[반도체 특강] PVD, 전자가 이동하는 도로를 만들다

지난 강의를 통해 트랜지스터의 3개 단자인 소스/드레인/게이트를 완성했습니다. 이제는 3개 단자에 전압을 가하거나 전류를 빼내어 트랜지스터를 동작시킬 수 있도록 단자들을 칩 회로 밖으로 연결하는 금속배선을 만들 차례입니다. 금속배선 원료로 과거에는 40년 이상 알루미늄이 애용되었으나, 10년 전부터 최근까지는 구리를 이용하는 추세이지요. 오늘은 고전적인 원료인 알루미늄 원소로 배선하는 방식을 알아볼 텐데요. 바로 금속증기(Vapor)를 이용해 물리적인 방식으로 얇은 막을 입히는 PVD(Physical Vapor Deposition)입니다.

막 형성 방법

▲ 박막을 형성하는 방식

반도체에 막을 형성하는 방법은 5가지 정도가 있지만, 크게는 3가지를 주로 사용합니다. 그중 물리적으로 증기(Vapor)를 이용해 증착하는 방법(PVD)과 화학적으로 증기를 이용해 증착하는 방법(CVD)을 많이 사용합니다. 이후에는 원자층을 한 겹 한 겹 쌓아 올리는 원자층화학증착(ALD) 방식을 주로 사용하는 추세입니다.

그 외에는 화학용액을 웨이퍼 표면에 분사시키고 웨이퍼를 회전시켜 막을 형성하는 SOG(Spin on Glass) 방식이 있고, 고전적인 전해도금방식(EP:Electrical Plating)을 응용해 구리 용액을 전기분해를 일으켜 전착하는 방식이 있습니다. 특히 다마신 공정은 유전체 물질 사이에 공극을 뚫어 놓고, 그 속에 시드(Seed) 층을 형성한 다음 구리를 도금하는 방식인데요. 이는 전해도금방식을 반도체 공정에 맞도록 개량한 방식입니다. 이는 알루미늄 재질의 단점을 보완하고, 선폭의 미세화에 대응하기 위해 도입되었습니다.

박막 형성 후 Fab기본공정을 통해 금속배선 만들기

▲ 박막 후의 금속배선 완성

반도체 칩 하나가 도시라면 금속배선은 일종의 도로가 됩니다. 칩 위에 도선을 배치하는데 도로처럼 달랑 배선만을 그을 수는 없겠지요. 그러므로 반도체에서는 전체 표면에 얇은 박막을 형성시킨 후 포토>식각>세정이라는 기본공정을 진행해 얇은 막 잘라내기를 합니다. 그러면 나머지가 이리저리 얽히고설킨 배선이 됩니다. 박막은 크게, 얇은 절연체막과 금속막, 두 종류로 구분할 수 있는데요. 이 둘은 막을 형성하는 방식이 조금씩 다릅니다. 절연체막은 CVD나 혹은 ALD(향후)라는 화학적 방식을 주로 사용하고, 금속막은 PVD라는 물리적 방식으로 대부분 사용하지요.

PVD와 CVD의 장단점

▲ 물리적 방식 PVD vs 화학적 방식 CVD의 장단점

화학적 방식인 CVD는 섭씨 몇 백도를 필요로 하지만, 물리적 방식인 PVD는 CVD에 비해 저온에서 공정을 진행한다는 이점이 있습니다. 반도체 공정에서 CVD와 PVD는 다르면서도 같은 점이 있는 사촌 관계라고 볼 수 있습니다. 챔버 분위기와 진행방식은 다르지만, CVD와 PVD 모두 Vapor를 이용하여 막을 형성하는 공통점이 있지요.

PVD는 진공 하에서 공정을 진행하고, 다른 화학물질과 섞이지 않기 때문에 불순물로 인한 오염이 CVD에 비해 상대적으로 낮습니다. 그런데 PVD로 만든 층은 물리적으로 알루미늄과 같은 금속 층이 다른 절연층 위에 내려앉아 형성되기 때문에 화학적인 CVD보다는 접합 상태가 좋지 못하지요. 따라서 여러 가지 방법을 동원해 접합성을 높이는 개선을 합니다. 반면, PVD는 CVD보다 안전하지만 스퍼터 등을 사용하기 때문에 장비가 비교적 고가입니다. 또한 CVD에 비해 투습성 등 보호막으로써 성능이 떨어지기 때문에 절연기능을 하는 곳에는 사용하지 못하고 금속배선 등에 국한적으로 사용된답니다.

스퍼터링이란?

▲ 스퍼터링 개념

스퍼터링이란 건식방식을 사용해 얇은 박막을 코팅하는 공정을 말합니다. 높은 에너지를 갖는 이온을 만들어서 이 이온들을 알루미늄판(Target)에 충돌시키면 알루미늄판을 이루는 다수의 알루미늄 원자들이 떨어져 나오게 하는 현상을 이용한 것이지요. 이렇게 떨어져 나오는 많은 수의 알루미늄 원자들이 웨이퍼 기판(소스/드레인/게이트) 위에 눈처럼 쌓이도록 하면 얇은 알루미늄막이 형성되는데요. 얇은 박막을 형성하는 장비를 스퍼터(Sputter)라고 부릅니다. 알루미늄 외에도 여러 가지 금속 박막을 타깃으로 사용 가능합니다. 그리고 타깃으로 사용된 금속판의 원소가 막을 형성합니다. 즉, 타깃의 원소가 화학적 변화 없이 금속판에서 물리적으로 위치만 바꾸어 웨이퍼 위에 금속막을 형성하는 것이지요.

스퍼터링의 구조와 원리

▲ 스퍼터링의 구조와 원리

먼저 웨이퍼가 들어갈 공간(챔버)을 마련하고, 스퍼터 챔버 안을 대기압의 100분의 1 정도로 하여 공기를 빼냅니다. 이때 고진공일수록 플라즈마가 잘 형성되므로 강력한 터보 진공펌프를 사용하여야 하겠지요. 알루미늄 금속판을 공격할 이온을 마련하기 위해 진공 속에 아르곤 가스를 집어넣습니다. 그리고 아르곤 가스가 존재하는 챔버에 약 5,000V 정도의 높은 DC 전압을 걸어주면 아르곤 가스가 전자와 양이온이 같이 존재하는 플라스마 상태로 됩니다. 높은 에너지를 건네받은 중성인 아르곤 원자에서 원자핵의 구심력을 이겨낸 최외각전자가 탈출하면서 아르곤 원자는 양이온으로 변하게 되는데, 이 양이온을 이용해 금속판에 충돌 시킵니다. 이때 금속판이 충돌하는 운동에너지로 인해 알루미늄 격자 내 결합에너지보다 더 큰 에너지가 알루미늄 입자에 전달되면 여러 개의 알루미늄 입자가 금속판에서 떨어져 나갑니다. 이때 떨어져 나간 금속 입자를 이용하여 웨이퍼 위에 얇은 막을 입히지요.

스퍼터링 종류

▲ 스퍼터링 종류

스퍼터링은 초창기에는 DC 전압을 타겟에 걸어서 플라스마에서 얻은 양이온이 타깃에 충돌하도록 하여 금속원자를 얻었습니다.(DC스파터링) 그러나 DC 전압을 이용할 경우 양이온이 타깃에 흡착되는 문제가 발생되었지요. 그래서 라디오파 정도의 주파수로 타겟의 전극을 바꾸어 인가하는 RF스파터링 방식을 적용했습니다. 아르곤 양이온을 중화시킬 수 있었기 때문입니다. 그러다가 자석을 타깃 주위에서 회전시켜 회전자계를 이용하면 전자와 양이온을 타깃 주위로 모이게 하여 아르곤의 양이온을 몇십 배 증가시키는 Magnetron스파터링 방식이 개발되었습니다. 현재는 대부분 자석스파터링 방식을 적용하고 있습니다. 조금 더 복잡한 방식으로는 리엑티브 스퍼터링 방식이 있습니다.

증발(Evaporation)

물리적인 증착 방법으로는 스퍼터링 이외에 증발을 이용한 방식이 있습니다. 증발은 진공상태의 챔버에서 단순히 금속판을 가열하면 높은 열에너지를 얻은 금속 원자가 격자들을 결속하는 에너지 보다 높아졌을 때, 금속 원자가 금속판을 탈출하게 하여 웨이퍼에 증착시키는 방식입니다. 가장 단순한 방식으로써 단일 원소의 물질을 증착할 때 사용하지만, 효율이 높지 않아서 많이 사용되지는 않습니다. 그 외에 전자빔을 이용하여 금속판을 가열하여 열에너지를 얻는 경우를 전자빔 증발법(E-beam Evaporation)이라고 이름을 붙여서 사용하기도 합니다.

알루미늄의 문제점

알루미늄 특성은 구리에 비해 비저항이 높아서(반도체에서는 물질의 고유저항 특성으로는 주로 비저항으로 이야기합니다) 전자의 이동속도가 구리 대비 느리며, 비교적 높지 않은 온도에서 녹아버리는 취약성이 있습니다. 반도체 공정은 최대로 섭씨 1,000도 혹은 1,200도까지도 올려서 형태를 바꾸는 공정들이 있는데, 알루미늄은 최대온도의 절반 정도에서 녹아버립니다. 그러므로 알루미늄으로 금속 배선을 한 후에는 섭씨 600도 이상 올려 다음 공정을 진행하는 것은 무리가 되겠지요. 이는 공정 진행에 대한 제한이 발생되었다는 뜻입니다.

또한 반도체 공정을 모두 진행하여 트랜지스터를 완성한 후 내부 온도가 높아지면, 도로의 아스팔트가 여름에 솟아오르듯 알루미늄으로 금속배선을 한 부분이 솟아오르게 됩니다. (Hill Lock) 또, 솟아오르는 곳이 있으면 푹 꺼지는 부분(Void)이 발생하기도 하지요.

그리고 내부 금속배선에서 전자가 오랫동안 이동하다 보면 이동하는 전자가 알루미늄 원자핵과 지속적으로 충돌하게 되어 일부 알루미늄이 제거되는 부위가 생기고, 이런 현상이 지속되면 결국 배선이 끊어지게 되는 불상사가 발생합니다(Electro-migration). 이를 개선하기 위해 알루미늄에 구리 등 다른 금속을 섞기도 하고, 강한 구조로 형성하기도 하며, 알루미늄 위에 다른 층을 추가로 형성시키기도 합니다. 그래서 알루미늄 대신 구리로 배선물질을 대신하는 다마신 방식으로 발전하게 된 것이지요.

※ 본 칼럼은 반도체/ICT에 관한 인사이트를 제공하는 외부 전문가 칼럼으로, SK하이닉스의 공식 입장과는 다를 수 있습니다.