[반도체 8대공정] 5. 박막 증착 공정

1. 박막 증착(Thin film Deposition)

  1) 박막 증착이란?

  - 원하는 물질을  기판에 붙이는 것을 증착(Deposition)이라고 한다.

 

  2) 왜 박막(Thin film)을 쓰는가??

1.  bulk상태에서 얻기 어려운 특성을 얻기 위해.
2. 여러가지  특성을 혼합하기 위해
3.  세상에 존재하지 않는 특성을 구현하기 위해
4. 나노 단위 소자를 만들 때 다양한 기능을 하는 layer를 얻기 위해 

2. PVD란?

   - PVD(Physical Vapor Deposition)란 열 또는 충격과 같은 물리적 반응을 통해  박막을 표면에 증착하는 방식이다.

 

3. Thermal Evaporation (열 증착법)

  1) 증착이 일어나는 연소실(챔버)을 진공으로 만들어준다.

  2) 증착 하고자 하는 시료에 저항열을 가하여 기체로 만든다.

  3) 기판에 도착한 기체는 차가운 기판을 만나 응축된다.

  4) 기체 문자들이 응축을 거듭하며 박막을 형성한다.  

4. E-beam Evaporation

  1)열 증착 법의 한계

  - 열 증착 법은 Furnace 자체를 가열하므로 부분적인 증발이 어려움.

  - 가할 수 있는 온도의 한계가 존재

 

  2) 전자 빔 증착 법(E-beam Evaporation)

1. 필라멘트애서 발생한 e-beam을 사용해 소스를 Local하게 가열한다.
2. 전자 beam을 정밀하게 조절하기 위해 전자석과 영구자석 이용
3.  물에 의해 냉각되는 수냉로를 사용하기 때문에 용기로 부터 불순물이 섞이지  않음
4. 높은 균일성을 띄는 박막을 높은 증착률로 증착 가능

 

5. Sputtering

 

  1) Sputtering 과정

1. Target 물질을 음극에, 기판을 양극에 위치시킨다,
2. 비활성 기체인 아르곤(Ar)을 주입한 후 전극에 전압을 가한다.
3. 전자는 음극(Cathode)에서 나와 양극(Anode)쪼으로 이동한다.
4. 이 과정에서 전자는 Ar과 강한 충돌을 하여 이온화 시켜 플라즈마 상태가 됨.
5. 전자를 잃어 이온화된 Ar+ 이온은 (+) 전극을 띄기 때문에 음극으로 가속되어 충돌해 Target 물질의 원자 결합을 끊는다.
6. 원자 간의 결합이 끊어져 튀어나온 전자와 Ar+이온이 결합해 중성상태가 되어  더 이상 음극에 끌리지 않게 된다.
7. 떨어져 나온 원자나 이온들은 기판에 증착 되면서 박막을 형성함.

   2) DC / RF Sputtering 차이

•    DC sputtering : 전극이 한 방향으로만 가해져 부도체에서는 전자가 떨어져 나오지 않아 이온은 음극에 잡혀 점점 쌓이면서 새로 충돌하는 이온들을 밀어내 결국 중성상태가 되게 만들어 부도체에 사용 불가

   RF sputtering : 전극이 주파수에 따라 변하며 음극에서 양극으로 바뀌며 부도체에 달라붙지 않고 연속적으로 충돌을 일으켜 부도체로도 증착이 가능.

---

1. CVD란?

  - CVD(Chemical Vapor Deposition)란 형성하고자 하는 박막 재료를 구성하는 원소를 포함하는 가스를 기판 위에 공급해 기상 또는 기판 표면에서 화학적 반응으로 박막을 기판에 형성하는 방법.

 

2. CVD 장점

  - PVD보다 표면 접착력이 10배 높음

  - 대부분의 표면에 적용 가능하므로 활용도가 높음

  - 도체, 부도체, 반도체 박막 증착에 모두 사용가능

  - 불순물의 분포와 농도조절 가능

  - 반응 가스 선택가능

  - 대량생산 가능

 

3. CVD 단점

  - 압력이 낮을수록 공정의 프로세싱 시간이 길어짐

  - 고진공 상태에서 기체들의 반응속도를 유지하려면 웨이퍼 온도를     높여야 하지만, 그러면 재료 선택이 까다로워짐

  - 두께 조절 컨트롤하기 어려움

  - 반응 변수가 많음

  - 위험한 가스의 사용

 

4. CVD 방식의 종류

  - 열에너지 이용 방식 : APCVD(대기압), LPCVD(저기압)

  - 플라즈마 에너지 이용 방식 : PECVD(저밀도 플라즈마),  HDCVD(고밀도 플라즈마)

  - 원자를 표면에 흡착시키는 방식 : ALCVD(원자층 증착방법)

5. CVD 원리

  1) 프로세스 챔버 속으로 주입된 반응 가스가 웨이퍼 표면 위로 이동

  2) 반응 가스가 표면에 흡착

  3) 화학반응을 거쳐 웨이퍼 표면에 고체 상태(막)을 형성하고, 반응 부산물(Byproduct) 생성

  4) 반응부산물 가스가 웨이퍼 표면으로부터 탈착하여 프로세스 챔버의 gas stream으로 증발된 후 밖으로 배출

 

6. ALD(Atomic Layer Deposition) 원리

  1) 흡착단계 : 1차 소스(전구체)를 프로세스 챔버에 넣으면 먼저 표면 흡착이 일어난다.

  2) 치환단계 : 다른 종류의 2차 소스(반응체)를 넣으면 1차 흡착된 물질과 화학적 치환이 일어난다.

  3) 생성단계 : 최종적으로 제3의 신규물질(막)이 생성된다.

  4) 배출단계 : 잔류 가스가 배출되어 결국 1개 층만 표면에 흡착되어 달라붙게 된다.

총 4개의 단개가 하나의 사이클로 계속해서 반복하여 layer 두께를 조절할 수 있다.

7. ALD특징

  - PVD와 같은 물리적 방식이 아니고, CVD와 유사한 화학적 방식

  - 갭이나 트랜치의 벽면에도 잘 달라 붙음

  - 섭씨 400도 이하(200~400도)의 낮은 온도에서 공정진행이 가능

 

  1) ALD 장점

  - 자기제어반응으로 단위nano 미터급 두께 정밀히 쌓을 수 있음

  - 층 내의 전체 격자가 정형적인 각을 이뤄서 질서정연하고 얇은 두께 형성

  - 두께 조절에 획기적

  - 낮은 온도에서 공정이 가능해 다른 막에 영향을 거의 끼치지 않음

 

  2) ALD 단점

  - 1개 사이클에 원자층이 1개 층 씩만 쌓여 속도가 느림

  - 저온에서 진행하여 막의 물성이 떨어짐

  - 1차 소스와 2차 소스들을 선택하는 데 한정적

 

  3) ALD의 활용

  - DRAM의 캐패시터

  - 게이트 옥사이드

  - 메탈 베리어(Metal Barrier)

  - NAND의 3D를 구성하는 가장 중요한 절연 막/금속