금속배선은 IC 내 수없이 많은 소자의 전원 공급과 전기적 Signal 전달, IC Chip Packaging 등 외부 Module과 Chip을 연결할 때 주로 사용됩니다. 금속공정은 일반적으로 PVD(Physical Vapor Deposition) 공정을 통해 증착하며, Contact/Via Hole, Barrier Metal의 경우 Step Coverage구 우수한 CVD를 이용하여 증착합니다.
Metal Sturcture
[면접관 Q2.] Metal 공정을 지원하셨다면, Plasma에 대해 이해도가 높을 것이라고 생각됩니다. 간략하게 설명해주시겠어요.
Plasma는 이온화된 기체로서 양이온과 자유전자 그리고 중성종인 Radical로 구성되어 있습니다. 글로우 방전으로 인해 형성된 자유전자와 양이온은 Plasma를 발생 및 유지시키는 중요한 역할을 합니다. 특히 양이온은 엔지니어가 바이어스를 인가하여 운동량을 제어할 수 있기 때문에, Dry Etch 혹은 Sputtering같은 공정 메커니즘으로 단위 공정에서 중요한 역할을 수행합니다. Radical의 경우, 활성기체로서 반응성이 매우 높은 특성을 가집니다. 따라서 저온 공정이 요구되는 Inter layer Dielectric 막질을 형성을 할 때, 주로 Plasma를 이용한 CVD 방식이 적용됩니다. Radical의 경우, 중성이기에 Bias로 제어가 불가능하지만, Plasma 내 Radical의 농도가 압도적으로 높기 때문에, Diffusion으로 거동을 제어할 수 있습니다.
[면접관 Q3.] 공정 실습에 대한 경험이 많네요. 반도체 공정에서 진공은 정말 중요합니다. 진공에 대해서 정의해줄 수 있나요.
진공은 챔버 내부의 공기를 제거함으로써 대기압보다 압력이 낮은 상태를 진공이라고 표현합니다. 물론 압력의 범위에 따라 저진공, 고진공, 초고진공으로 나눌 수 있습니다. 반도체 공정에서 진공의 중요도는 중요하지만, 금속공정에서 진공은 특히 그 중요도가 높습니다. 물리적인 운동량으로 금속박막을 형성하는 PVD 방식은 금속 입자가 Wafer 표면으로 운동하면서 입자와 충돌하여 산란이 일어날 수 있기 때문에 고진공이 요구됩니다. (PVD Sputter : ~ 5x10e-8 torr). 챔버의 진공은 Cryo pump, Turbo Moleculer Pump (TMP), Diffusion Oil Pump 와 같은 고진공 Pump를 이용하여 진공환경을 만듧니다.
[면접관 Q4.] 실습 경험이 많아서 그런지, 설비 구성요소에 대해서 많이 아는 군요. 말씀하신 Pump의 진공을 만들어내는 원리를 간략하게 설명해주시겠어요.
앞서 말씀드린 Cryo. Pump, TMP, Diffusion Pump는 모두 고진공 환경을 만드는데 자주 사용되는 진공펌프 입니다. 먼저 말씀드리자면, 이러한 고진공 펌프는 단독으로 사용할 수 없고 Base 진공을 만들어주기 위하여 Rotary Oil Pump가 항상 Backside에서 구동되어야 합니다.
고진공 펌프에 대해서 간략하게 설명하자면, Cryo. pump는 10K의 극저온(0K = -273℃) 으로 냉각 압축된 He을 이용하여 가스를 얼어붙게 함으로써, 챔버 내부에 고진공을 형성합니다.
TMP 같은 경우는 Pump 내부에 여러 Blade가 초고속으로 회전하여 챔버 내 불순물 입자들을 외부로 뽑아내어 고진공을 만들어냅니다.
Diffusion Oil Pump의 경우, Evaporator에 주로 사용되는데 외부 Heat Coil로 Pump 내 Oil을 가열하면 Vapor 형태의 oil 입자들이 증기압에 의해 확산되었다가 냉각수 라인을 만나 액화되면서 챔버 내 입자들을 끌어내림으로써 고진공을 형성합니다.
[기출 질문 1] 해당 모식도를 이용하여 Sputtering 을 통한 일련의 증착 과정을 설명해주세요.
우선 챔버 내부는 진공펌프를 이용하여 충분히 진공을 뽑아주어 안정적인 고진공 환경이라고 가정하겠습니다. 진공 사애의 챔버 내부에 불활성 기체인 Ar gas를 주입하고 Cathode에 위치한 Target에 음의 DC Power를 인가해줍니다. 그러면, 음의 DC Bias에 의해서 Target에서 소수의 전자가 방출되고, 방출된 전자는 Wafer 방향으로 가속됩니다. 충분히 가속되어 높은 에너지를 가진 전자가 중성 기체인 Ar과 충돌하게 되면, Ar 내 전자가 구속에서 벗어나 Ar+ 양이온으로 이온화 됩니다. 이온화된 Ar 양이온은 Cathode 방향으로 가속되고, 높은 질량의 Ar+ 이온이 Target과 충돌하면서, 수많은 2차 전자와 및 금속 Target 입자들이 Sputtering 되어 높은 에너지를 가지고 튀어나옵니다. 2차 전자는 Ar을 이온화 시켜 Plasma를 발생 및 유지시키고, 튀어나온 금속 입자는 Wafer 표면으로 이동하여 금속 박막을 형성합니다.
[Summary] (1) Chamber 고진공 형성 (2) Wafer Chamber 내 로딩 (보통 고진공 설비의 경우, 로드락 챔버에 자재를 로딩해놓음) (3) Ar gas 주입 (4) Cathode (Target)에 음의 DC Power 인가 (5) Cathode에서 방출된 전자에 의해 Ar 가스가 이온화됨 (6) 이온화된 Ar 이온이 Target으로 가속되어 충돌을 통해 2차 전자 발생 (글로우 방전) (7) 2차 전자로 인해 무수히 많은 Ar 양이온 발생 (8) 높은 에너지를 가진 Ar 양이온이 Target과 충돌하고 Target 금속 원자가 높은 운동에너지로 튀어나옴 (9) Taget에서 이탈한 금속 입자가 Wafer 표면에 증착됨
[기출 질문 2] (기출) 해당 그래프를 이용하여, DC Sputtering 공정의 Mechanism에 대해서 설명해주세요.
Sputtering에서 Gas의 방전은 챔버 내에 주입된 가스가 플라즈마화가 되면서 전류가 흐르는 것을 의미합니다.
챔버 양단에 DC 전압을 인가하고 Power를 서서히 증가시키게 되면, 전류가 서서히 증가하면서 특정 전압을 넘어서는 순간 Current가 급격히 증가하는 구간이 생깁니다. 보통 DC 600V 전압이 인가됐을 때 나타나며, 이 구간을 우리는 Townsend Discharge (타운젠트 방전)으로 부릅니다. 육안으로 희미하지만 플라즈마의 발광을 확인할 수 있어 암방전이라고도 표현하며, 이 때 양단의 전위차를 우리는 Threshold Voltage 혹은 Gas Breakdown Voltage(Vb)로 표현합니다. Townsend Discharge 영역은 전압을 증가시키지 않아도 전류가 증가합니다. Target 일부 영역에서만 방전이 일어나고, 양이온의 수가 많아지면서 Target 내 방전되는 면적이 증가합니다.
이후, 급격한 전류 증가와 전압 강하가 일어나는 구간이 있습니다. 이때부터는 Target 전체 면적에서 방전이 일어나게 되면서 2차 전자의 수가 급격히 증가하고, 양이온 역시 급증하면서 자체적으로도 방전이 유지가 됩니다. 이때, 밝은 보라색 빛의 플라즈마가 형성되고 이를 Normal Glow 방전이라고 합니다.(Glow는 발광을 의미).
Normal Glow 방전은 전압 강하로 인해, Cathode에서 양이온의 충돌은 일정하지 않고, Target의 Edge나 돌출부에서 Sputtering이 집중적으로 일어나게 됩니다. (E-field는 Edge나 Corner 같은 돌출부에 Crowding 되는 경향이 있어, 전압강하로 낮아진 전위차에 의해 양이온이 E-field가 상대적으로 집중되어 있는 Target의 Edge나 돌출부로 운동함)
이 상태에서 DC Power를 증가시키게 되면, 양이온이 Target 전면에 일정한 충돌이 일어나고, 방전개시전압과 전류가 모두 증가하는 Abnormal Glow 방전 구간이 형성됩니다. Target 전면에 Sputtering이 일어나기 때문에, 우리는 Abnormal Glow 방전 구간에서 Sputtering 공정을 진행합니다.
실제 기출 문제이며, 참으로 설명하기 까다로운 주제라고 생각합니다. 특히 물리학과와 같은 자연계열 전공자 혹은 Plasma 관련 경험의 Keyword를 가진 분들이라면 준비가 필요할 것 같습니다.
[꼬리 질문 2.1] DC Sputtering에서 Deposition rate을 결정하는 공정변수와 메커니즘에 대해서 설명해주세요.
Sputtering에서 Deposition rate은 당연 Plasma Density와 밀접한 연관이 있습니다. 따라서, Plasma Density를 조절하면 Deposition rate을 Control 할 수가 있습니다. Sputtering에 적용되는 Abnormal Glow 방전을 형성시키기 위해서는 Gas Breakdown을 일으키기 위한 충분한 전압(방전개시전압)이 필요합니다. 이 전압은 여러 공정변수와 상관관계를 가지고 있습니다. 파센 커브 이는 챔버 내 압력과 전극사이의 거리 그리고 방전개시전압과의 관계를 나타낸 파센 커브로 설명드릴 수 있습니다. 챔버 내부에 압력이 너무 낮은 경우, Ar 기체입자의 양이 작아지기 때문에 충돌확률이 작아지면서 Plasma Density가 작아지게 됩니다. 반대로 압력이 너무 높은 경우, 2차 전자의 Mean Free Path가 짧아 Ar을 이온화시킬 정도의 충분한 에너지를 가지기도 전에 Ar 기체입자들과 충돌하여 에너지를 잃게 됩니다.
동일한 압력이라 가정했을 떄, 양 전극 사이의 거리가 너무 가까울 경우, 역시 2차 전자의 Mean Free Path가 짧고 그로 인해서 Ar 기체입자를 이온화시키지 못 합니다. 양극의 사이가 너무 멀게 될 경우, 양극 사이의 E-Field 세기가 감소하면서 역시 전자가 충분한 에너지로 가속될 수 없습니다.
정리하자면 압력이 너무 높거나, 낮을 경우 / 전극 사이 거리가 너무 가깝거나, 멀 경우 더 높은 방전개시전압(Breadown Voltage)가 요구됩니다. 그 결과 방전 전류나 전압, Ar 분압이 Supttering 효율에 가장 큰 영향을 미치기 떄문에, 여러 조건과 결과를 고려하여 Plasma Density를 안정화 시키켜 Depo. rate을 최적화 시킬 필요가 있습니다.
[꼬리 질문 2.2] DC Sputtering과 Magnetron Sputtering의 증착 Mechanism 차이를 아시나요.
DC Sputter의 경우 양극에 DC Power를 인가하여, target 면에 수직한 면으로 전기장이 형성되면서 Plasma를 발생시켜 Sputtering 하는 것이 주요 Mechanism입니다. Magnetron Sputtering의 경우, DC Sputtering과 마찬가지로 Target의 수직면에 전기장을 형성하고, Coil에 전류를 인가하여 Target의 수평한 방향으로 자기장 유도함으로써 전자가 Target 표면 근처에서 나선운동을 하게 됩니다.그 결과, Sputtering이 일어나는 Target 표면 근처에서 Ar을 집중적으로 이온화시킬 수 있고, Anode로 빠져나가는 전자의 loss를 최소화 하여 Ar과의 충돌확률이 크게 증가하면서 Sputtering 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있습니다.
[꼬리 질문 2.3] Magnetron Sputtering이 DC Sputtering 보다 좋은 것이겠네요.
Sputtering 효율이 좋다는 측면에서 Magnetron Sputtering이 우수한 특징을 가지고 있습니다. 현재의 Sputter System 역시 대부분 Circular Magnetron 방식을 채택하고 있는 것으로 알고 있습니다.
[꼬리 질문 2.4] Circular Sputtering 방식 어떤 차이가 있고 박막의 Unformity를 개선하기 위해서는 어떤 방법을 채택하고 있죠 .
Circular Sputtering 방식은 기존의 Magnetron Sputtering 방식에서 박막 Uniformity, Depo. rate, Target erosion 등 공정 개선을 위해, 자기장의 범위를 Target Surface 부근 일부 영역에서 Target 전면에 자기장을 만들어주는 영구자석이 사용됩니다.영구자석이 Target 주위를 회전 운동하는 형태로 보시면 됩니다. 이럴 경우 Taregt 표면의 전류 밀도가 기존 DC Sputter의 DC Diode 방식에 비해 10~100배까지 Sputter 효율이 개선됩니다. 그리고 막 두께의 Uniformity를 개선하기 위해 Target의 크기가 Wafer 크기보다 더욱 크게 제작됩니다. 8inch Wafer의 경우, Sputter Target의 크기는 보통 14inch로 제작되어 두께 Uniformity를 개선할 수 있습니다. 그 외에도 특정 Topology에서 증착할 경우, Sputtering 된 Target 원자의 운동량을 변경시켜주는 Collimator가 적용하여 Step Coverage 특성을 향상시킬 수 있습니다.
최근댓글