반도체 8대 공정 중 지난 글에서는 포토 및 식각을 포함하는 패터닝 공정에 이어 증착 및 이온 임플란트 공정에 대해 알아보았습니다.
이번 글에서는 패터닝 공정 못지않게 중요한 반도체 8대 공정 중에 서가장 기초적이면서도 소자 동작의 근간이 되는 금속 배선 공정에 대해 알아보도록 하겠습니다.
금속 공정이란
금속 공정은 소자 내의 전류 흐름을 위한 금속선을 형성하는 공정과 소자의 금속 배선 공정모두 포함한 공정을 일컬으며 이를 통해 반도체 웨이퍼 위에 형성된 수많은 회로들간 전기가 도통하도록 서로간을 도체로 연결시키는 작업을 의미합니다.
앞서 설명드린 패터닝 및 증착, 이온임플란트 공정 등을 통해 웨이퍼 상에는 소자 구동에 필요한 만큼 반복적인 회로가 형성되게 됩니다.
반복적으로 형성된 회로 사이사이 전기가 통하기 위해서는 금속 길이 필요하며 이를 금속공정을 통해 형성하게 됩니다.
또한 이렇게 형성된 회로라도, 외부에서 인가되는 전력이 공급되지 않으면 무용지물인데요, 이를 가능케 하는 공정이 바로 금속 배선 공정입니다.
금속공정의 경우 예를 들어 n-type으로 이온 임플란트 공정을 마친 웨이퍼 기반의 트렌지스터를 가정해보겠습니다. 이 웨이퍼는 n-type이기는 하지만, 여전히 소자 내 외부 전력이 공급되지 않으면 부도체 처럼 동작할 확률이 큽니다.
트렌지스터를 이루는 3극인 Source, Drain, Gate에 각각 소자가 동작하기 위한 적합한 전력이 공급되어야 비로서 트랜지스터로서 동작이 가능한데요, 이 때 각 Source, Drain, Gate 에 해당하는 부분에 적절한 회로가 연결되기 위해서는 금속 공정이 필요할 수 밖에 없습니다.
또다른 예로 금속 배선공정을 살펴보겠습니다. 소자내의 회로가 모두 잘 연결되었다 할지라도 반도체 소자가 복합적인 소자들의 구성으로 이뤄진 것을 고려하면, 해당 소자간 전기적으로 배선 연결이 되어야 하는 부분도 분명 존재할 것입니다.
이때 소자간 전기적으로 연결이 가능케 하는것 또한 금속공정의 일부입니다.
금속 배선 공정의 요건
반도체 소자의 기능 및 크기 별로 요구하는 금속배선의 비저항, 면저항 및 선폭 등이 존재합니다. 기본적으로 금속의 저항은 단면적이 넓을수록, 배선의 길이가 짧을수록 낮아지기때문에, 점차미세화 되어가는 반도체 소자 관점에서는 금속 길 또한 같이 줄어들어 필연적으로 저항이 증가하게 됩니다.
따라서 아무리 금속은 전기가 통하는 물질이라 할지라도 금속공정에 모든 금속이 사용될 수는 없습니다.
반도체적 특성을 고려하여 금속을 선택하여야 하는데 이 떄 몇가지 중요하게 고려해야할 부분이 있습니다.
먼저 반도체의 기본이 되는 웨이퍼와으 부착성이 중요합니다.
금속 배선 역시 박막형태로 증착되게 되는데 이때 증착된 금속이 웨이퍼로부터 박리되면 배선으로서의 역할을 상실하기 때문에 얼마나 배선이 잘 웨이퍼에 붙어있는가가 중요한 기준이 되게 됩니다.
또한 위에서도 말씀드린 것처럼 금속공정에 사용되는 금속은 전기전도도가 매우 중요하므로 전기 저항이 낮아야합니다.
뿐만아니라, 금속 공정 이후에도 수백차례 연이어 이뤄지는 반도체 공정에서 금속이 부식되지 않고 견뎌내기 위해서는 화학적, 열적 안정성도 확보가 되어야 합니다.
더불어 회로 간의 연결이 중요하기 때문에 금속 자체의 패터닝도 가능해야합니다. 즉 식각 공정을 통해 금속 또한 원하는 형태로 패턴을 만들 수 있어야 하며 그만큼 금속 재질의 선택지가 줄어들게 됩니다.
무엇보다도 위의 모든 조건을 다 고려하고도 비용이 저렴해야 합니다. 예를 들어 위를 모두 만족하는 금(Au)를 필수적으로 사용해야 하는 부위가 아니라면 금 대신 다른 금속을 사용하기를 권장할 수 밖에 없습니다.
제품이 양산이 되고 수익을 발생시킬 수 있어햐 하는데, 귀금속을 사용하여 지나치게 비싼 단가를 형성하게 되면 아무리 기술이 좋아도 사업성이 없어 세상에 드러나지 않는 소자로 끝날 수 밖에 없기 때문입니다.
금(Au)을 제외한 대표적인 금속 공정 재료는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 텅스텐(W)이 있으며, 공정 온도, 신뢰도 등 상황에 따라 이러한 금속을 바꿔가며 사용할 수 있습니다.
