[반도체 소재] "Plug W(텅스텐) grown on CVD"

텅스텐은 우수한 Filling 특성으로 Via 나 Contact을 채우는데 사용됩니다.

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■ Tungsten, W 텅스텐

[질문 1]. Tungsten, W 텅스텐 막의 용도에 대해서 설명해보세요.

텅스텐은 우수한 Gap filling 특성을 갖고 있습니다. 이러한 특성으로 인해 Via나 Contact을 채우는데 사용됩니다. 하부에는 Barrier metal인 TiN 박막이 필요합니다. TiN은 Barrier 역할과 nucleation seed 역할을 수행합니다. 

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• 텅스텐은 3410℃의 높은 녹는점을 가지므로 열적 안정성이 매우 뛰어납니다.
• 우수한 Conformal Step coverage 특성을 갖습니다.
• 낮은 기계적 stress 특성을 가집니다.
• 우수한 Electro migration EM 및 Corrosion 저항성 특성을 갖습니다.
• 텅스텐은 7-12uOhm-cm의 높은 resistivity를 가지며, oxide나 nitride에 adhesion 특성이 불량한 단점을 가집니다.

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■ 반응화학구조

• Step 1. Nucleation : TiN 상에서 결정핵 생성, Poor step coverage
  WF6(g) + 3SiH4(g) → 2W(film) + 3SiF4(g) + 6H2(g)
• Step 2. VF (via filling) : Good step coverage, 낮은 증착 속도
  WF6(g) + 3H2(g) → W(film) + 6HF(gas)
• Step 3. IC (Interconnection) : Better resistivity, stress & reflectivity.
  WF6(g) + 3H2(g) → W(film) + 6HF(gas)
  

■ 응용

• Tungsten Plug : Nucleation + VF (Via filling)
  
• Tungsten Wiring : Nucleation + VF (Via filling) + IC (Interconnection)

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[세부설명] Barrier metal

금속배선 공정에 사용되는 재료는 알루미늄이 있습니다. 산화막(SiO2)과 부착성이 좋고 가공성이 뛰어난 특성을 가지고 있습니다. 하지만 알루미늄과 실리콘이 만나면 서로 섞이려는 성질을 가지고 있습니다. 이 때문에 Al 배선 과정에서 접합면이 파괴되는 현상이 발생할 수 있습니다. 이러한 현상을 방지하기 위한 것이 Al과 웨이퍼 접합면 사이에 Barrier 역할을 하는 금속을 증착하는 것입니다. 이를 Barrier metal이라고 합니다. 이중 박막을 형성하여 접하면이 파괴되는 것을 방지할 수 있습니다. Tungsten, W은 Oxide 표면에서의 adhesion이 불량하고 WF6의 반응성이 높아 반드시 Barrier metal이 필요합니다. Barrier metal은 PVD or MOCVD를 이용하여 TiN 박막을 사용합니다.

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[질문 2]. 금속재료의 요구조건에 대해서 설명해보세요.

• 웨이퍼와의 부착성
  실리콘(Si) 웨이퍼 위에 얇은 박막으로 증착할 수 있도록 부착이 쉬워야 하며, 접착력 또한 우수해야 합니다.
• 전기저항이 낮은 물질
  금속선은 회로패턴을 따라 전류를 전달하는 역할을 하기 때문에 전기저항이 낮아야 합니다.
• 열적, 화학적 안정성
  금속 배선 공정의 후속 공정에서 금속선의 특성이 변하지 않도록 열적, 화학적 안정성이 뛰어나야 합니다.
• 패턴 형성의 용이성
  회로패턴에 따라 금속선을 쉽게 형성시킬 수 있어야 합니다. 아무리 좋은 전기적 특성의 금속이더라도 식각 등의 공정 특성에 맞지 않으면 반도체 배선 재료로 쓰이기 어렵습니다.
• 높은 신뢰성
  집적회로 기술의 발전으로 반도체가 미세화됨에 따라 금속 배선 역시 작은 단면으로 제작해도 끊김없이 사용할 수 있어야 합니다.
• 제조 가격
  위 조건을 만족시키더라도 제조 가격이 높으면 대량 생산이 어렵기 때문에 반도체 재료로 적합하지 않습니다.

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위 금속재료 조건을 충족시키는 금속은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 텅스텐(W) 등이 대표적인 금속재료입니다.