7/26 (화) 엔지닉 반도체 빡공 스터디 7일차

 

13차시 박막 증착 공정(1)

 

1. 박막 증착 공정 정의 및 분류

 

- 박막은 통상, 두께 1um 이하의 막을 말하며 공정 분류 체계는 다음과 같다.

 

* CVD : Chemial Vapor Deposition

* PVD : Physical Vapor Deposition

* 진공 증착 : Evaporation

* 직류 스퍼터링 : DC Spittering

* 교류(고주파) : AC(RF : Radio Frequency)

* 상압 CVD : Atmospheric CVD (AP-CVD)

* 저압 CVD : Low Pressure CVD (LP-CVD)

* 플라즈마 증속 CVD : Plasma Enhanced CVD (PE-CVD)

* 금속 유기물 CVD : Metal Organic CVD (MO-CVD)

* 원자층 증착 : Atomic Layer Deposition (ALD)

 

 

2. 박막 공정 주요 변수

 

1) 종횡비 (Aspect Ratio)

- 종횡비 -> h/w

- 종횡비 증가 -> 피복 능력 저하

 

 

2) 피복능력(Step Coverage)

- 측면 피복 능력 = b/a, 기저부 피복 능력 = c/a

- 영향 인자

 

① 고착 계수 (Sticking coefficient)

- 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 증가 -> 표면 이동도 감소 -> Step Coverage 감소

 

② 도달 각도 (Arrival angle)

- 공정압력 증가 -> MPF 감소 -> 등방성 -> (c)

- 공정압력 감소 -> MPF 증가 -> 직진성 증가 -> 그림자 효과 -> (b)

 

- 피복 능력 저하 시 역 돌출 현상에 의한 구조물 간 공극(void) 발생 문제

 

 

3) 기타 변수

- 증착률 (증착 속도, deposition rate) (nm/분)

- 균일도 (Uniformity, 증착 속도, 두께 등)

- 접착력 (adhesion)

- 박막 응력 (Stress) : 압축 응력 -> 음의 곡률(Concave) / 인장 응력 -> 양의 곡률(Convex)

 

 

3. 화학 기상 증착 공정의 정의

 

- 전구체라 부르는 기체 상태의 분자를 기판 표면에 고체상태의 필름 형태로 변환시키는 화학 반응

* 전구체 (precursor) : 증착하고자 하는 물질을 포함하는 반응 가스

 

실리콘

- SiH4 -> Si + 2H2 -> 열분해 반응

- SiCl4 + 2H2 -> Si + 4HCl -> 수소 환원 반응

 

산화막

- SiH4 + O2 -> SiO2 + 2H2 -> 산화 반응

 

질화막

- 3SiH4 + 4NH3 -> Si3N4 + 12H2 -> 암모니아 반응

 

금속

- WF6 + 3H2 -> W + 6Hf -> 환원 반응

- TiCl4 + 8NH3 -> 6TiN + 24HCl + N2 반응 -> 암모니아 반응

 

 

4. 화학 기상 증착 공정(CVD)의 원리

 

- 가스진입

① 반응 가스가 대류에 의해 증착 영역으로 이동

② 웨이퍼 표면의 경계층을 통해 반응 가스의 확산, 이동

=> 동종반응 방지 -> 이물질

 

- 표면반응

③ 웨이퍼 표면에 반응 물질이 흡착

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

⑤ 웨이퍼 표면에서의 부산물의 탈착 (기체)

=> 이종 반응 필수

 

- 부산물 제거/배기

⑥ 경계층을 통해 부산물의 확산, 이동

⑦ 대류에 의해 증착 영역에서 부산물의 배기

 

 

5. 열 화학적 기상 증착(Thermal CVD)

 

① 상압(AP) CVD

- 400 ~ 500℃, 대기압(760Torr)

- 저온 -> 막질 감소, 증착 속도 감소, 처리량 감소

- 고온 -> 물질 전달 영역 -> 가스 제어 -> 웨이퍼 수평 로딩 -> 처리량 감소

- 장점 : 증착 속도(LP 대비) 증가, 설비구조 단순 (∵진공, 플라즈마 X)

- 단점 : 생산성 감소, 균일도 감소, 불순물 농도 증가, 계단 피복 능력 감소

- 최근에는 거의 사용되지 않음

 

② 저압(LP) CVD

- AP-CVD의 단점을 보완

- 저압 (0.1 ~ 10Torr) -> 증착 속도 저하, 고온 (750 ~ 900℃)

- 고온/저압 증착 => 막질 증가, MFP 증가 -> 계단 피복 능력 증가

 

 

6. 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)

 

① 열에너지가 아닌 반응 가스를 플라즈마 상태의 활성종을 이용하여 증착

② 0.1 ~ 0.5Torr, 200 ~ 400℃ 정도의 저압, 저온에서 진행

③ 저온 증착, 빠른 증착 속도 등의 장점이 있으나, 불순물 함유량이 많고 불균일한 증착 특성 등의 단점을 가짐

 

- 샤워 헤드형 반응 챔버로 반응 가스 주입

- 고주파 플라즈마 시스템

- 불완전한 결합구조를 갖는 자유 활성종(SiH3, O, NH2 등)

 

 

 

14차시 박막 증착 공정(2)

 

1. 원자층 증착 공정(ALD)의 정의 및 특징

 

- 화학 기상 증착 기술과 유사한 화학 흡착을 통한 원자 층 수준의 박막의 증착 공정

- 전구체가 동시에 주입되지 않고 각 반 주기 동안 별도로 주입됨

 

특징

- 자체 제한 박막 증착

- 정교한 두께 조절 가능

- 우수한 피복 능력

- 저온 증착 특성

- 낮은 증착 속도

 

 

2. 원자층 증착 공정(ALD)의 원리

 

- TMA를 전구체로 하는 Al2O3 증착의 예

* TMA (Tri-Methyl-Aluminum0

 

전구체-A : TMA + OH- -> 정화 기체 분사 : 과잉 TMA 및 CH4 배기 (반주기)

 

전구체-B(H2O) : H+ + CH3 -> CH4 증가 / Al + O -> Al2O3 -> 정화 기체 분사 : CH4배기 (-수산기 그룹 재 생성) (반주기)

 

최종 박막 증착

 

 

3. 원자층 증착 공정(ALD)의 응용의 예

 

- 고 종횡비 구조에 얇고 피복능력이 우수한 박막 증착 공정에 응용

 

① 자기정렬 4중 패터닝(SAQP) (산화막 증착)

② DRAM – 정전용량(고 유전율막 증착)

③ FinFET 게이트 산화막(고 유전율막 증착)

 

 

4. ALD 전구체 ALD 공정 특성

 

해결책

- 매엽식 -> 일괄 처리식

- 반응성 증가 -> PE-ALD

- 시분할(Time Dicided ALD) -> 공간 분할(Space Divided ALD)

 

 

5. ALD와 CVD 공정과의 차이

 

ALD

 

- 전구체 주입 : 시간에 따라 순차적으로 주입

 

- 열분해 : 열 분해되지 않아야 함

 

- 반응성 : 매우 높아야 함

 

- 가스의 유량제어 : 자기 제한 특성으로 정확히 제어하지 않아도 무방

 

- 챔버의 크기 : 퍼지의 시간을 짧게 하기 위해 챔버의 크기를 가능한 한 작게 함

 

 

CVD

 

- 전구체 주입 : 모든 전구체가 동시에 주입

 

- 열분해 : 공정 온도에서 열분해 됨

 

- 반응성 : 온도를 올려주면 되므로 낮아도 무방

 

- 가스의 유량제어 : 세밀히 제어 해야 함

 

- 챔버의 크기 : 상대적으로 큼

 

 

***반도체 공정에서 물리적 기상 증착(PVD)은 주로 금속 증착에 사용됨

6. 진공 증착(Evaporation)

 

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

- 고진공 -> 입자 직진성 -> 그림자 효과 발생 -> 피복능력 저하

- 고융점 금속 및 합금 증착 어려움

- 현대 반도체 제조 -> 거의 사용되지 않음

 

7. 스퍼터링(Sputtering) 증착

 

- 아르곤 가스 주입 -> 고 전기장 -> 플라즈마 생성

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

- 플라즈마 내 아르곤 이온 -> 원재료와 충돌 -> 원재료 스퍼터링 -> 입자 떨어져 나옴 -> 웨이퍼에 증착

- 원재료로부터 2차 전지 발생 -> 이온화 참여

- 원재료의 크기 > 웨이퍼의 크기 -> 증착 균일도 증가

 

 

8. 스퍼터링 수율

 

- 1개의 입사 이온에 대한 원재료에서 떨어져 나오는 원자의 수

- 이온 에너지, 기판물질 결합 에너지, 입사각도 등

- 1eV까지는 선형적으로 증가

- 매우 높은 에너지 -> 수율 감소(∵이온주입)

 

 

9. DC 마그네트론 스퍼터링 (Magnetron Sputtering)

 

- DC 스퍼터링 -> 스퍼터링 효율 감소 -> 증착 속도 감소

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

- 자석 근처에만 전자를 묶어 둠 -> 전자가 챔버 벽 및 전극 충돌 감소

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

- 타겟으로부터의 2차 전지에 의한 웨이퍼 트린 온도 상승 방지

- 플라즈마 집중 지역 -> 타겟의 불균일 소모 -> 증착 두께 균일도 감소 => 자석 회전 등 대응