3.8 Back End 공정

3.8.1 상호 연결 

 > 반도체 소자는 금속선에 의해서 서로 연결되어 있어야 한다. 

 

 > 전압과 전류를 공급받거나 전기 신호를 전달하기 위해서 금속선을 연결해 주는 공정을 Metalization이라고 한다. 

 

 > 반도체 Chip 기술이 고도화되면서 일반적으로 다층 금속 구조를 채택하고 있다. 

 

 > 인접한 금속층은 서로 Short가 나면 안되기 때문에 유전체 층에 의해 분리되어 있다. 

 

 > Metalization 금속은 초기에는 Al이 많이 쓰였다. 

 

 > Al은 높은 비저항을 갖지만 EM(Electromigration) 신뢰성 문제를 갖는다. 

 

 > 접압이 가해지면서 전기장 방향에 따라서 Al 원자들이 이동하게 되면서 빈자리가 만들어지는 Void나 원자들이 이동해서 한 부분에 혹처럼 튀어나오는 Hilcock을 유발하는 불량이다.

 

 > 그 결과로 금속선을 저항을 증가 시키거나 끊어지게 할 수 있다. 

 

 > 대체제로 Cu가 도입되었다.

 

 > Al보다 EM에 대한 신뢰성이 좋고 더 낮은 저항을 갖는다. 

 

 > Cu는 도금과 CVD에 증착될 수 있다. 

 

 > 단, Cu는 Dry Etching이 어렵기 때문에 Damascene 공정에 의해 만들어진다. 

 

 > Damasnce공정은 Photolithography로 Pattern을 형성하고 그 위에 Cu Depo 한 후 CMP 공정으로 Polishing을 하고 PR을 날려주면 Pattern 된 Cu를 만들 수 있다.

 

 > Cu는 유전체에서 빠르게 확산하기 때문에 TiN과 같은 물질을 유전체 사이에 증착한다. 

 

 > 금속층 사이에 낀 유전체는 일반적으로 SiO2가 사용되지만, 경유에 따라서 유전률이 낮은 low-k 물질이 사용되고는 한다. 

 

 > 유전 상수 k가 낮아야 Capacitance가 작다. (C = k(면적/사이 거리))

 

 > Capacitance가 높으면 RC Delay를 증가시켜 회로 속도를 저하시키고 전력 소모를 높이며 이웃하는 도체 선 사이의 혼선을 가져온다. 

 

 > 이렇게 Metal Line 및 Metal Contact을 만드는 공정을 Process는 Back End Process라고 한다. 

 

그림 1. Damascene

 

3.8.1 Metalization

 

•Semiconductor devices require metal interconnects for voltage, current supply, and signal transmission.

 

•The process of connecting metal lines for these purposes is called metalization.

 

•Advanced semiconductor chips generally use multi-level metal structures.

 

•Adjacent metal layers are separated by dielectric layers to prevent shorts.

 

•Aluminum (Al) was initially common for metalization.

 

•Al has higher resistance and is prone to Electromigration (EM) reliability issues.

 

•Electromigration involves Al atoms moving in response to electric fields, creating voids and hillocks.

 

•This can increase resistance or cause wire failure.

 

•Copper (Cu) was introduced as an alternative.

 

•Cu has better EM reliability than Al and lower resistance.

 

•Cu can be deposited by plating or CVD.

 

•However, Cu is challenging to etch using dry processes, leading to the Damascene process.

 

•Damascene involves forming patterns with photolithography, depositing Cu, CMP polishing, and removing the resist.

 

•Cu diffuses rapidly in dielectrics, so materials like TiN are deposited between Cu layers.

 

•Dielectric materials between metal layers are typically SiO2, or low-k materials with lower dielectric constants for

reduced capacitance.

 

•Lower dielectric constant (k) reduces capacitance, which affects RC delay, power consumption, and crosstalk.

 

•The process of creating metal lines and metal contacts is part of the Back End Process.

 

Figure 1. Damascene

 

Reference 

-. Chenming Calvin Hu, Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits, PEARSON(2013)