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Semiconductor Fabrication
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1. 개요
Deposition반도체 8대 공정 중 하나로, 웨이퍼 위에 특정 물질을 쌓아올리는 과정을 말한다.
2. 참고 영상
| 삼성전자 반도체 뉴스룸 유튜브 |
| ▲ 증착 공정 |
3. 종류
3.1. PVD
Physical Vapor Deposition증착시키고자 하는 물질을 기체 형태로 증발시켜 상대적으로 차가운 기판 위에 응고되도록 하여 증착하는 기법이다.
아래의 화학기상증착법과 달리 소스와 기판 사이의 화학 반응에 별로 의존하지 않기 때문에, 비교적 증착 물질과 기판 종류를 크게 가리지 않고, 대체로 증착속도가 빠르다는 장점이 있다. 그렇다고 해서 화학적으로 잘 붙지 않는 물질을 억지로 증착시키면 당연히 쉽게 떨어져 나가므로(Lifting 이라고 한다) 주의가 필요하다.
증착 물질을 기화시키는 방법에 따라 열로 기화시키는 Evaporator 와 Plasma 상태의 Ion 을 충돌시켜 물리적으로 뜯어내는 Sputtering 의 두 가지로 나뉜다.
- Evaporator
- Thermal Evaporator - 열로 기화시켜 기판에 증착한다.
- E-beam Evaporator - 전자 빔으로 기화시키는 방식. 국소적으로 훨씬 높은 온도를 가할 수 있어 끓는 점이 높은 물질도 사용이 가능한 장점이 있다.
- Sputtering - 한 가지 주지의 사실은 Sputtering 이란 원래 어떤 입자가 어떤 고체 물질에 충돌하여, 그 충격으로 인해 표면의 원자가 튀어나오는 현상을 말한다는 것이다. 즉, 증착(Deposition)보다는 식각(Etching)에 가까운 것인데, 이것을 역으로 이용하여 증착하고자 하는 물질을 sputtering 시켜 튀어나온 입자를 기판에 증착하는 데에 사용하면서 역설적으로 증착기술의 명칭으로도 사용하게 되었다. 식각이나 분석기술(SIMS, XPS 등)에서는 본래의 의미 그대로 사용하기도 하니 주의가 필요하다.
- Magnetron Sputtering - 소스 타겟 뒤쪽에 자석을 배치하여 자기장으로 Plasma 가 타겟 근처에 집중적으로 형성되도록 한다. 사실상 현재 사용되는 모든 Sputter 는 Magnetron Sputter 라고 보면 된다.
- Reactive Sputtering - Sputtering 된 소스 물질이 Gas 와 반응하여 화합물을 증착하는 방식. 예를 들어 Ti 를 Sputtering 시키면서 N2 를 흘려 TiN 을 증착하는 것이다.
3.2. CVD
Chemical Vapor Deposition주로 가스[1]를 원료[2]로 하여 증착하고자 하는 물질을 형성하는 방식이다. 한국어로는 화학기상증착법이라고 한다. 물리적 기상증착법(PVD)의 경우 원료 물질과 증착 물질이 동일하여 기화 -> 응고의 과정을 거치는 반면, CVD에서는 원료 물질이 증착 물질을 포함하고 있는 화합물이기 때문에, 적층에 앞서 원료 물질의 화학적 분해가 필요하다. 이후 필요없는 부분은 기체 상태로 날아가고, 증착하려는 물질만 기판과 화학적으로 결합하여 증착된다. PVD가 벽돌을 무턱대고 쌓아올리는 것과 비슷하다면, CVD는 레고 블럭을 끼워 맞추며 쌓는 것이라 할 수 있다. 결과적으로 PVD 대비 대체로 막질과 Step Coverage 가 우월한 반면, 증착 속도가 느리고, 고온이 필요하며, 안정된 화학 조성이 아닌 물질은 증착하기 어렵다는 단점이 있다.
공정 방법에 따라 다양하게 분류한다.
- 소스 분해를 비롯한 화학 반응 방식
- Thermal CVD - 열에 의존하는 기본적인 형태. 따로 언급이 없으면 보통 이것이다.
- Plasma-enhanced CVD (PECVD) - Plasma 를 이용하여 보다 저온에서 빠른 공정이 가능하고, 덤으로 Step coverage 도 향상되지만, Plasma induced damage 와 저온으로 인한 막질 저하 문제가 있다.
- High-density Plasma-enhanced CVD (HDPCVD) - 위 PECVD 의 장점을 더욱 극대화하기 위해 저압에서 고밀도 Plasma 를 이용하는 방식.
- Photon-enhanced CVD (PHCVD) - Laser 를 이용하여 표면반응을 가속한다.
- 공정 압력에 의한 분류
- APCVD (Atmospheric CVD) - 대기압에서 공정을 하는 경우.
- RPCVD (Reduced Pressure CVD) - 대기압보다 조금 낮은 경우
- LPCVD (Low Pressure CVD) - RPCVD 보다 더 낮은 압력에서 진행되는 경우. RPCVD와 LPCVD 의 경계는 모호하나 대체로 1torr보다 낮으면 LPCVD 라고 할 수 있다. 특정 압력 수치가 기준이라기 보다는, 직접 증착되지는 않으나 불순물 제거 등의 목적으로 함께 주입되는 분위기 가스(주로 H2 나 N2)를 대량으로 쓰느냐, 아니냐에 따라 갈린다.
- UHVCVD (Ultra-high Vacuum CVD) - LPCVD 보다 더 낮은 압력을 이용한다. 분위기 가스를 쓰지 않고, 최대한 낮은 압력까지 Pumping 하여 불순물을 제어하는 방식이다. 대개 Base Pressure 기준으로 10-8torr 이하면 UHVCVD 라고 한다.
- 사용하는 소스에 의한 분류
- MOCVD (Metalorganic CVD) - Metal 이온에 유기화합물을 붙인 소스를 사용한다. 낮은 온도에서 공정이 가능하지만 탄소 불순물이 많이 포함되는 문제가 있다.
- 반응기(Reactor) 온도에 따른 분류
- Cold Wall - Reactor 벽면은 기판에 비해 낮은 온도를 유지하는 경우
- Hot Wall - Reactor 전체가 Heating 되는 경우
3.2.1. ALD
Atomic Layer Deposition이름에서 보듯이 원자층을 하나씩 쌓아 올리는 증착 방법이다. 한국어로는 '원자층 증착법' 이라고 한다. 기본적인 증착 원리는 CVD와 동일하여 CVD의 하위 분류라 할 수 있고, ALCVD 라고 하기도 한다. 아주 미세한 두께 조정이 가능하고, 여타 증착법에 비해 우월한 Step Coverage 를 확보할 수 있어 첨단 공정이 될수록 점점 더 많이 사용되고 있다. 대신 증착속도가 느리고, 막질도 나쁘다는 문제가 있다.
'층' 단위로 증착하는 방법은 다음과 같다. Al2O3 를 예시로 들면,
- Al 의 전구체(Precursor, 원료가 되는 물질) 를 주입한다. Al 전구체는 Al 원자에 다른 작용기[3]가 붙어있는 형태인데, 기판 표면에 흡착된 Al 전구체 위에는 다른 전구체 분자가 흡착되지 못한다. 따라서 기판 표면에는 Al 이 한 층만 붙어있게 된다.
- Purge[4]하여 기판 표면에 흡착되지 않은 전구체는 모두 제거한다.
- H2O 또는 O3 (Reactant라고 한다) 를 주입하여 산화시킨다. 전구체에 붙어있던 작용기들은 산화되어 CO2 등의 기체가 되어 날아가고, 기판 표면의 Al 도 산화되어 Al2O3 한 층을 형성한다.
- 다시 Purge 하여 남은 반응가스를 제거한다.
- 위 과정을 필요한 만큼 반복한다.
온도가 너무 높아지면 열에 의해 전구체의 분해가 일어나 평범한 CVD가 되거나, 증착되어야 할 물질마저 날아가 버려 증착이 안될 수 있다. 반대로 온도가 너무 낮으면 흡착이 잘 되지 않거나, 분해되어 없어져야 할 작용기들이 그대로 남은 상태로 증착되는 현상이 일어난다. 위와 같은 문제가 없는, ALD 가 가능한 적절한 온도 범위를 ALD (Temperature) Window 라고 한다.
4. 관련 용어
- Aspect Ratio - 기판의 Hole 이나 Trench(단어 뜻 그대로 해자나 참호처럼 길게 파낸 곳) 에서 너비 대비 깊이의 비율을 의미한다. 즉, Aspect Ratio 가 높으면 깊고 좁은 패턴을 의미한다. Aspect Ratio 가 높을수록 소스가 내부로 들어가기 어려워지므로 증착 공정의 난이도가 증가한다. 비슷하게 Etch 공정에서도 높은 Aspect Ratio 의 패턴을 만들어내기 어렵다.
- Step Coverage - 기판의 깊이 파인 Trench 등의 굴곡이 심한 곳에 증착하였을 때 얼마나 균일한 두께로 증착되는지 나타내는 지표이다. 구체적인 계산방법은 목적에 따라 차이가 있으나, 대개 평평한 곳에서의 두께 대비 관심있는 곳(보통 Trench 내의 옆면이나 바닥면, 또는 입구부분)의 두께 비율이라고 보면 된다. Step Coverage 가 나쁠 경우 Hole 이나 Trench 에 증착할 때 입구 부분이 두껍게 성장하고, 깊은 곳의 코너 부분은 얇게 증착되는 것이 일반적이다.
- Void - 증착한 박막 내에 아무것도 없이 텅 빈 공간이 발생하는 것이다. Step Coverage 가 불량할 경우 Hole 이나 Trench 패턴에서 내부가 채워지기 전 입구가 먼저 막히면서 내부에 Void 가 남는 경우가 흔하다. 보통은 후속 공정이나 제품 특성에 악영향을 주는 불량에 해당하지만 간혹 일부러 만들어 이용하기도 한다.
- Seam - Void 와 반대로 증착시 Step Coverage 가 좋을 때 발생하는 얇고 넓은 틈이다. 단면을 보면 단어 뜻 그대로 솔기처럼 보인다. Trench 패턴에서 우수한 Step Coverage 로 증착할 경우 양쪽 옆면에서 성장한 박막이 만나게 되는데, 틈이 너무 좁아져 더이상 소스가 공급되지 못하여 Seam 으로 남게 된다.
- Etch Back - 증착을 한 뒤에 이어서 진행하는 Etch 공정을 Etch back 공정이라고 한다. Spacer를 만들기 위해 진행하는 경우가 많고, 또는 Void 나 Seam 을 제거해야 할 때 해당 부분이 있는 곳까지 Etch Back 을 하고 다시 증착하기도 한다.
- Spacer - 쉽게 말하면 높이 방향이 아니라 옆으로 증착한 박막이다. 물론 옆으로만 증착시키기는 보통 불가능하기 때문에, 일단 전면에 증착한 후 Etch Back 으로 위에서부터 깎아 옆으로 자란 부분만 남겨두는 것이 일반적이다. Gate 의 옆면에 증착하여 Source/Drain 이 너무 가까이 붙지 않도록 하는 Gate Spacer 가 한 예이다. Spacer 를 아주 얇고 정밀하게 만들 수 있다는 점을 이용해 PR 대신 Spacer 를 사용하여 패턴을 형성하는 Spacer Patterning 기술도 있다.
[1] 액체나 고체 물질을 원료로 사용하기도 하지만, 그런 경우에도 증발시켜 기체 형태로 반응기 내에 주입된다.[2] 전구체(precursor)라고 부른다.[3] 주로 Methyl, Ethyl 기 같은 탄소 화합물 또는 Cl 등[4] N2, Ar 과 같은 반응하지 않는 가스를 주입한 뒤 Pumping 하는 과정