반도체 전공정 - 5. 증착

5) 증착(Dsposition) = 박막

디벨럽님 유튜브 참조

5-1)박막(thin film 조건

전기적 특성 -절연성(부도체)이면 절연성이 좋아야 되며 전도성(도체)이라면 전도성이 좋아야됨

핀홀이나 크랙이 없어야함

스트레스가 적어야됨(일반적으로 고온450도에서 박막이 이루어지기때문에 박막후 웨이퍼가 식을때)

접착력(adhesion)-잘붙어있어야됨

위아래층과 화학적 안정성

남알남님 유튜브 참조

semi뀨님 블로그 참조

5-2)증착 고려 사항

good filling : 박막공정간에 내부에 빈공간(void)이 없어야된다

uniformity(균일성) : 박막시에 표면이 균일해야된다

conformal(등각,정각) : 증착면이 직각을 이뤄야 된다

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5-2-1)aspect ratio(가로세로 비율) : DRAM 의 캐패시터 처럼 W 보다 H가 높을경우 증착이 어렵다

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평균자유행로란 쉽게 분자가 이동할수 있는 거리를 표현

높은 온도와 낮은 압력을 가지면 이동거리가 늘고 균일한 분사가 가능하다

SEMI뀨님 블로그 참조

5-2-2)step coverage

 

디벨럽님 유튜브 참조

찌릿찌릿님 블로그 참조

5-3)물리적 증착(PVD)

물리적 증착은 간단히 말해 증착할 물질에 직접에너지를 인가하여 증착하는 방식이다

PVD는 기본적으로 CVD(화학적 증착)보다 증착속도가 느리지만 박막의 품질이 우수하다는 장점

물리적 증착은 크게 2가지로 나뉜다

sputtering(스퍼터링) 과 evaporation(이바포레이션)

이바포레이션 보다는 스퍼터링(플라즈마 이용)을 주로 사용하며 금속박막에 주로 사용

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sputtering(스퍼터링)

고진공을 필요로함

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SEMI뀨님 블로그 참조

스퍼터링은 타켓물질(금속)에서 전압을 가하여 ar(아르곤)과 충돌 이온화된 물질이 웨이퍼 표면에 달라 붙으며 증착되는 방식

스퍼터링은 타켓 종류에 따라 DC,RF 로 나뉘는데 DC는 금속과 같은 도체,RF는 반도체,부도체 성질을 가진 물질

쉽게 DC 는 직류 RF는 교류라고 생각하면 편하실듯합니다

스퍼터링 방식은 증착속도가 느리고 많은 양의 가스가 필요함에 따라 박막의 불균일과 데미지발생요인이 크다는 단점이 있다 그리하여 Magnetron Sputtering(마그네트론 스퍼터링)의 도입으로 증착속도를 증가시키고 열처리 공정을 추가하면서 불균일과 데미지를 감소시키게 되었다

 

blending님 블로그 참조 찌릿찌릿님 블로그 참조

자기장을 이용하여 플라즈마내에서 전자의 밀도가 증가 전자는 아르곤과 더 많은 충돌을 일으킴

그결과 증착속도가 증가하게 되는것이다

하지만 자기력선이 집중되는 부분에서 더많은 스퍼터링이 발생하게 됨

그결과 타켓 전체에서 균일한 스퍼터링이 발생하지 않기 때문에 균일한 증착속도를 얻을수 없어 박막의 두께가 달라질수도 있습니다

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evaporation(이바포레이션)

SEMI뀨님 블로그 참조

강한 전류를 흘려 금속을 녹이고 금속이 증발하여 웨이퍼에 달라붙는 증착방식

(물을 끓이면 뚜껑에 물방울이 맺히는원리과 비슷함)

 

fre_ecord 님 블로그 참조

기화된 source는 모든방향으로 고르게 퍼지지만 기판에 증착된 source의 양은 기판전체에 고르지 않다

따라서 기판을 로드하는 부분의 구조를 구 모양에 가깝게 하여 불균형을 개선

PVD는 균일한 증착이 어렵지만 반도체 공정에서 많이 사용된다 증착속도가 빨라 양산에서 많이 사용되고

정교한 부분보다 증착이 많고 두껍게 필요한 부분에 많이 사용되며 주로 메탈증착에 사용 진공을 요구한다

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5-4)CVD(chemical vaper deposition) : 화학적 증착

SEMI뀨님 블로그 참조

CVD 프로세스 기본 조건

가스유입 및 확산(표면) 되는 속도와 반응의 속도가 동일하여야 한다 그래야 일정한 방막이 가능하다

반응이후 발생되는 부산물이 잘빠지게끔 시스템이 필요(원활한 시스템이 안되면 반응되는 속도의 변화가 발생)

https://youtu.be/Xk6jrdPN2YI

디벨럽님 유튜브 참조

 

그럼 CVD 발전단계를 알아보자

5-4-1) APCVD(Atmospheric pressure CVD) : 대기압 증착

pper153님 블로그 참조

5-4-2)LPCVD(Low pressure CVD) : 저압 증착(많이 사용중이다)

LPCVD는 APCVD 대비 챔버내 기압을 100분의 1정도로 낮춤

저압에 따라 진공도가 높아질수록 가스분자들끼리의 충돌이 적어지고 이는 기체 확산도의 증가가 이루어지면서

더 정밀하고 균일한 증착이 가능해짐 하지만 저압상태로 갈수록 공정시간이 길어지기 때문에 이를 해결하기위해서

온도를 높이는 과정이 필요해짐 이에따라 APCVD 보다 2배 가량 증가하게 된다

(반응속도 결정단계 : 어떤 반응이 여러 단계를 거칠때 그중 '가장 느린 단계'가 전체반응속도를 결정)

확산은 온도 비례도가 작다 , 반응속도는 온도 비례도가 크다

남알남님 유튜브 참조

상기 그래프를 쉽게 설명하자면 reaction 즉 반응(증착의 균일성)이 공정의 속도를 결정하는데 기체가 확산이 될려면 온도에 영향을 받기 때문에 APCVD 보다는 LPCVD의 효율성이 훨씬 좋다

단 웨이퍼에 증착되는 속도는 APCVD가 더 빠르나 웨이퍼를 다량 집어 넣었을때의 균일성은 LPCVD가 더 좋기 때문에 APCVD 보다는 LPCVD를 사용하는것이 더 효과적이라고 생각할수 있다

Al : 녹는점 550도 LPCVD : 500~900도

IMD : 금속 배선의 합선등을 방지하기 위한 절연층

ILD : DRAM 케패시터 층간 절연층

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5-4-3)PECVD(Plasma Enhanced CVD) : 플라즈마 CVD (0.01% plasma)

LPCVD 의 단점을 보완하기 위해 플라즈마를 이용한 PECVD 기술(약 400도)

-저온증착(약400도) 의 장점은 열팽창에 의한 데미지가 적다는 것

가장 보편적으로 사용되는 공정이다 LPCVD 와 가장 큰 차이점은 열에너지가 아닌 플라즈마를 사용한다는점

 

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라디칼 : 화학변화가 일어날때 분해되지 않고 다른 분자로 이동하는 원자의 무리

STEP COVERAGE : 단차 피복(어떤 물질을 증착 했을때 위치에 따른 증착 두께의 비율)

즉 층간 절연층을 생성할때 주로 쓰인다

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5-4-4)HDPCVD(High Density Plasma CVD) : 고밀도 플라즈마 CVD (1% plasma)

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낮은 온도 증착 가능 , 퀄리티 높음 ,step coverage 높음 하지만 속도는 느리다

최근에는 PECVD의 대부분이 HDPCVD로 바뀌어 가는 추세이다

deposition : 퇴적(쌓임) sputter : 입자들이 충돌하여 타켓 원자들이 방출되는현상(이온폭격)

 

남알남 님 유튜브 참조

쉽게 증착이 일어나는동안 내부에 증착에 의한 void(구멍)이 생길수 있는 불량을 증착과 동시에 조금씩 깍아냄으로써(이온폭격)내부에 구멍이 없이 증착이 이루어지는것

이러한 장점으로 트랜치나 GAP을 채우는데 사용하며 특히 소자분리방식으로 사용되는

STI(shallow trench isoation) 형성하는데 사용한다

5-4-5) ALD(Atomic Layer Deposition) : 원자 단위 증착

CVD 와 PVD 보다 더 얇고 미세한 막의 형성이 필요해지면서 등장

ALD는 precursor(전구체) 화학물질과 특정반응물질(reactant)를 번갈아가면서 반복주입하여 웨이퍼 표면에만 화학반응이 일어나도록 하는 유도공법

CVD 와는 다르게 원하고자 하는 두께를 구현가능하다

ALD 공정을 이해하기 위해서는 자기 포화반응을 알아야 한다

 

1)진공이 된 챔버내에 전구체(precursor)를 넣어준다

전구체는 반응을 도와주는 물질로서 먼저 웨이퍼 표면과 반응하여 나중에 넣어줄 반응물과 작용하는 물질이다

웨이퍼와 반응한 전구체는 자기포화반응으로 웨이퍼 표면에 달라붙은 이후 더이상 달라붙을곳이 없을경우

챔버내부에서 떠다니게 되는데 이때 잔여가스를 배출(purge)해준다

2)잔여가스를 배출한 이후 반응물질을 넣어주면 자기포화반응으로 전구체와 결합이 되면서 2중의 구조를 같게되며 더이상 결합이 안되고 남는가스는 배출하여 줌으로써 한사이클이 완료되며 이때의 두께를 고려하여 사이클수를 결정하면 원하는두께의 박막을 증착할수 있다

이문님 블로그 참조

 

ALD 와 CVD의 공통점 ALD 와 CVD의 차이

ALD의 장점으로는 매우 정교한 두께의 제어가 각능하며 높은 step coverage(단차에 따른 두께가 상이)

전구체만 다르게 주입하면 물질이 상이한 박막의 연속증착이 가능 또한 낮은 온도(25~400도)의 증착이기에 데미지가 낮은 장점을 가지고 있다

단점으로는 증착속도가 매우느려 생산성의 저하를 불러오거나 적절한 전구체와 반응체의 선택이 어렵다

그럼에도 미세화공정으로의 발전에 따라 증가하는 추세이며

주로 디램 케패시터의 형성 디램 및 로직에서 게이트 옥시드(gate oxide) 증착 ,3D 낸드에서 칩가장 아랫단까지 전극역활을 하는 텅스텐을 증착시키는 공법으로 사용된다

하지만 느린 박막 속도를 개선하기 위해 배치타입 ALD(웨이퍼를 아파트 층층 처럼 한꺼번에 투입하여 처리)를 사용함으로써 개선을 하고 있다

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5-4-6)PEALD(Plasma Enhanced ALD) : 플라즈마 ALD

전구체 공급 및 퍼지 까지는 동일하나 반응체 물질 공급단계에서 플라즈마를 일으켜 반응함으로서 속도를 향상

증착속도가 빠르며 박막의 품질이 우수하고 기존 ALD 대비 접착력(붙어있는힘)도 좋아짐

이문님 블로그 참조

전구체 주입시에는 플라즈마로 인하여 전구체가 분해되기때문에 플라즈마를 사용하지 X

ALD 공정의 적용(이문님 블로그참조)

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