 반도체 간의 접촉 저항치가 작은 옴 접촉으로 되어야 함.

 

 

1. 접합 스파이킹 (Juction spiking)

 

메탈-반도체 컨택트를 위해 알루미늄이 실리콘에 접합된 상태에서 열처리를 하게 되면 실리콘이 알루미늄으로 확산되어 들어가게 되는데, 실리콘의 알루미늄 내 고체 용해도만큼 기판의 실리콘이 없어지게 됩니다.

그만큼의 공간을 알루미늄이 채우게 되어 가시 모양의 아래 방향으로 뾰족한 형태로 알루미늄이 들어가게 되는데, 이러한 현상을 스파이킹(spiking)이라고 합니다.

통상적으로 사용하는 온도인 450도 수준의 온도에서 실리콘은 약 0.5% 정도 용해되고 그 자리를 알루미늄이 채우게 됩니다.

이로 인해 불균일한 계면 때문에 누설전류가 커지지도 합니다. 가장 큰 문제는 단자 깊이 방향으로 PN 접합에 의한 Junction depth가 존재하게 되는데, 이를 spiking이 터치하게 되는 경우 소자의 통제가 불가능해집니다.

이를 개선하기 위하여 알루미늄에 미리 1% 수준의 실리콘을 용해시켜 놓은 물질을 사용하여 기판의 실리콘이 확산되어 들어오지 못하도록 만들거나, 또는 티타늄 질화물(TiN)을 확산 방지막 목적으로 사용합니다.

 

 

다음 게시물에서는 EM(Electro-migration)부터 알아보겠습니다.