[4일차] Part 2. 반도체 공정 (박막 공정)

 

박막증착 공정

 

1. 박막 증착 공정 개요

2. CVD

3. ALD

4. PVD

 

1. 박막 증착 공정 개요

1) 박막 증착 공정 정의 및 분류

- 박막은 통상 두께 1㎛ 이하의 막

- 원자 단위(Å)기 때문에 Thin film!

 

박막 증착 공정은 증착되는 물질의 상태에 따라 기상, 액체 상태로 나눌 수 있음.

기상상태는 PVD, CVD가 있고, PVD에는 스퍼터링이 주로 쓰임.

CVD는 상압, 저압, 플라즈마강화, 금속유기물(디스플레이), 원자층 증착이 있음.

액체상태는 도금(금속배선공정) - 무전해, 전해 / 졸, 겔 - 회전도포, 침액, 분사 (거의 X)

 

2) 박막 공정 주요 변수

① 종횡비 Aspect Ratio (hight/width)

- High Aspect Ratio(HAR) -> 피복(Step coverage) 능력 저하

② 피복능력 Step Coverage

- 측면 S.C = b/a

- 기저부 S.C = c/a

- 영향 인자

◆ 고착 계수 (Sticking cofficient) Sc

- 한 개의 원자나 분자가 기판 표면과 한 번의 충돌을 통해 기판 표면의 원자와 결합하여 화학 흡착이 될 확률 (물질의 고유 특성)

- 표면 이동도 (Surface Mobility) -> 증착 입자 에너지, 기판 온도 등

- 고착 계수 ↑ -> 표면 이동도 ↓ -> Step coverage ↓

1. 바로 흡착! -> 안쪽에 증착이 안됨.

◆ 도달 각도 (Arrival angle)

- 공정 압력 High -> MFP ↓ -> 등방성 -> (c)

- 공정 압력 low -> MFP ↑ -> 직진성 ↑ -> 그림자 효과 -> (b)

- 공정 압력 low & 표면 이동도 높으면 conformal 한 박막!

 

 

- 피복 능력 저하 시 역 돌출 현상에 의한 구조물간 공극(Void) 발생 문제!

 

③ 기타 변수

- 증착속도 deposition rate (nm/분)

- 균일도 uniformity 증착속도, 두께

- 접착력 adhesion

- 박막 응력 stress

* 압축 응력(Compressive):CTE 작을 때 -> 음의 곡률 (Concave) => Hillock

* 인장응력(Tensile) :CTE 클 때 -> 양의 공률 (Convex) => Void

=> 어떻게 줄일지!

 

 

2. CVD

1) 화학 기상 증착 공정 정의

전구체라고 부르는 기체 상태의 분자를 기판 표면에 고체 상태의 필름 형태로 변환시키는 화학 반응

* 전구체 Precursor : 증착하고자 하는 물질을 포함하는 반응 가스

 

ex) 열 분해 반응, 수소 환원 반응, 산화 반응, 환원 반응, 암모니아 반응

 

2) CVD 원리

물질 전달 (공급) + 반응 (표면반응)

고온에서는 물질전달이 전체 반응 속도를 결정!

저온에서는 표면반응이 전체 반응 속도를 결정!

 

#1 반응 가스가 대류에 의해 증착 영역으로 이동

#2 웨이퍼 표면의 경계층을 통해 반응 가스의 확산, 이동

=> 동종반응 방지(Homogenous reaction) - 이물질로 작용 (온도, 압력 제어!)

 

#3 웨이퍼 표면에 반응물이 흡착

#4 표면 반응 - 분해, 반응, 이동, 고착 (핵 -> 섬 -> 박막)

#5 웨이퍼 표면에서의 부산물의 탈착(기체)

=> 이종 반응 필수 Heterogeneous reaction - 웨이퍼 상에서 반응해야함!

 

#6 경계층을 통해 부산물의 확산, 이동

#7 대류에 의해 증착 영역세어 부산물의 배기

 

3) 열 화학적 기상 증착 Thermal CVD

① 상압(AP) CVD

- 400~500℃, 대기압 (760Torr)

- 저온 → 막질이 ↓, 증착 속도↓, 처리량 ↓

- 고온 → 물질 전달 영역 → 가스 제어 → 웨이퍼 수평 로딩 → 처리량 ↓

 

- 장점 : 증착 속도 (LPCVD 대비) ↑ , 설비 구조 단순(진공, 플라즈마 필요X)

- 단점 : 생산성↓, 균일도↓, 불순물 농도↑ , Step coverage↓

- 거의 사용 X

 

② 저압(LP) CVD

- APCVD 단점 보완

- 저압 (0.1~10Torr) → 증착속도 ↓, 고온(750~900℃)

- 고온/저압 증착 => 막질↑, MFP↑ → Step Coverage ↑

 

4) PECVD

- 열 에너지가 아닌 반응 가스를 플라즈마 상태의 활성종을 이용하여 증착

- 0.1~5Torr, 200~400℃ 저압, 저온에서 진행

- 장점:저온 층착, 빠른 증착 속도

- 단점: 불균일한 증착 특성 (플라즈마 균일도!)

 

3. 원자층 증착 ALD

1) ALD 정의 및 특징

- 화학 흡착을 통한 원자 층 수준의 박막 증착 공정

- 전구체가 동시에 주입되지 않고 각 반 주기 동안 별도로 주입됨

 

- 장점

· 자체 제한 박막 증착 Self limited reaction

· 정교한 두께 조절 가능

· 우수한 Step Coverage

· 저온 증착 특성

 

- 단점

· 낮은 증착 속도

 

2) ALD 원리

 

3) ALD 응용

- 고 종횡비 구조 (High Aspect Ratio)에 얇고 피복 능력이 우수한 박막 증착 공정에 응용

 

① SAQP 산화막 증착 : PR위에 산화막 증착하여 spacer => PR은 녹는점이 낮아서 낮은 온도에서 박막을 만들어야

② DRAM 정전용량 (고 유전율막 증착) - HAR

③ FinFET 게이트 산화막 (고 유전율막 증착)

 

4) ALD 특성

- 온도에 대한 특성 (사이클 당 성장 속도)

· 낮은 온도

- 낮은 성장 속도 :전구체의 낮은 반응성

- 높은 성장 속도 : 전구체의 응축

 

· 적정 온도 - ALD 공정 윈도우

· 높은 온도

- 높은 성장 속도: 전구체의 분해-> CVD

- 낮은 성장 속도 : 전구체의 탈착

 

◆ 해결책! (증착 속도 개선)

- 매엽식 Single wafer -> 일괄 처리식 Batch

- 반응성 높게 -> PE-ALD

- 시분할(Time divided ALD) 이 아닌 공간 분할로 (Space divided ALD)

 

5) ALD vs CVD

	ALD	CVD
전구체 주입	시간에 따라 순차적으로	모든 전구체 동시에
열분해	열분해 되지 않아야 함	공정 온도에서 열분해 됨
반응성	매우 높아야 함	온도를 올려주면 되므로 낮아도 무방함
가스의 유량 제어	자기 제한 특성으로 정확히 제어하지 않아도 무방	세밀히 제어해야 함
챔버 크기	퍼지 시간을 짧게 하기 위해 챔버의 크기를 가능한 작게	상대적으로 큼

 

4. PVD

- 주로 금속 증착

 

1) 진공 증착 Evaporation

- 열 에너지/전자빔 등 -> 금속 소스 가열 -> 기체 상태 증발 -> 기판 응축 -> 박막 증착

- 고진공 -> 입자 직진성 -> 그림자 효과 발생 -> 피복 능력 ↓

- 고융점 금속 및 합금 증착 어려움

- 현재 반도체 거의 사용 X

 

2) 스퍼터링 Sputtering 증착 - DC 스퍼터링

음전압(-) 쪽에 타겟(Al, Cu), 양극 쪽에 웨이퍼

- 아르곤 가스 주입 + 고전기장 -> 플라즈마 생성

- 진공 증착 대비 고압 (~100mTorr) -> 직진성을 낮춰서 충돌에 의한 피복 능력 개선 Step coverage

- 플라즈마 내 Ar+ -> 원재료와 충돌 -> 원재료 스퍼터링 -> 입자 떨어져나와 웨이퍼에 증착

- 원재료로부터 2차 전자 발생 -> 이온화 참여 (플라즈마 형성에 도움)

- 원재료의 크기 > 웨이퍼 크기 => 증착 균일도 Uniformity 증가

 

 

 

3) 스퍼터링 수율

- 1개 입사 이온(충돌)에 대하여 원재료에서 떨어져 나오는 원자의 수

- 이온화 에너지, 기판 물질의 결합 에너지, 입사 각도(비스듬히)

- 1eV까지는 선형적으로 증가

- 매우 높은 E -> 수율 감소 (이온 주입이 되어 버림)

 

4) DC 마그네트론 스퍼터링 Magnetron Sputtering

- DC 스퍼터링 -> 스퍼터링 효율 ↓ -> 증착 속도 ↓ (많이 못 씀 -> 자석의 힘을 빌림)

- 음극인 타겟 뒤쪽에 자석 위치 -> 플라즈마 내 전자의 나선형 원운동 유도 (로렌츠의 힘)

- 자석 근처에서만 전자를 묶어 둠 -> 전자가 챔버 벽 이나 전극에 충돌을 감소

- 이온과의 충돌 확률 증가 -> 고밀도 플라즈마 생성 -> 증착 속도 개선!!

- 타켓으로 부터의 2차 전자에 의한 웨이퍼쪽 온도 상승 방지

- 플라즈마 집중 지역 -> 타겟의 불균일 소모에 의한 증착 두께 균일도↓ -> 해결책 : 자석 회전