반도체 공정 - 박막 공정(CVD)

 

박막 공정

#박막 공정

CVD(Chemical Vapor Deposition)

CVD, 화학적기상증착법은, 가스의 화학반응으로 형성된 입자들을 외부 에너지가 부여된 수증기 형태로 증착하는 방법이다. 해당 방법은 도체, 부도체, 반도체의 박막에 모두 사용이 가능하고, 접합성과 박막의 품질이 좋다는 장점이 있다. 또한 박막의 두께 조절이 가능하며 Step Coverage가 좋고, PVD 대비 공정비용이 낮아 대량생산이 가능하다. 

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* APCVD(Atmospheric Pressure CVD)

출처. (주)코리아텅스텐

APCVD는, 초기 CVD 공정방식으로, 대기압 상태에서 Deposition을 진행했다. Chamber를 가열하지 않고, 외부 RF 인덕션 코일을 가열하여 웨이퍼에 열을 전달하는 방식이다. CVD에서는 Pressure가 클수록 Throughput이 좋고, Good uniformity, Handle large wafers의 장점이 있다. 하지만 진공도가 낮고 가스의 흐름이 빨라 분자간 충돌이 많고, 그로인해 낮은 Step Coverage를 가지고 있다.

 

* LPCVD(Low Pressure CVD)

출처. (주)코리아텅스텐

LPCVD는, APCVD와 비교하여 Pressure를 1/100가량 낮춘 방식으로, APCVD 대비 Step Coverage가 우수하다는 장점이 있다. 하지만 낮아진 Pressure로 인해, 온도를 높여 Throughput 문제를 보완하는 과정에서, 1000도에 달하는 온도는 트랜지스터 상부에 위치한 메탈라인을 녹일 만큼 높은 온도이기 때문에, 저온 고진공에서 Throughput 문제를 해결할 수 있고, 높은 Step Coverage를 가지는 방식의 필요성이 높아졌다.

 

* PECVD(Plasma Enhanced CVD)

출처. (주)코리아텅스텐

PECVD는 강한 전압으로 야기된 Plasma를 이용하여 활성화시키고 기상으로 증착하는 장치이다. 해당 방법은, 위에서 제기했던 저온 고진공에서 Throughput 문제를 해결하는 대안으로 사용되고 있다. 진행 방식은, 반응 기체를 Chamber안에 주입하고, 플라즈마 상태로 바꾸기 위해 높은 압력을 수직으로 걸어준다. 그러면 Chamber내에서 플라즈마 상태로 이온화된 기체들이 화학반응을 통해 Deposition되고, By-products는 빠져나가는 방식이다. 해당 방식은 낮은 온도에서도 공정이 가능하다는 장점을 가지고 있지만, Step Coverage 문제는 여전히 남아있다.

 

* HDPCVD(High Density Plasma CVD)

HDPCVD는 여전히 Step Coverage 문제가 남아있던 PECVD의 문제점을 개선한 방식이다. 최신 공정에서 HDPCVD를 주로 사용하고 있으며, PECVD는 박막의 질이 상대적으로 낮아도 문제가 없는 부분에만 국부적으로 사용하고 있다. HDPCVD의 원리는, 고밀도 플라즈마를 통해 Etching과 Deposition을 번갈아서 반복하는 과정을 통해 Void와 같은 Defect를 줄이는 방식이다.

 

* ALCVD(Atomic Layer CVD)

출처 : KIPOST(키포스트)(https://www.kipost.net)

마지막으로 ALD라고도 흔히 불리는 ALCVD는, PVD와 CVD보다 Advanced한 공정이라고 할 수 있다. 이는 저온공정으로 더욱 얇은 막을 형성할 수 있고, Step Coverage와 Uniformity가 가장 좋다는 장점이 있고, Throughtput문제가 있어, 플라즈마를 이용한 PEALD 방식이 활용되고 있다. 위 그림에서처럼, 해당 ALD는, 특정 소재를 두고, 반응하는 물질을 도포, 화학적 반응을 이용해 소재를 성장시키는 과정을 수십번 반복한다. 

 

ALD의 증착 원리는 크게 두 가지로, 화학 흡착과 자기 포화 반응이 있다. 화학 흡착이란, 원자 또는 분자가 흡착 표면과 화학 결합력이 작용하여 새로운 화합물을 형성하는 것으로, ALD에서는 주입해준 가스나 플라즈마가 기판 표면에 붙는 현상을 화학 흡착이라고 볼 수 있다. 자기 포화 반응은, 기판 표면에 충분한 반응이 완료되면 더 이상 증착이 진행되지 않는 것을 의미한다. 이러한 자기 포화 반응으로 인해 한 층씩 증착이 가능해진다.

 

* 정리

출처. http://samsungsemiconstory.com 서울대학교 반도체공동연구소

#마치며

이번 포스팅에는 박막 공정의 CVD에 대해 공부하였다. 이렇게 두번의 포스팅에 걸쳐, 반도체 8대 공정의 5번째 박막 증착 공정에 대해 알아보았다. 갈수록 어려워지고 복잡해지는 내용 때문에 머리가 아프지만 남은 공정과정도 잘 마무리 할 수 있었으면 좋겠다.