반도체 공정 - 박막 공정(PVD)

박막 공정

#시작하며

지난 포스팅까지는 반도체 8대 공정 중, 포토 공정을 거치고 정의된 박막의 일부 또는 전부를 물리, 화학적으로 제거하는 식각 공정을 공부하였다. 이번에는 2번에 걸쳐 이후 과정인 박막 증착 공정에 대해 알아볼 것이다. 박막 증착 공정은, 여러층을 쌓아 바로 아래층의 회로가 위층의 회로와 가까워지면, 서로에게 영향을 주기 때문에 불량 제품이 생산될 수 있기 때문에, 아래층과 위층의 회로가 서로 영향을 주지 않도록 얇은 절연막을 덮어주는 역할을 한다.

 

#박막 공정

박막 증착 공정을 공부하기에 앞서, 박막은 무엇이고 또 증착은 무엇일까?

박막(Thin Film)이란, 기계가공으로는 실현 불가능한 두께인 1μm 이하의 얇은 막을 지칭한다. 다음으로 증착(Deposition)은, 전기적 특성이 없는 웨이퍼 위에, 원하는 분자 또는 원자 단위의 물질을 박막의 두께로 입혀 전기적 특성을 갖게 하는 일련의 과정을 의미한다.

이러한 증착(Deposition)은, 크게 두가지로 분류할 수 있는데, 물리기상증착법인 PVD(Physical Vapor Deposition)와 화학기상증착법인 CVD(Chemical Vapor Deposition) 가 있다. 

 

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  증착의 필요 스펙

1. Quality : 전기적/물리적 특성의 품질

2. Thickness Uniformity : 웨이퍼의 균일도와 웨이퍼 간의 균일도 등

3. Step Coverage: 증착 후 바닥부분 박막의 두께와 탑 부분의 기판에 쌓여있는 비율이 일정한지에 대한 여부

출처. 한국기술교육대학교

Step Coverage는, 위 그림의 s와 t의 비율인 s/t이며, 균일화가 얼마나 잘 이루었는지를 의미하기 때문에, 1에 가까울수록 좋은 Step Coverage가 나타난다고 할 수 있다. 하지만 실제로 공정을 진행해보면, 탑 부분은 정상적으로 증착이 되지만, 측벽 부분은 균일하지 않게 탑 부분보다 얇게 증착이 되는 것을 알 수 있다. 이외에도 Aspect Ratio(종횡비)는 h/w이며, 균일화의 어려움 척도를 나타내는 수치이다. 

(a). Good, (b) Poor, Step Coverage

4. Filling : Filling은 말그대로 단차 사이 공간을, 빈 공간 없이 잘 채우는지에 대한 여부를 의미한다. 

위 그림에서 단계별 증착 과정에서, 단차 사이에 빈 공간 Void가 생겨 결함이 발생한다. 

 

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PVD(Physical Vapor Deposition)

PVD는 물리적기상증착으로서, 금속 증착에 주로 사용하고, 낮은 압력과 낮은 온도에서 진행된다. 따라서 고품질의 방막을 형성하고 불순물 오염 정도가 낮다는 장점이 있지만, 증착 속도가 드리고 고가의 장비를 사용해야 한다는 단점이 있다.

 

* Thermal Evaporation

출처. http://www.semicore.com/images/photos/thermal-evaporation-process.png

Themal Evaporation은, 증착시키고자 하는 물질을 보트에 올려두고 가열함으로써 증착 물질을 증발시켜 기판에 증착하는 방식이다. 고진공 Chamber에서 가열이 진행되며, 물질이 등방성의 성질로 퍼지기 때문에 낮은 Step Coverage를 가진다.

 

* E-beam Evaporation

출처. http://www.semicore.com/images/photos/diagram-ebeam-evaporation.png

E-beam은, Thermal Evaporation과 동일한 방식으로 진행되지만, Deposition하고자 하는 물질에 열 대신 E-beam을 가해 증발을 시킨다는 차이가 있다. 낮은 Step Coverage를 가지는 Thermal Evaporation을 보완하여, 높은 에너지의 E-beam을 통해 플라즈마 상태로 만든 후 DC 전압을 인가하는 방식으로 진행하여 개선한다.

 

* Sputttering

출처. http://www.semicore.com/images/photos/diagram-sputtering-process.png

Sputtering은 증착시키려는 물질의 Target을 Chamber 상단에 두고, 이온을 이용하여 Target 물질을 웨이퍼에 증착시키는 방식이다. Vaccum state에서 기판은 (+), Target은 (-) 전하를 걸어주고 비활성 Ar 가스를 주입한다. 그 후 전압을 인가하면 (+)로 가속하는 전자와 Ar원자가 충돌하며 이온이 발생하고, 홰당 이온은 Target의 (-)으로 이동하여 충돌하는 과정을 통해 Target의 원자들이 방출되어 (+)인 기판에 증착된다.

 

#마치며

이번 포스팅에는, 박막 증착 방법 중 하나인 PVD(Physical Vapor Deposition), 물리기상증착법에 대해 알아보았다. 다음에는 다른 한 가지 방법인 CVD에 대해 논의하며 공부해볼 것이다.