[면접관 Q1.] 금속 배선 공정에서 알루미늄(Al) 소재의 특징에 대해서 설명해주시겠어요.
반도체 금속 배선 공정은 90nm node 이하부터는 비저항이 낮은 Cu가 Critical Metal Layer에 주로 사용되고, 현재는 저항이 높은 Barrier Metal이 필요 없는 Co, Ru, Mo 등의 새로운 금속 소재들의 적용을 검토 중에 있는 것으로 알고 있습니다. (Cu는 Barrier Metal 필수!, 이전 게시글 참고) 알루미늄은 레거시 공정부터 미세공정의 Top Metal 등 배선 금속 재료로 가장 많이 사용되고 있습니다. 그 이유는 알루미늄은 낮은 비저항의(Pure Al, 2.7 uΩcm, AlCu(Cu~0.5%) 3.0 uΩcm )특성을 가지며, Oxide와의 우수한 접착 특성, Sputtering 및 식각 용이, High Depo. rate, 높은 가격 경쟁력을 가지기 때문입니다.
[면접관 Q2.] 금속 배선 재료로서 알루미늄(Al)의 한계에 대해서 설명해주시죠.
앞서 알루미늄의 우수한 물질적인 특성에 대해서 설명드렸습니다. 하지만 우수한 재료적 특성을 지녔음에도 불구하고 반도체 공정에서 알루미늄의 사용은 한계에 봉착합니다. 미세화에 따라서 알루미늄의 비저항은 더 이상 낮은 수준이 아닙니다. 높은 배선 저항은 의도치 않은 IR Drop을 일으키며 RC Delay가 커지면서 원하는 신호를 전달하기 어렵습니다. 알루미늄을 적용한 채로 이러한 이슈를 개선한다면 저항을 낮추기 위해 금속 배선의 Size와 두께가 두꺼워지고 이는 Chip Size 경쟁력을 낮추며 원자재 비용 경쟁력까지 낮출 것입니다.
그 외에도 알루미늄은 EM (Electro-Migration) 특성, Fluorine, Cu 등의 Corrosion, Low Melting Point (660℃)에 의한 Hillock 과 같은 SM(Stress Migration) 특성이 취약합니다. 이러한 특성은 제품 신뢰성의 치명적인 영향을 미치는 요소로 작용합니다.
[면접관 Q3.] 금속 공정 경험을 가지고 계시네요. 공정 과정에서 알루미늄(Al) 배선의 Quality에 영향울 주는 변수에 대해서 설명해주세요..
음.. 잠시 생각할 시간을 주시겠습니까. 알루미늄 배선 금속 Quality에 영향을 주는 요소에 대해서 설명드리겠습니다.
금속 배선 막질 Quality에 영향을 주는 요인에 대해서 설명 드리자면,우선 기판온도입니다. 알루미늄을 예로 들면, Al의 경우, Poly Crystal 다결정 구조를 가집니다. Al 증착 시 Al 원자는 이러한 Grain Boundary를 따라 이동하면서 성장하기에 GB가 클수록 Conformal한 막을 얻을 수 있습니다.기판온도가 높을수록 Grain Boundary가 커지고 막질 저항도 작아지며, 물리적 특성 또한 개선됩니다. 다음은 Ar 분압입니다. Ar의 경우 보통 1at% 이하로 함유되며, Ar의 함유량이 많아질수록 막질 Stess를 증가시키고, 전기적/물리적 특성이 열화됩니다.그 외에도Al의 EM 특성을 향상시키기 위해 2% Cu를 첨가하여 Al-Cu 화합물을 형성하며, Power를 통해 Depo. rate을 Control 하고, 후속 열처리를 통해 불완전 Bonding을 Passivation 하는 등 막질 Quality에 영향을 끼치는 다양한 공정 Step이 있는 것으로 알고 있습니다.
[면접관 Q4.] Metal Film 특성을 평가하는 지표에 대해서 아는게 있나.
제가 알고 있는 공정 간 지속적으로 관리해야 하는 Metal Film을 평가 Item에 대해서 말씀 드리겠습니다. 첫 번째는 Sheet Resistance (Rs) 입니다. Rs는 1cm2 면적에서 금속의 저항을 의미합니다. Rs는 Resistivity를 금속막의 두께로 나눈 값으로 막 두께가 얇아지면 비저항이 증가합니다.두 번째는 Reflecitivity Intensity (RI) 반사도입니다. 금속막은 표면에서 높은 반사가 일어납니다. 금속막 표면에 ~480nm 파장의 빛을 조사하여 직반사되는 빛의 양을 수치화 시켜 Monitoring 합니다.금속의 증착 온도가 낮을수록, 증착속도가 빨를수록 RI가 증가하는 경향이 있습니다. 그 외에도 Metal 공정의 주요 불량인 Particle을 Subscan으로 측정하며, 발생 시 Scrubbing으로 제거합니다. 막질의 두께는 Metapulse 및 XRF 측정을 통해 주로 Monitoring 하며, 측정값 간의 표준편차 / 평균값을 통해 NU(Non-uniformity)를 산출합니다.이러한 Item을 기준으로 공정엔지니어는 Abnormal Value가 있는지 지속적인 Monitoring을 통해 공정 과정이 안정적인지 상시 감독해야 합니다.
[면접관 Q5.] 재료공학과 전공하셨으니, 금속 막질의 물성적인 특성 평가 항목에 대해서 알고있나요.
제가 대학원에서 주로 박막을 측정 및 평가했던 Item에 대해서 말씀드리겠습니다. 첫 번째는 Grain Size입니다. SEM 전자현미경을 이용하여 시료의 표면을 측정하고 Poly Crytal 구조의 금속 막질의 Grain Size 및 Uniformity를 평가했습니다. 다음은 AFM이나 Step Profile을 통해서 금속막의 Surface Roughness를 평가했습니다. 표면 거칠기의 경우, 후속 공정의 막질과의 Adhesion 특성과 EM 특성이 열화되며, 식각 공정 후 Etch Profile 불량을 초래할 수 있습니다.
다음은 UPS, XPS 혹은 RBS 분석을 통해 금속막의 화학적 조성비를 측정 및 평가할 수 있습니다. TiN 금속막의 Ti/N 조성비는 매우 중요한 특성입니다. 조성비에 따라 TiN 금속막의 Rs 및 Diffusion Barrier 특성이 결정됩니다. X선 분석 중 또 다른 금속막 특성 중 하나는 바로 결정 방향입니다. 금속막의 결정방향은 EM, SM 특성에 큰 영향을 주며 특히 (111) 결정면일수록 외부 Stress에 대한 저항성이 우수한 것으로 알고 있습니다.
[면접관 Q6.] 금속막의 Grain Size가 크면 어떤 특성이 향상되나요.
Grain Size는 금속막의 증착 온도, 진공도, Depo. rate이 클수록 커집니다. Al 증착 후 IMD 증착이나 후속 열처리 Sintering 공정도 Grain Size에 영향을 줍니다. Grain Size가 클수록 전자가 원활히 이동하기 때문에 비저항이 작아지고, EM(Electro Migration) 및 SM (Stress Migration) 저항성이 향상됩니다.
[면접관 Q7.] Hillock 힐록 현상에 대해서도 설명해주실 수 있을까요.
Hillock은 Al이 상부로 돌출하는 현상입니다. Hillock 돌출부 주변에는 일반적으로 Void가 발생합니다. Hillock은 IMD 증착이나 Sintering 열처리 공정 과정에서 발생하며, Al과 Oxide와의 열팽창계수 차이로 인해 형성됩니다. 이러한 Hillock은 후속공정인 Photo 공정에서 Align 불량을 초래하며, IMD Layer에 Damage를 줄 수 있습니다. Hillock 형성을 방지하기 위해서는 Al 상부에 TiN Capping Layer를 형성하고, Al에 Cu 첨가, 고온 증착, Al Etch 후 후속 열처리 하는 등의 방법이 있습니다.
최근댓글