여러분들 반도체 IC 제작 시 Front 공정도 중요하지만 Back-end 공정도 반도체 수율에 지대한 영향을 미치는 단계입니다. 특히 반도체 소자의 Reliability 도 중요하지만, BEOL Reliability 역시 중요하죠. 그 중 EM, SM 특성에 대해서 다루어보도록 하겠습니다.
[면접관 Q1.] Electro-Migration (EM) 현상의 Mechanism에 대해서 설명해주세요.
Electro Migration(EM)은 금속 배선에 전류가 인가되었을 때, 배선 내부로 고에너지의 전자가 이동하고 Al의 Grain Boundary는 결정이 깨지게 되면서 Micro Void로 이루어진 불안정한 상태를 말합니다. 전자가 이동하면서 Al 원자와 충돌하면, Grain은 미세한 진동이 일어나면서 열이 발생하게 됩니다. 장시간 전자가 충돌하게 되면 결국 전자의 이동 방향으로 Al Grain이 이동하게 되고 Al가 존재하지 않는 영역이 발생하여 금속 배선이 Open 되게 됩니다. 이는 동작 시 시간에 지남에 따라 발생하기 때문에 대표적인 신뢰성 평가 항목 중 하나입니다. Electro-Migration (EM), (화살표) 전자의 이동방향
[면접관 Q2.] 배선 공정 간 Electro Migration 현상의 공정 관점 특징에 대해서 알고 있을까요.
Electro Migration은 주로 Grain 3개가 만나는 Triple Point에서 시작됩니다. 특히 Grain Size의 차이가 클수록 EM에 취약합니다. 다층 배선 구조에서 Tungsten VIA와 Al 배선이 만나는 계면에서 전자가 W에서 Al으로 빠져 나갈 때, EM이 발생합니다. Tungsten의 경우 EM 저항성이 강하기에 문제 없으나 금속 배선인 Al이 EM 특성이 매우 취약합니다. Cu 역시 Al 보다 EM 특성이 우수한 것으로 알고 있습니다.
[면접관 Q3.] 그렇다면, Electro-Migration 특성을 개선하려면 어떻게 해야 하는지 알고 있나요.
금속 배선의 EM 특성을 개선하는 방법은 EM 특성이 우수한 물질을 사용하는 것입니다. EM에 취약한 Al은 미량의 (~4wt%)의 Cu나 Ti를 혼합하여 EM 특성을 개선시킬 수 있습니다. 혹은 Al의 상하부막에 Ti를 증착하여 TiAl3를 형성시키면 EM 저항성이 향상됩니다. 또 다른 방법은 배선의 구조입니다. 금속 배선 형성 시, Bamboo 구조로 형성하면 Grain Size보다 배선 폭을 좁게 형성하여 EM 현상의 시작 지점인 Triple Point를 제거할 수 있습니다. 그리고 Al 막의 Grain Size를 크게 만들면 EM 특성이 개선됩니다. Metal Line CD가 Grain Size보다 작게 형성한 구조. Bamboo는 대나무 마디란 뜻.
[면접관 Q4.] Electro-Migration 을 평가하는 방법에 대해서 설명해주세요.
EM 특성 평가 방법은 Test Pattern을 준비한 후 200~250℃ 온도에서 Current를 Forcing한 후 초기 저항 대비 배선 저항의 변화를 확인합니다. 평가 시 전체 Test Pattern 중 50% 이상이 EM에 의해 Open되는 시간을 평가하고, 각 배선이 Open된 시간 간의 표준편차를 산출합니다. 이후 Test 시 가속 Factor인 온도와 인가 전류밀도를 실제 Chip 사용 조건으로 환산했을 때의 금속 배선의 수명을 산출합니다. 이때, 10년 이상의 Life Time을 보장해야만 신뢰성 특성을 확보할 수 있습니다.
[면접관 Q5.] Stress-Migration (SM) 현상의 Mechanism에 대해서 설명해주세요.
Al 금속 배선 상부에 절연막 증착 시 Intrinsic Stress가 가해집니다. 금속 공정 후 후속 공정인 Sintering 후속 열처리 공정 시 Thermal Stress가 Al 막에 인가됩니다. Melting Point가 낮은 Al-Cu 금속막은 Thermal Stress에 대해 취약하며, 외부 Stress를 Release 하기 위해서 Al 원자가 Grain Boundary를 통해 이동하게 되며, 이를 Stress Migration이라 합니다. SM에 의해 Al 배선은 Hillock 및 Void가 발생하고, Passivation Layer에는 Crack이 발생하게 됩니다. Stress Migraion에 의한 Void 형성
[면접관 Q6.] Stress-Migration (SM) 개선 방법에 대해서 설명해주세요.
Stress Migration을 개선시키는 방법은 EM 개선 방법과 유사합니다. Al 상하부막에 Ti 막을 얇게 증착하여 TiAl3 막을 형성시킴으로써 SM 특성이 개선됩니다. Thermal Stress를 줄이기 위해 배선 형성 후 열처리 온도는 낮추고 Intrinsic Stress를 줄이기 위해 IMD나 Passivation Layer Thickness를 얇게 형성함으로써 SM 저항성을 향상시킬 수 있습니다.
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