반도체는 전기가 통하는 ‘도체’와 전기가 통하지 않는 ‘부도체’의 특성을 모두 가지고 있습니다. 순수한 규소에 불순물을 넣는 이온주입공정(Ion Implantation)을 통해 전도성을 갖게 된 반도체는 필요에 따라 전기가 흐르게, 또는 흐르지 않게 조절할 수 있습니다.

포토, 식각, 이온주입, 증착 공정을 반복하면 웨이퍼 위에 수많은 반도체 회로가 만들어집니다. 이 회로가 동작하기 위해서는 외부에서 전기적 신호를 가해주어야 하는데요. 신호가 잘 전달되도록 반도체 회로 패턴에 따라 전기길(금속선)을 연결하는 작업을 금속 배선 공정이라고 합니다.

전기길을 연결하는 금속 배선 공정

금속 배선 공정은 전기가 잘 통하는 금속의 성질을 이용합니다. 반도체의 회로 패턴을 따라 금속선(Metal Line)을 이어주는 과정인데요. 하지만 금속 배선 공정에 모든 금속을 사용할 수 있는 것은 아닙니다. 반도체에 들어가는 금속 재료는 다음과 같은 조건을 갖추어야 합니다.

위 조건을 충족시키는 대표적인 금속에는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 텅스텐(W) 등이 있습니다. 그렇다면 실제 금속 배선 공정은 어떻게 이루어질까요?

대표적인 반도체용 금속 배선 재료로는 알루미늄(Al)이 있습니다. 산화막(Silicon Dioxide)과의 부착성이 좋고 가공성이 뛰어나기 때문입니다.

하지만 알루미늄(Al)은 실리콘(Si)과 만나면 서로 섞이려는 성질을 가지고 있습니다. 이 때문에 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미늄 배선 과정에서 접합면이 파괴되는 현상이 생길 수 있습니다. 이러한 현상을 방지하기 위해 알루미늄과 웨이퍼 접합면 사이에 장벽(Barrier) 역할을 하는 금속을 증착하는데, 이를 베리어 메탈(Barrier Metal)이라고 합니다. 이중으로 박막을 형성해 접합면이 파괴되는 것을 막을 수 있습니다.

금속 배선 역시 증착을 통해 이루어집니다. 금속을 진공 챔버에 넣고 낮은 압력에서 끓이거나 전기적 충격을 주면 금속은 증기 상태가 됩니다. 이때 웨이퍼를 진공 챔버에 넣으면 얇은 금속막이 형성됩니다.

반도체 공정이 점점 미세화되며 반도체 공정은 꾸준한 연구 개발로 변화를 거듭하고 있습니다. 금속 배선 공정에서도 좁은 영역에 균일한 박막을 형성시키기 위해 화학적 기상증착(CVD)으로의 전환이 이루어지고 있습니다.

‘8대 공정’ ‘8대공정’

지금까지 하나의 반도체를 만들기 위해 웨이퍼를 제조하고 회로 패턴을 설계해 가공하는 과정을 알려드렸습니다. 다음 시간에는 이러한 과정을 거쳐 완벽한 반도체 제품으로 탄생하기 위한 마지막 단계인 테스트와 패키지에 대해 살펴보겠습니다.

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이러한 성질을 적절히 이용하여 여러 가지 전기적 특성을 가진 기본 소자들을 만들게 됩니다. 그런데 이 기본 소자들을 동작시키기 위해서는 외부에서 에너지원인 전기적 신호를 가해 주어야 하는데요, 예를 들어, 케이블TV를 시청하기 위해서는 콘센트에 전원코드를 꽂고, 신호 케이블을 단자함에 연결해야 하는 것과 같습니다. 우리가 쓰는 반도체 제품에는 수 많은 기본 소자가 들어 있는데, 이 소자들을 동작시키고 각각의 신호가 섞이지 않고, 잘 전달되도록 선을 연결하는 작업을 금속 배선 공정(Metal interconnect)이라고 합니다. 이번 시간에는 이에 대해 알아보도록 하겠습니다.

■ 금속으로 통하였느냐? 반도체로 거듭나기 위한 마지막 공정, 금속 배선 공정

금속 배선 공정(Metal Interconnect)이란, 말 그대로 전기가 잘 통하는 금속의 성질을 이용합니다. 반도체의 회로패턴을 따라 전기길, 즉 금속선(Metal Line)을 이어 주는 과정을 금속 배선 공정이라고 합니다.

그렇다면 모든 종류의 금속들이 반도체의 금속 배선 공정에 사용될까요? 반도체에 들어가는 금속 재료는 다음과 같은 필요조건을 만족해야 합니다.

위의 조건을 충족시키며, 반도체 제조 공정에 쓰이는 대표적인 금속에는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 텅스텐(W) 등이 있습니다. 그럼, 실제 금속 배선 공정(Metal Interconnect)은 어떻게 이루어지는지 알아보도록 하겠습니다.

■ 반도체용 금속 배선 재료의 대표주자, 알루미늄(Al)과 텅스텐(W)

대표적인 반도체용 금속 배선 재료인 알루미늄(Al)은 실리콘 산화막(Silicon Dioxide)과 부착성도 좋고 가공성도 뛰어나다는 장점이 있습니다.

그러나, 알루미늄(Al)과 실리콘(Si)이 만나면 계면에서 섞이려는 성질이 있는데요, 이 때문에 실리콘으로 만들어진 반도체 웨이퍼의 경우, 알루미늄 배선 공정에서 접합면이 파괴되는 현상이 생길 수 있습니다. 이러한 현상을 방지하기 위해 두 접합면 사이 장벽(Barrier)에 해당하는 금속을 증착하는 과정이 더해지게 되는데, 이를 베리어 메탈(Barrier Metal)이라고 합니다. 이는 이중으로 박막을 형성해 접합면이 파괴되는 것을 막습니다.

이 후 알루미늄 배선은 증착을 통해 이루어지는데, 알루미늄 괴를 진공 챔버에 넣어 감압 하에서 끓이면 알루미늄이 입자상태로 진공 챔버 안이 가득 채워집니다. 이 때, 웨이퍼를 진공 챔버에 넣어 통과시키면 알루미늄의 입자가 박막을 형성해 부착되게 됩니다. 고진공 상태에서 알루미늄을 증기화하여 부착시키기 때문에 이 공정을 진공증착(evaporator)이라고 합니다. 근래에는 플라즈마를 이용한 물리적 기상 증착 방법 (sputtering)도 많이 사용하고 있습니다.

기본 소자와 금속 배선의 연결 부분을 접점(contact)이라고 하는데요, 접점의 크기가 작아서 좁은 hole 형상을 가지게 되면 좁은 공간을 금속으로 채우기가 어려워 집니다. 이럴 경우, 알루미늄 보다는 텅스텐을 많이 사용하는데요, 이 때 보다 균일하게 박막을 형성해 부착시키기 위해 진공증착 보다는 화학적 기상증착 방법(CVD)을 통해 금속 배선 공정이 이루어지게 됩니다.

반도체 산업이 발전함에 따라 8대 공정 역시 꾸준한 연구 및 개발로 변화를 거듭하고 있습니다. 이번 시간에 소개해 드린 금속 배선 공정(Metal interconnect) 역시 반도체의 크기가 점차 작아짐에 따라 좁은 영역에도 금속을 잘 채우기 위해, 진공증착 (evaporator)에서 화학적 기상 증착(CVD)으로 전환이 이루어지고 있습니다. 또한, 최근에는 이전의 도전재료(Al, W)보다 가격은 저렴하고 전도성은 더욱 우수한 구리(Cu)가 첨단 메모리, CPU 및 Logic 제품에 상용화되고 있습니다.

지금까지 하나의 반도체를 만들기 위해 웨이퍼를 제조하고, 회로 패턴을 설계해 웨이퍼에 가공하는 복잡한 과정을 알려 드렸습니다. 다음 시간은 반도체 제조 공정의 마지막 단계로 하나의 완벽한 반도체 제품으로 탄생하기 위한 마지막 단계인 TEST와 PACKAGE 과정을 소개해 드리겠습니다.

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