반도체공정08-금속공정

반도체 금속 공정 정리

(CMP · Silicide · EDS 검사)

반도체 소자를 제작하는 과정에서 트랜지스터 형성이 끝나면 금속 공정(Metallization)이 진행된다. 이 단계에서는 소자들을 전기적으로 연결하는 배선을 만들고, 접촉 저항을 줄이기 위한 실리사이드(silicide)를 형성하며, 공정 후에는 재료 성분을 확인하기 위한 분석 공정이 수행된다.

대표적인 금속 공정 관련 기술로는 CMP, Silicide 형성, 그리고 EDS 분석이 있다.

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1. CMP (Chemical Mechanical Polishing)

CMP는 Chemical Mechanical Polishing의 약자로 화학적 반응과 기계적 연마를 동시에 이용하여 웨이퍼 표면을 평탄하게 만드는 공정이다.

반도체 공정이 진행되면서 여러 층의 박막이 계속 쌓이게 되면 웨이퍼 표면이 점점 울퉁불퉁해진다. 이러한 상태에서는 다음 포토리소그래피 공정에서 초점 맞추기가 어려워지고 패턴 정밀도가 떨어질 수 있다.

따라서 CMP 공정을 이용해 웨이퍼 표면을 평탄하게 만들어 다음 공정을 안정적으로 진행할 수 있도록 한다.

CMP 공정은 크게 세 가지 요소로 이루어진다.

첫 번째는 polishing pad이다.
연마 패드는 회전하면서 웨이퍼 표면을 물리적으로 연마하는 역할을 한다.

두 번째는 slurry이다.
슬러리는 화학 반응을 유도하는 성분과 연마 입자가 포함된 용액이다. 산화제와 미세한 연마 입자(SiO₂ 등)가 포함되어 표면 물질을 제거한다.

세 번째는 down force이다.
웨이퍼를 패드 쪽으로 눌러주는 압력으로, 적절한 압력을 통해 연마 효율을 조절한다.

CMP의 기본 원리는 화학 반응으로 표면을 약하게 만든 뒤 연마 입자가 기계적으로 표면을 제거하는 방식이다.

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CMP 공정에서 발생하는 문제

CMP 공정에서는 몇 가지 대표적인 결함이 발생할 수 있다.

Dishing은 금속 영역이 절연막보다 더 많이 연마되어 움푹 파이는 현상이다. 이는 금속과 절연막의 연마 속도 차이 때문에 발생한다.

Erosion은 패턴 밀도가 높은 영역에서 주변 영역까지 과도하게 연마되는 현상이다.

Scratch는 슬러리 입자나 패드의 문제로 인해 웨이퍼 표면에 스크래치가 생기는 결함이다.

이러한 문제들은 공정 조건, 슬러리 조성, 패드 상태 등을 최적화하여 최소화해야 한다.

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2. Silicide 공정

Silicide는 금속(Metal)과 실리콘(Silicon)이 반응하여 형성되는 화합물이다.

대표적인 실리사이드 물질은 다음과 같다.

TiSi₂ (Titanium silicide)
CoSi₂ (Cobalt silicide)
NiSi (Nickel silicide)

Silicide는 주로 MOSFET에서 접촉 저항을 줄이기 위해 사용된다.

트랜지스터의 source, drain, gate 영역에서 금속과 실리콘이 직접 접촉할 경우 전기적 저항이 증가할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 금속을 증착한 뒤 열처리를 통해 실리콘과 반응시켜 silicide를 형성한다.

이렇게 형성된 silicide는 금속과 실리콘 사이의 접촉 저항을 크게 낮춰 소자의 전기적 성능을 향상시킨다.

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Silicide 형성 공정

일반적인 silicide 형성 과정은 다음과 같다.

먼저 금속을 웨이퍼 위에 증착한다. 이때 Ti, Co, Ni 등의 금속이 사용된다.

그 다음 열처리(annealing)를 수행한다. 열에 의해 금속과 실리콘이 반응하면서 silicide가 형성된다.

마지막으로 반응하지 않은 금속을 선택적으로 제거한다.

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Self-aligned Silicide (Salicide)

현대 반도체 공정에서는 Salicide(Self-aligned Silicide) 공정이 널리 사용된다.

Self-aligned라는 의미는 별도의 패터닝 공정 없이 필요한 위치에서만 silicide가 형성된다는 뜻이다.

실리콘이 노출된 gate, source, drain 영역에서만 silicide가 형성되고, 산화막이나 절연막 위에서는 반응이 일어나지 않는다. 따라서 자연스럽게 필요한 영역에만 silicide가 형성된다.

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3. EDS 검사

EDS는 Energy Dispersive X-ray Spectroscopy의 약자로 재료의 원소 조성을 분석하는 방법이다.

이 분석 방법은 주로 SEM(주사전자현미경)과 함께 사용된다.

EDS 분석 원리는 전자빔이 시료에 충돌할 때 발생하는 X-ray를 이용하는 것이다.

전자빔이 시료 내부의 전자를 튕겨내면 높은 에너지 상태에 있던 전자가 낮은 에너지 상태로 이동하면서 X-ray를 방출한다. 이때 방출되는 X-ray의 에너지는 원소마다 고유한 값을 가지기 때문에 이를 분석하면 시료에 포함된 원소를 확인할 수 있다.

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EDS로 확인할 수 있는 것

EDS 분석은 다양한 재료 분석에 사용된다.

대표적인 활용 예는 다음과 같다.

박막의 원소 조성 분석
오염 원소 검출
합금 조성 분석
실리사이드 형성 여부 확인

예를 들어 Ni와 Si가 반응하여 NiSi가 형성된 경우 EDS 분석을 통해 Ni와 Si 신호를 확인하여 silicide 형성 여부를 판단할 수 있다.

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반도체 금속 공정 흐름

일반적인 금속 공정의 흐름은 다음과 같다.

트랜지스터 형성
실리사이드 형성
금속 배선 형성
CMP 평탄화
SEM 및 EDS 검사

각 공정의 목적은 다음과 같다.

Silicide 공정은 접촉 저항을 줄이기 위한 공정이다.
Metallization 공정은 소자 사이를 전기적으로 연결하는 배선을 만드는 공정이다.
CMP 공정은 웨이퍼 표면을 평탄하게 만드는 공정이다.
EDS 분석은 공정 후 재료의 원소 조성을 확인하기 위한 분석 방법이다.

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핵심 정리

CMP는 화학적 반응과 기계적 연마를 이용해 웨이퍼 표면을 평탄하게 만드는 공정이다.

Silicide는 금속과 실리콘이 반응하여 형성되는 화합물로, 트랜지스터의 접촉 저항을 감소시키는 역할을 한다.

Salicide 공정은 별도의 패터닝 없이 필요한 영역에서만 silicide가 형성되는 방식이다.

EDS는 방출되는 X-ray 에너지를 분석하여 재료에 포함된 원소 조성을 확인하는 분석 방법이다.