이전 시간에는 Metal 공정의 Reliability 관련 내용에 대해서 다루어보았습니다. 금일은 Metal Contact을 위한 Salicide 공정에 대해서 다루도록 하겠습니다.
[면접관 Q1.] Salicide (Self-aligned Silicide) 공정이 필요한 이유에 대해서 설명해주세요.
Contact을 통해 금속과 접촉하는 Source/Drain 접합이나, Gate는 모두 Si으로 이루어져 있습니다. 특히, Gate인 Poly Silicon의 경우 Sheet Resistance (Rs)이 ~40Ω/sq. 수준으로 매우 높은 저항 특성을 가집니다. 또한, 금속과 반도체 접합 시 일반적으로 계면에서 Schottky Barrier가 형성되며, 이는 Contact Resistance (Rc) 을 증가시킵니다. 따라서 반도체 IC의 구동 속도를 향상시키기 위해서는 금속배선과 Gate, Source/Drain Junction 간의 Rs, Rc 저항값을 낮추어야 하며, Si 상부메 Co, Ti, Ni과 같은 금속을 증착 후 열처리를 통해 저항을 낮추는 화합물을 형성시키는 Salicide 공정이 필요합니다.
[면접관 Q2.] Salicide 공정 Sequence에 대해서 간략하게 설명해주실 수 있을까요.
Gate Poly Si 형성 이후, Gate와 Junction을 분리시키기 위한 Sidewall Spacer를 우선 형성해줍니다. 이후 Sputter로 Ti 혹은 Co를 증착하고 금속의 산화를 막기 위한 TiN Capping Layer를 차례로 증착합니다. 공정이 완료되면 RTP 급속 열처리를 진행하게 되면 증착된 Ti (or Co) 금속이 Si과 접촉한 부분에서 확산이 일어나 Silicide (TiSi2 or CoSi2)가 형성됩니다. 이후 Wet Etch를 통해 Ti(or Co)를 선택적으로 제거해주면 됩니다. 이렇듯 Si이 드러난 영역에서만 Silicide가 형성되기 때문에 Mask Align 없이 공정이 가능하여 Self-aligned Silicide (Salicide)공정이라 합니다.
[면접관 Q3.] 이력을 확인해보니, Sal. 공정 경험이 있으시네요. 간략하게 관련 경험에 대해서 설명해주시겠습니까.
OOO에서 메탈공정 엔지니어로 인턴 업무 수행했습니다. 관련 경험은 Co 혹은 Ti Salicide 공정을 도맡아서 진행하였습니다. Ti Sal. 공정의 경우 HF Wet Clean 처리를 통해 Si 표면 자연산화막을 제거하고, ~400Å 수준의 Ti 막을 Sputtering 공정을 통해 증착했습니다. 이후 RTP 공정을 통해 750℃에서 30sec 정도 열처리를 해줌으로써 Salicidation이 일어납니다. 이후, 반응하지 않은 Ti을 Strip 해주고, 마지막으로 ~900℃에서 RTP 후속 열처리를 진행해줍니다.
Co Silicide도 마찬가지로 SC1 + HF Wet Clean을 통해 Si 표면 자연산화막을 제거하고, In-situ RF Plasma Etch 공정으로 한 번 더, Thermal Oxide를 제거해주었습니다. 이후 Co 100Å, Capping Layer TiN 200Å을 Sputter 공정으로 증착한 후, RTP로 열처리를 통해 Salicidation 시켜줍니다. 이후 반응하지 않은 Co/TiN을 제거한 후, ~900℃에서 한 번 더 RTP 열처리를 진행해주면 Sal. 공정이 마무리 됩니다.
[면접관 Q4.] 말씀해주신 Sal. 공정에서 RTP 열처리를 2번 진행해주셨는데, 그 이유에 대해서 설명해주실 수 있을까요.
Sal. 공정에서 RTP 열처리는 정말 중요한 공정입니다. RTP 열처리 온도와 Ti, Co 두께에 따라 최종 Silicide의 저항이 결정되기 때문입니다. RTP 열처리를 2번 진행하는 이유는 Leakage Current 때문입니다. Silicide 결정의 대표적인 Phase는 C-49, C-54 Phase가 있습니다. C-54 Phase의 경우 C-49 대비 비저항이 ~4배 정도 낮고, 900℃ 이상의 온도에서 결정성을 갖습니다. 초기 열처리 온도 900℃에서 공정을 진행할 경우, Gate Sidewall을 따라 성장한 Silicide가 Junction과 연결되면서 의도치 않은 Leakage Current를 야기합니다. 따라서 1차 열처리에서는 낮은 온도로 진행하고, Ti Strip 이후 2차 열처리를 진행하여 상전이를 유도하여 더 낮은 비저항의 Silicide 층을 획득할 수 있습니다.
[면접관 Q5.] Active Size 측면에서 Salicide에 미치는 Scaling Effect에 대해서 알고있나요.
Sal. 형성 시 Ti 대비 Co가 조금 더 Scaling Effect 관점에서 유리하다고 말씀을 드리고 싶습니다. Sal화가 진행되어야 하는 Si Active의 Width가 ~0.25um 이하 수준이 되면, Ti Silicide는 잘 형성되지 않습니다. 하지만 Co의 경우 0.25um 이하 Width에도 균일한 Co Silicide가 형성됩니다. 다만 Co의 경우 Oxygen에 매우 민감하게 반응하기 때문에, Ti Sal. 공정 대비 산화를 방지하기 위한 TiN Capping Layer가 필요하며, Oxygen이 Co 내에 잔류할 경우 Silicide 형성을 방해합니다. 이러한 Size Effect로 인해, CoSi2가 TiSi2 대비 물질 고유의 특성인 높은 비저항을 가지나, 동일 선폭으로 비교했을 때 CoSi2가 더 낮은 Sheet Resistance 특성을 가집니다.
[면접관 Q6.] 재료공학과다 보니, 확실히 물성적인 측면에서 잘 알고 계시군요. Ti, Co Silicide의 장단점에 대해서 설명해주세요.
우선 Co(~5.8uΩcm)가 Ti (~43uΩcm) 대비 비저항이 작지만 Silicide의 경우, TiSi2 (~15 uΩcm)가 CoSi2(~16~20 uΩcm) 대비 작습니다. 앞서 설명드렸다시피 Scaling Effect로 인해 동일선폭에서 면저항은 CoSi2가 더 작은 특성을 가집니다. CoSi2의 경우 TiSi2 대비 Thermal Stability가 우수하며, Narrow Linewidth에서 더 유리합니다. 다만, CoSi2의 경우 TiSi2 대비 Si 소모량이 많고, Si의 이동으로 Sal.화가 되는 TiSi2 와 달리 Co의 이동으로 CoSi2가 형성되기 떄문에, Junction Spike와 같은 Junction Leakage 이슈를 개선해야 합니다.
[면접관 Q7.] RTA 공정에 대해서 설명해주시겠습니까.
Salicide 공정에서 RTA 공정은 매우 중요합니다. 공정의 주요 Mechanism이 Diffusion이라면, Diffusion을 Control하는 것이 주요 Key Factor입니다. RTA는 1,000℃ 정도의 고온에서 30sec 이하의 짧은 열처리를 진행할 수 있습니다. 주로 Salicide 공정과 이온주입공정에서 Dopant 활성화 목적으로 사용됩니다. Salicide 공정에서 RTA가 아닌 Furnace 열처리를 진행할 경우 Particle 유입, Wafer loading 시 산소 유입 등의 문제가 발생할 수 있으며, 공정 시간이 길기 때문에 정확한 Sal. Depth를 제어하기 어려운 문제가 발생합니다. RTA는 급속으로 고온 열처리가 가능하며 정확한 온도 조절이 가능합니다.
앞서 설명드렸다시피 Sal. 공정은 2회의 열처리가 요구되기 때문에 단시간에 고온 열처리가 가능한 RTA 공정이 더욱 적합하다고 할 수 있습니다.
여러분들 오늘은 Salicide 공정에 대해서 다루어 보았습니다. 관련 내용은 기출 및 예상 질문 등을 토대로 작성한 것이오니, 적절히 자신의 경험에 맞게 참고하시길 바라겠습니다.
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