반도체 8대공정 4탄, 박막(Thin Film)증착(Deposition)공정 개념정리

반도체 8대공정 4탄, 박막(Thin Film)증착(Deposition)공정 개념정리

 

 

 

 

웨이퍼 공정을 통해 탄생한 웨이퍼는 전기적 특성이 없습니다. 이 웨이퍼에 전기적 특성을 입히는 공정을 박막(Thin Film)증착(Deposition)공정이라고 합니다. Deposition은 크게 2가지 방식으로 분류할 수 있습니다. PVD(Physical Vapor Deposition)와 CVD(Chemical Vapor Deposition)입니다. 최신 반도체공정에서는 CVD가 주로 활용되고 있는데 그 이유는 PVD보다 표면접착력이 10배나 높고 활용도가 높은 장점이 있기 때문입니다.

저는 우선 PVD 방식부터 정리하도록 하겠습니다.

 

 

 

 

 

- PVD(Physical Vapor Deposition)

1. Thermal Evaporation

 

Thermal Evaporation은 Vacuum state에서 Deposition하고자 하는 물질에 열을 가해 증발시켜 웨이퍼 표면에 박막을 입히는 방식입니다. 하지만 증발한 물질은 고루 diffused 하지 않고 Isotropic하게 diffused 되므로 Step Coverage가 좋지 않습니다.

 

 

 

 

 

 

 

* Step Coverage : Hole이나 Gap 측벽면에 Deposition이 균일한 정도

 

 

 

 

 

 

 

2. E-beam Evaporation

 

이전 방식과 동일하지만 Deposition하고자 하는 물질에 열 대신 E-beam을 가해 증발시키는 차이가 있습니다. 이때, 높은 에너지의 E-beam을 통해 플라즈마 상태로 만든 후 DC전압을 인가하는 방식으로 Step Coverage를 개선할 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

 

3. Sputtering

 

Vaccum state에서 Substrate는 +극을, Target에는 -극을 걸어준 후 비활성 Ar 가스를 주입합니다. 그 후 전압을 인가하면 +극으로 가속하는 전자와 Ar 원자가 충돌하면서 Ar+로 활성이 됩니다. 이 Ar+는 Target이 있는 -극으로 이동하여 Target과 충돌합니다. 그 결과 Target에 있는 원자들이 방출되어 +극에 있는 Substrate에 Deposition되는 방식입니다.

 

 

 

 

 

 

 

- CVD(Chemical Vapor Deposition)

 

 

CVD란 기체 상태의 화학적 성분들이 기판 위에서 화학 반응에 의해 박막을 형성하는 공정을 의미합니다. CVD 특징을 살펴보면 다음과 같습니다. Thin Film의 두께를 조절할 수 있고 Step Coverage가 좋고 PVD 대비 공정비용이 낮아서 대량 생산이 가능하다는 장점이 있습니다. 또한 여러 종류의 원소 및 화합물을 증착할 수 있으며 융점이 높아 제조하기 어려운 재료도 화학반응을 통해 융점보다 낮은 온도에서 용이하게 제조가 가능합니다.

 

CVD Basic Process를 위 사진을 통해 정리하도록 하겠습니다. 반응기체가 확산에 의해 전달되어(Diffusion) 표면에 흡착되고(Absorption) 그에 따라 표면 반응이 일어나고 이동하게 됩니다(Surface reaction & migration). 이 과정을 통해 생성된 부산물은 탈착되어(Desorption) 제거됩니다. CVD는 열에 의한 것과 플라즈마에 의한 것으로 나눌 수 있습니다. 지금부터 자세히 CVD 세부공정에 대해 정리하도록 하겠습니다.

 

 

 

 

 

 

 

1. APCVD(Atmospheric Pressure CVD)

APCVD는 초기 CVD 공정방식으로 대기압 상태에서 Deposition을 진행했습니다. CVD에서는 Pressure가 클수록 Throughput이 좋고 간단한 반응기 구조인 장점이 있습니다. 하지만 진공도가 낮아서 가스 분자 간 충돌이 많고 그로인해 Step Coverage 특성이 나빠서 현재는 사용하지 않는 방식입니다.

 

2. LPCVD(Low Pressure CVD)

Pressure를 APCVD보다 1/100 가량 낮춘 방식이 LPCVD로 이전 방식 대비 Step Coverage가 우수하다는 장점이 있습니다. Pressure가 1/100 가량 낮아진 문제점은 온도를 APCVD 보다 2배 높게 하여 Throughput 문제를 보완했습니다. 하지만 1000도에 달하는 온도는 집적도가 높아진 트랜지스터 상부에 위치한 IMD와 같은 층 밑에 있는 메탈라인을 녹일 만큼 높은 온도입니다. 그래서 저온 고진공 상태에서 우수한 Step Coverage를 가지며 Throughput이 좋은 CVD 방식을 개발해야했습니다. 바로 플라즈마 에너지를 이용한 PECVD입니다.

 

 

 

 

 

 

3. PECVD(Plasma Enhanced CVD)

PECVD는 다음과 같은 방식으로 진행합니다. 반응기체를 Chamber안에 주입하고 플라즈마 상태로 바꾸기 위해 높은 전압을 수직으로 걸어줍니다. 플라즈마 상태로 이온화된 기체들은 서로 화학반응을 하여 원하는 물질은 Deposition되고 나머지는 결합하여 Chamber 밖으로 빠져나가는 방식입니다. PECVD의 장점은 저온공정임에도 불구하고 Throughput이 좋습니다. 하지만 Step Coverage 문제가 발생한다는 단점이 있습니다.

 

4. HDPCVD(High Density Plasma CVD)

PECVD의 Step Coverage를 개선한 방식이 바로 HDPCVD입니다. 따라서 최신 공정에서는 HDPCVD를 주로 사용하고 있고 PECVD는 Thin Film의 질이 상대적으로 낮아도 괜찮은 부분에만 국부적으로 사용하고 있습니다. HDPCVD의 원리는 고밀도의 플라즈마를 통해 Etching과 Deposition을 번갈아서 반복하므로 Void와 같은 Defect 발생확률을 낮춥니다.

 

 

 

 

 

 

5. ALCVD(Atomic Layer CVD)

마지막으로 ALCVD에 대해 정리하겠습니다. ALD라고도 불리는데요, PVD와 CVD보다 advanced한 공정이라고 할 수 있습니다. 그 이유는 저온공정으로 더욱 얇은 막을 형성할 수 있고 Step Coverage와 Uniformity가 가장 좋습니다. ALD의 유일한 단점인 Throughput 문제를 개선하기 위해 플라즈마를 이용한 PEALD 방식을 활용하는 추세입니다. 위 사진은 Al2O3를 Deposition하는 과정입니다. 공정 Step은 4단계로 분류할 수 있습니다. 표면흡착, 치환, 신규막 생성, 가스배출 순으로 공정이 이루어집니다.

 

 

 

 

<출처 : ALD Atomic Layer Deposition - Thin Films and Nanotechnology by Warsash Scientific>