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제 7장 Al/Cu Metallization

1. Introduction

▢ 중요 이슈

• Interconnects

- Typical current density ~105 A/cm2

- Wires introduce parasitic resistance and

capacitance: RC time delay

• Inter-Metal Dielectric

- Prefer low dielectric constant to reduce

capacitance

• Multilevel Metallization (2-10 levels)

- Reduction in die size

- Higher circuit speed (shorter interconnect distance)

- Flexibility in layout design

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▢ Multilevel Metallization의 주요 구성 요소

• Interconnects

• Contacts: Metal to poly and doped Si

• Vias: Metal to metal contacts

• Intermetal Dielectrics (예, BPSG, Low-k dielectric)

• Passivation (예, PECVD Si Nitride)

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▢ Outline

• Interconnections and Contacts

- RC Time Delay

- Interconnect resistance

- Contact resistance

- Dielectric Capacitance

- Reliability - Electromigration

• Multilevel Metallization

• Surface Planarization Techniques

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▢ Interconnect Requirements

• low ohmic resistance

- interconnects material has low resistivity

• low contact resistance to semiconductor device

• reliable long-term operation

▢ Possible Interconnect Materials

• Metal (Low resistivity): for long interconnects

• Highly doped Poly-Si (medium resistivity): for short

interconnects

• Highly doped diffused regions in Si substrate

(medium resistivity): for short interconnects

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▢ Al 박막 위에 native oxide (Al2O3)의 형성

• 공기에 노출되자마자 실내 온도에서조차 native oxide가 Al 박막 위에 형성 • Native oxide의 문제점:

① contact 저항 증가

② grain boundary에서 Al 에칭 방해

• Al 에칭 전에 Al2O3막을 먼저 제거

• Cl 가스는 Al2O3를 제거하지 못함

• Al2O3 막 제거 방법

① (+) 이온의 energetic bombardment

② 환원 반응 (Bombardment는 환원반응 촉진)

Al2O3 + CClx (x>4) -> AlCl3 + CO

Al2O3 + BClx (x<3) -> AlCl3 + B2O3

▢ Corrosion of Al film

• PSG, BPSG film이 습기를 흡수하면 Phosphoric Acid

(인산: HPO3)가 생성되어 Al corrosion 유발

• Chlorine-base Gas(ex, BCl3, CCl4, Cl2)를 사용하여 Al

을 에칭하는 경우, 에칭 후에 PR에 잔존하고 있던 Cl

residue가 습기와 결합하여 HCl을 생성하여 Al

corrosion을 유발

∴ 에칭 후 웨이퍼를 에칭 chamber로부터 꺼내기 전에

PR를 ashed-away해야 함

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2. Metal Deposition Techniques

• Sputtering (Al, Refractory metal)

- high deposition rate

- capability to deposit complex alloy compositions

- capability to deposit refractory metals

- uniform deposition on large wafers

- capability to clean contact before deposition

• CVD (예, W, TiN, Cu)

- better step coverage

- selective deposition is possible

- can use PECVD for lower deposition temperature

• Eletroplating (예, copper)

- Good step coverage and filling capability

comparable to CVD process (0.25 μm)

- Compatible with low-K dielectrics

- Generally produce strong (111) texture of Cu film

- Produce much larger size grain structure than

any other deposition methods through

self-annealing process

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▢ Metal CVD Process

(1) Tungsten (W)

– used as contact plug, also as first-level metal

– blanket (non-selective) deposition processes:

WF6 + SiH4 -> W + SiF4 + 2HF + H2

WF6 + 3H2 -> W + 6HF

(2) TiN

– used as barrier-metal layer

– deposition processes:

6TiCl4 + 8NH3 -> 6TiN + 24HCl + N2

2TiCl4 + 2NH3 + H2 -> 2TiN + 8HCl

2TiCl4 + N2 + 4H2 -> 2TiN + 8HCl

(3) CVD Cu

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▢ Cu Electroplating

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3. Sputtering Technology

(1) Sputter Deposition의 일반적인 특성

▢ Sputtering Process의 개념도

▢ 이온주입과 sputtering의 차이점

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▢ 공정 조건:

• Base pressure: 5 x 10-4 - 5 x 10-7 Torr

• Working pressure: 1 - 100 m Torr

• Applied voltage: 500 - 5000 V

* 1 기압 = 760 torr = 1.013 x 105 Pa

▢ Sputter Deposition의 장점

• 박막 두께 및 composition의 control 용이

• Step coverage, grain 구조, 스트레스, 접착력 등 박

막의 특성의 조절이 용이

• In-situ cleaning 가능

• Target 교체 없이 많은 run 가능

▢ Sputter Deposition의 단점

• High equipment cost

• 어떤 물질(예, SiO2)의 증착 속도가 지나치게 낮음

• Organic material의 증착 불가능

• Evaporation에 비해 비교적 높은 압력에서의 증착

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(2) Glow Discharge의 특성

• Plasma: 전하를 띤 입자들과 중성입자들의 모임, 단,

(+) 이온과 (-) 이온(전자 포함)의 수는 동일

• Processing plasma: “Glow Discharge" 라 칭함

(a) Glow discharge의 생성

① 단계: 한 개의 자유전자 생성 (cosmic ray에 의한 가

스 분자의 이온화 또는 타겟으로부터의 field emission에

의해)

② 단계: 생성된 전자가 tube 안에 형성된 전장에 의해

가속, 이때 전자의 평균 에너지 = λ비탄성충돌 x E. λ비탄성충돌 ∝ 1/P (ex. @ 0.1 Torr, λ비탄성충돌 = 1.22cm)

③ 단계: 가스 분자의 이온화 에너지보다 더 큰 에너지를

갖고 있는 전자가 비탄성 충돌로 가스분자를 이온화시킴

(예, Ar + e- -> Ar+ + 2e-, 이온화 에너지: 15.7 eV)

④ 단계: ②,③ 단계를 반복하면서 대량의 (+)이온과 전자

생성: gas breakdown

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▢ 탄성 충돌(elastic collision)과 비탄성 충돌(inelastic collision)

① 탄성 충돌: no tranfer of kinetic energy, smaller mean free path (예, @ 0.1 Torr,λ= 0.122 cm in Ar)

② 비탄성 충돌: transfer of kinetic energy, larger mean free path (예, @ 0.1 Torr,λ= 1.22 cm in Ar)

▢ Ar의 비탄성 충돌에 의한 반응 ① Etransfer < 11.5 eV : 가스분자의 운동 에너지 증가

② 11.5 < Etransfer < 15.7 eV : 여기 및 빛 발생

e- * + Ar -> Ar* + e-, Ar* -> Ar + hν

③ Etransfer > 15.7 eV : 이온화 (ionization) 발생 e-* + Ar -> Ar+ + 2e--

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(b) Self-sustaining Glow Discharge

▢ (-) 전극에서의 surface bombardment

- (+)이온들이 cathode dark 영역에 형성된 강한 전장으로부터 가속

- (-)전극에 있는 target과 충돌하여 sputtering 발생

- target으로부터 이차전자 방출

▢ Cathode Dark(Sheath) Space 영역

- (-)전극으로부터 방출된 이차전자들은 질량이 작아 빠른 속도로 (+)

전극 방향으로 이동

- (+)가스이온은 질량이 커 느린 속도로 (-) 전극으로 이동

- (+)이온들의 수 >> 전자들의 수 (그러나 n+D+ = n•D• )

- 낮은 전자농도로 인하여 저항이 높아 대부분 전압이 이 영역에 걸림

- 대부분의 전자들이 높은 운동에너지를 갖고 있기 때문에 가스분자와

비탄성 충돌 시 이온화 현상이 발생하며, 따라서 빛은 발생 안 됨

- 대부분의 plasma는 이 영역에서 생성

▢ Negative Glow 영역

- 전자들이 Cathode Dark Space 영역을 통과하면서 이미 상당한 에

너지를 잃은 상태

- 이 영역에는 전장이 약하여 전자들이 큰 에너지를 얻지 못 함

- 주로 여기 발생, 그러므로 많은 빛이 방출

▢ Faraday Dark Space 영역

- 전자들이 이 영역에 도달하면 운동에너지가 최저점에 도달, 따라서 여기조차 일어나지 않으며 빛도 방출되지 않음

▢ Positive Column 영역

- 전자들이 약간의 운동에너지를 갖고서 이 영역에 도달하며, 따라서

여기가 발생하고 다시 빛이 방출됨

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(c) Obstructed Glow Discharges

• 대부분의 plasma가 cathode dark space 영역에서, 나

머지 일부는 negative glow 영역에서 생성됨으로, 다른

영역들은 불필요

• (+)전극을 (-)전극 쪽으로 점차 이동시키면 처음에는

positive column 영역이, 다음에는 faraday dark 영역이

사라지고, 그 후에 negative glow 영역이 상당 부분 사

라지면 glow discharge가 멈추게 되며, 이 때 인가한 전

압을 높이면 다시 glow discharge가 시작됨, 이러한 경

우의 glow discharge를 “obstructed glow" 라고 부름

• 현재 대부분의 sputtering 시스템은 이러한

”obstructed glow"를 사용하고 있는데 이는 웨이퍼와

target 사이의 거리 (현재, 5-10cm)를 좁혀서 방출되는

금속 분자를 웨이퍼가 효과적으로 수집하도록 하기 위함

▢ Self-sustaining glow discharge

(+)이온과

중성이온이

target과 충돌하여

이차전자 생성

이차전자이

가스분자와

충돌하여 (+)이온과

중성이온 생성

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(3) Physics of Sputtering

(a) Billiard Ball Model of Sputtering

▢ Bombard 파티클의 에너지 크기에 따라 나타나는

현상

① E < 5 eV : reflection or physisorption

② Ebinding (= 5-10 eV) < E : surface damage/migration

③ Ebinding << E < 10 keV : sputtering

④ E > 10 keV : ion implantation

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(b) Sputtering Yield

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(4) Radio-Frenquency (RF) Sputtering

(a) DC glow discharge의 단점

• Target이 절연체인 경우 이차전자가 target으로부터 방

출됨에 따라 (+) 전하가 절연체의 표면에 축적되어

sputtering이 1- 10 μs 이내에 멈춤

• Target이 metal인 경우도 표면에 native oxide가 덮여

있으면 같은 문제 발생

(b) RF Sputtering

• Negative cycling 동안 target 표면에 축적되었던 (+)

전하는positive cycling 동안 전자에 의해 제거됨으로, 적

어도 1-10 μs 이내에 bias의 극이 바뀌어야 함

• 즉, rf의 frequency는 100 kHz -1 MHz 이상이어야 하

며, 일반적으로 13.56 MHz를 사용

• rf sputtering에서는 대부분의 전자들이 half cycling

동안 전극에 도달하지 못함으로 tube 내에서 oscillation

하며, 그동안, 이들은 plasma에 걸려있는 weak electric

field에 의해 충분한 에너지를 얻어서 계속해서 가스분자

들을 이온화시킴

• 따라서, DC sputtering에 비해서 낮은 기압에서도

sputtering이 가능

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(c) rf sputtering 시의 self-bias

• 처음에 rf signal이 target에 인가되면 (+) cycling 동안

은 전자들이, (-) cycling 동안은 (+) 이온들이 target으로

와서 충돌

• 그런데, 전자들의 이동속도가 (+) 이온들보다 월등히 빠

르므로 처음 rf가 인가되면서 전자들이 target 표면에 축

적되기 시작하다가 점차 그 양이 포화됨

• 이러한 전자의 축적으로 인하여 target에 (-) DC 전압

이 인가되는데 이를 “self- DC bias" 라고 함

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▢ Time-averaged potential versus distance plot

(for a capacitively coupled planar rf glow discharge

system with wall area much a greater than cathode

electrode area)

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▢ rf glow discharge system에서의 전위 분포도

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▢ Impedance matching network/ block capacitor

• Target 물질이 도체인 경우 dc self-bias가 ground 되

는 것을 방지하기 위하여 blocking capacitor가 필요

• rf generator로부터 최대 에너지가 discharge에 전달

되도록 하기 위해서는 impedance matching이 이루어져

야 함

• 일반적으로 rf generator의 output impedance는

purely resistive이고 discharge는 partially capacitive

impedance를 갖고 있음

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(5) Bias Sputtering

• Sputtering 하는 동안 Si 기판에 dc 또는 rf 전압을 인

가하여 Si 기판의 전위를 정확히 통제할 필요 있음

• Sputtering 하는 동안 Si 기판에 인가한 전압을 알맞게

조절하여 증착하는 박막의 특성(예, step coverage,

stress, reflectivity, grain size, hardness, resistivity,

surface roughness)을 조절

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(6) Magnetron Sputtering

• DC 및 rf diode sputtering의 경우 대부분의 이차전

자들은 Ar 분자들을 이온화시키는데 참여하지 않고, (+)

전극과 wafer에 흡수됨

• 그러 나 magnetron sputtering의 경우에는 그 전자들

negative dark 영역에 가두어둠으로써 많은 전자들이

Ar 분자들의 이온화에 참여하도록 함

• Lorentz Force: F = q ( E + v x B )

• 만일 자장만 있는 경우는 전자는 Lorentz force에 의해

원을 그리며 회전(electron cyclotron)

회전반지름, r =

∴ r (electron) = 3.37 x [E1/2 (eV)/ B(gauss)]

r (Ar+) = 9.11 x 102 x [E1/2 (eV)/ B(gauss)]

※ Ar+ 이온의 회전반지름은 지나치게 커서 거의 직선

으로 이동, 그러므로 자장은 Ar+ 이온의 움직임에 거의

영향을 주지 않음

• 자장과 전장이 동시에 있는 경우에는, ×

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▢ Magnetron Electrode Designs

① Planar Magnetron

② Circular Magnetron

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▢ Basic Configurations of Sputtering Systems

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(7) 공정시 고려해야 할 사항 ▢ 금속 박막의 바람직한 특성들

• 정확한 평균 박막 두께

• 5% 이내의 두께 편차

• 낮은 저항

• 5% 이내의 저항 편차

• Good Step Coverage (50% 이상)

• 빛의 반사력 제어 용이

• Electromigration에 대한 저항력

• 낮은 contact 저항

• Hillock 형성에 대한 높은 저항력

• Grain 크기 제어 용이

• Alloy 증착 용이

• 낮은 박막 stress

• Wire-bonding을 위한 경도제어 용이

▢ Wafer Heating

• Sputtering하는 동안 높은 전자들의 충돌과 sputtering

된 금속 분자들의 충돌로 인하여 기판의 온도가 상승 (증

착속도가 높을 때는 100℃까지 상승)

• Magnetron sputtering의 경우 인가된 전압이 낮아 온

도 상승도 작음

▢ Alloy의 증착

• multiple target으로부터 co-sputtering을 하든지, 또

multi -component target을 이용하여 증착

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(8) Step Coverage

▢ Step Coverage Issues

▢ Step Coverage Problems with PVD

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▢ Methods to Minimize Step Coverage Problems

① Rotate + Tilt substrate during deposition

② Elevate substrate temperature (to enhance

surface diffusion): 알루미늄의 경우 250℃ 이상

③ Use large-area deposition source

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4. Thermal Evaporation Deposition

(1) Resistive Heating • Simple, inexpensive, but contamination from the heater and limited film thickness due to small charge

(2) Inductive Heating• High deposition rate, but contamination from the crucible

(3) Electron Beam Evaporation• Little contamination, but x-ray damage. P = 10-6 Torr

* Evaporation을 사용하여 multi-component alloy 증착은 곤란

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5. Reflow of Al

• A planarization method that does involve Al as a

contact or via material is reflow.

• Wafer is heated at 450-550°C to help fill contact

or via and planarize structure. Driving force for

reflow is surface energy reduction.

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6. Copper Metallization

(1) Why Copper ?

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(2) Solutions to Problems in Cu Metallization

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(3) Barriers/Liners alloy

• 천이금속(예, Pd, Cr, Ti, Co, Ni, Pt)들은 450°C

이하에서 Cu와 화학 반응이 잘 되어 barrier 특성이 나빠

사용 불가.

• 천이금속 합금(예, TiW)은 amorphous 상태로 증착되면

사용 가능 (stable up to 500°C)

• 천이금속 화합물(예, TiN, TaN, WN)은 광범위하게

사용되고 있음.

• Amorphous ternary alloys: Very stable due to high

crystallization temperatures (i.e.,

Ta36S14,N50, Ti34Si23N43)

• Currently PVD (sputtering/evaporation is used

primarily to deposit the barrier/liner, however,

step coverage is a problem. ALD is being developed

for barrier/liner application.

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(4) Copper Damascene Process

① Single Damascene Process

- Oxide Deposition

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- Copper is deposited or electroplated (barrier metal used

for electroplating seed)

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② Dual-Damascene Process

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▢ CMP (Chemical Mechanical Polishing) 장치