금번 포스팅에서는 저번 포스팅에 이어 반도체에서 Metal(금속)로 사용되는 재료 중 실제 사용되는 소재에 대하여 알아보도록 하겠습니다.
알루미늄(Al)
저렴하고 낮은 저항과 SiO2와 같은 절연체와 접착 능력이 우수하며 쉽게 식각 된다는 장점으로 많이 사용되었습니다. 몇 가지 문제로 현재는 구리(Cu)나 텅스텐(W)으로 대체되었습니다. 알루미늄(Al)은 실리콘(Si)과 만나면 서로 섞이려는 성질을 가지고 있습니다. 이로 인해 알루미늄(Al)의 녹는점이 낮아져 열 공정에서 녹아버리거나, 실리콘(Si)과 결합해 접합면에 침투하여 접합 스파이킹 현상이 발생할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 알루미늄(Al)에 실리콘(Si)을 첨가하거나, 실리콘(Si) 접합면에 확산 방지 막을 만드는 방법이 있습니다. 알루미늄(Al)은 전류 밀도가 높은 배선에서 전자의 충돌로 인해 금속 이온이 이동하는 전기 마이그레이션 현상이 발생할 수 있습니다. 이로 인해 배선이 끊어지거나 단락될 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 알루미늄(Al)에 구리(Cu)와 같은 중금속을 소량 첨가하여 사용하기도 합니다.
구리(Cu)
구리(Cu)는 알루미늄(Al)보다 저 저항과 전기 마이그레이션 저항성이 뛰어난 장점을 가지고 있습니다. 이는 반도체의 고집적화와 고속화에 매우 유리합니다. 구리(Cu)는 반도체 소자와의 접점(contact)이나 배선(wire)에 사용됩니다. 하지만 구리(Cu)는 식각이 어렵다는 단점이 있습니다. 구리(Cu)는 Dry Etch에 적합한 식각제가 없기 때문에, 다마신(damascene) 공정이라는 특별한 방법으로 패턴을 형성해야 합니다. 다마신 공정은 절연 막에 구멍을 뚫고 구리(Cu)를 채운 후, 화학적 기계 연마(CMP)로 남은 구리(Cu)를 제거하는 공정입니다. 그리고 구리(Cu)는 확산이 잘 일어난다는 단점도 있습니다. 구리(Cu)는 SiO2와 같은 절연체로 쉽게 확산되어 소자의 성능과 신뢰성을 저하시킬 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 구리(Cu)와 절연막 사이에 확산 방지막(barrier)을 형성해야 합니다. 확산 방지 막으로는 탄탈럼(Ta)이나 탄탈럼 질화물(TaN) 등이 사용됩니다.
텅스텐(W)
텅스텐(W)은 우수한 Gap filling 특성을 갖고 있습니다. 이러한 특성으로 인해 Via나 Contact을 채우는데 사용됩니다. Via나 Contact은 반도체 소자와 배선을 연결하는 역할을 하며, 구멍이 좁고 깊은 경우에는 금속을 채우기 어렵습니다. 텅스텐(W)은 CVD 공정으로 증착되어 이러한 구멍을 잘 채울 수 있습니다. 하지만 텅스텐(W)은 비저항이 높다는 단점이 있습니다. 비저항이 높으면 전기적 신호의 손실이 커지고, 소자의 속도가 느려집니다. 따라서 텅스텐(W)은 Contact만 사용하고, Line은 비저항이 낮은 알루미늄(Al)이나 구리(Cu)를 주로 사용합니다. 또한 텅스텐(W)은 실리콘(Si)과 반응하여 저항이 증가하거나, 확산이 일어날 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 텅스텐(W)과 실리콘(Si) 사이에 금속 확산 방지 막(barrier metal)인 타이타늄 질화물(TiN) 박막을 사용하기도 합니다.
금(Au)
금(Au)은 전기전도도가 뛰어나고 화학적으로 안정하며 전기 마이그레이션에 강한 장점을 가지고 있습니다. 이러한 특성으로 인해 본딩 와이어나 도금에 사용됩니다. 본딩 와이어는 반도체 칩과 패키지의 리드프레임이나 서브스트레이트를 전기적으로 연결하는 역할을 하는 금속선입니다. 본딩 와이어로 금(Au)을 사용하면 저 저항과 고신뢰성을 얻을 수 있습니다. 금(Au) 본딩 와이어는 볼 본딩이나 웨지 본딩에 사용됩니다. 볼 본딩은 칩의 패드에 금(Au) 볼을 만들고, 볼과 리드프레임이나 서브스트레이트의 패드를 용접하는 방법입니다. 웨지 본딩은 칩의 패드와 리드프레임이나 서브스트레이트의 패드를 금(Au) 와이어의 끝부분을 이용해 용접하는 방법입니다. 도금은 반도체 패키지의 표면에 금(Au)을 코팅하는 방법입니다. 도금으로 금(Au)을 사용하면 전기적 접촉성과 부식 방지를 향상시킬 수 있습니다. 금(Au) 도금은 무전해 도금이나 전기 도금에 사용됩니다. 무전해 도금은 화학적 반응을 이용해 금(Au)을 코팅하는 방법입니다. 전기 도금은 전기적 전위차를 이용해 금(Au)을 코팅하는 방법입니다. 금(Au)은 반도체에서 Metal로 사용되는 재료 중 하나이지만, 비용이 비싸다는 단점이 있습니다. 따라서 금(Au)의 사용량을 최소화하거나, 다른 저렴한 재료로 대체하는 연구가 진행되고 있습니다.
최근 동향 및 미래 전망
최근 나노 기술의 도입으로 Metal(금속)의 사용이 더욱 향상되고 더 작고 효율적인 반도체 칩을 제조할 수 있게 되었으며, 이는 더 높은 성능과 낮은 전력 소비를 가능케 합니다. Metal(금속)은 반도체 제조의 중요한 부분을 차지하고 있으며, 계속해서 발전하고 있습니다. 고 성능, 저 전력, 환경 친화적인 제조 과정을 만들어 갈 것입니다.
이처럼 Metal(금속)은 반도체 제조 과정에서 핵심적인 역할을 하는 재료로써 기술의 발전과 혁신을 이끌어 나가고 있습니다. 앞으로 더욱 발전된 기술과 연구를 통해 더 효율적이고 고성능의 Metal(금속) 재료 및 제조 공정이 출현 할 것입니다.