반도체 배선 금속 과정

반도체 배선 금속 과정

 

반도체 금속 배선(Metal Interconnection) 과정은 반도체 소자의 각 부분을 전기적으로 연결하여 회로를 완성하는 중요한 공정입니다. 이 과정은 여러 단계로 나뉘며, 각각의 단계는 고도로 정밀한 기술이 필요합니다. 주요 금속 배선 공정은 다음과 같습니다.

1. 절연층 형성 (Dielectric Deposition)

- 절연층 증착 (Deposition of Dielectric Layer)
금속 배선을 위해 먼저 절연층을 형성합니다. 이 절연층은 금속 배선 간의 전기적 절연을 제공합니다. 일반적으로 실리콘 산화물(SiO₂) 또는 실리콘 질화물(Si₃N₄) 같은 절연 물질이 사용되며, 화학 기상 증착(CVD) 또는 물리 기상 증착(PVD) 기술이 사용됩니다. 화학 기상 증착(CVD)은 기체 상태의 화합물을 반응시켜 고체 상태의 박막을 형성하는 방법입니다. 이는 균일한 두께와 높은 순도의 절연층을 형성하는 데 유리합니다. 반면, 물리 기상 증착(PVD)은 물리적 방법을 통해 박막을 증착하는 방식으로, 주로 스퍼터링(sputtering)과 같은 기법이 사용됩니다.

 

 

2. 패터닝 (Patterning)

- 포토리소그래피 (Photolithography)
포토리소그래피는 반도체 공정에서 가장 중요한 기술 중 하나로, 미세한 패턴을 형성하는 데 사용됩니다. 먼저 감광성 레지스트(photoresist)를 웨이퍼 표면에 균일하게 도포합니다. 그 다음, 마스크를 사용하여 자외선(UV)을 통해 레지스트를 노광합니다. 마스크는 원하는 패턴을 투영하는 역할을 합니다. 노광된 레지스트는 현상액을 통해 제거되어 패턴을 형성합니다. 이때, 노광되지 않은 부분은 레지스트가 그대로 남아있어 이후 공정에서 보호막 역할을 합니다.

- 식각 (Etching)
패터닝된 레지스트를 마스크로 사용하여 절연층을 식각합니다. 식각은 크게 건식 식각(Dry Etching)과 습식 식각(Wet Etching)으로 나뉩니다. 건식 식각은 플라즈마를 사용하여 선택적으로 식각하는 방식으로, 높은 방향성과 정밀도를 제공합니다. 반면, 습식 식각은 화학 용액을 사용하여 선택적으로 식각하는 방식으로, 주로 간단한 패턴이나 큰 면적을 식각하는 데 사용됩니다.

 

3. 금속 증착 (Metal Deposition)

패터닝된 영역에 금속을 증착하여 배선을 형성합니다. 주로 알루미늄(Al), 구리(Cu), 텅스텐(W) 등이 사용됩니다. 금속 증착 방법으로는 스퍼터링(sputtering), 전기 증착(electroplating), 화학 기상 증착(CVD) 등이 있습니다.
- 스퍼터링 (Sputtering)
스퍼터링은 금속 타겟에 고에너지 이온을 충돌시켜 금속 원자를 증착하는 방법입니다. 이는 높은 증착 속도와 균일한 박막 형성을 가능하게 합니다.
- 전기 증착 (Electroplating)
전기 증착은 전기 화학 반응을 이용하여 금속을 증착하는 방법입니다. 주로 구리 배선에 사용되며, 높은 순도의 금속층을 형성할 수 있습니다.

4. CMP (Chemical Mechanical Planarization)

CMP 공정을 통해 금속 배선의 표면을 평탄화합니다. 이는 다음 공정에서의 정밀한 패터닝을 위해 중요합니다. CMP는 화학적 반응과 기계적 연마를 결합한 공정으로, 연마 패드를 사용하여 금속층을 물리적으로 평탄화하면서 특정 화학 물질을 사용하여 금속층을 화학적으로 제거합니다. CMP는 웨이퍼 표면의 불균일성을 제거하고, 금속 배선의 두께를 균일하게 만들어줍니다. 이는 다층 금속 배선 공정에서 특히 중요합니다.

 

5. 패시베이션 (Passivation)

금속 배선을 외부 환경으로부터 보호하기 위해 패시베이션 층을 형성합니다. 패시베이션 층은 주로 실리콘 산화물(SiO₂) 또는 실리콘 질화물(Si₃N₄)로 구성되며, 화학 기상 증착(CVD) 또는 물리 기상 증착(PVD) 기술이 사용됩니다. 패시베이션 층은 금속 배선의 산화를 방지하고, 전기적 특성을 안정화시킵니다.

- 테스트 및 패키징 (Testing and Packaging)
배선 공정이 완료된 웨이퍼는 개별 칩으로 절단되고, 각 칩의 전기적 특성을 테스트합니다. 테스트는 칩의 성능과 신뢰성을 확인하기 위한 중요한 단계입니다. 테스트를 통과한 칩은 패키지에 장착되어 최종 제품으로 완성됩니다. 패키징은 칩을 외부 환경으로부터 보호하고, 외부와의 전기적 연결을 제공하는 역할을 합니다. 패키징은 칩의 성능과 신뢰성에 큰 영향을 미치므로, 고도의 정밀성과 신뢰성이 요구됩니다.

 

 

반도체 금속 배선 공정은 절연층 형성, 패터닝, 금속 증착, CMP, 패시베이션, 테스트 및 패키징의 여러 단계를 거칩니다. 각 단계는 고도의 정밀성과 기술이 요구되며, 소자의 성능과 신뢰성을 좌우합니다.

 

-절연층 형성: 절연층을 증착하여 금속 배선 간 전기적 절연을 제공합니다.
-패터닝: 포토리소그래피와 식각을 통해 금속 배선의 패턴을 형성합니다.
-금속 증착: 스퍼터링, 전기 증착 등의 방법으로 금속을 증착합니다.
-CMP: 화학 기계적 평탄화 공정을 통해 금속 배선의 표면을 평탄화합니다.
-패시베이션: 금속 배선을 보호하기 위한 패시베이션 층을 형성합니다.

-테스트 및 패키징: 개별 칩의 전기적 특성을 테스트하고 패키징합니다.

 

이 모든 과정은 반도체 소자의 성능과 신뢰성을 보장하기 위해 매우 중요하며, 각각의 단계가 정밀하게 제어되어야 합니다.