- 일반적으로 반도체 8대 공정은 증착 공정과 이온 주입 공정을 하나로 보지만, 여기서는 두 파트로 나누어서 다루겠습니다.
- 본 문서는 반도체 8대 공정의 다섯 번째 단계인 '증착 및 이온 주입 공정' 중 '증착 공정'에 대해 다루겠습니다.
- 본 문서는 엔지닉 '반도체 전공면접 합격의 모든 것 - 이론 완성편'을 기반으로 작성하였습니다.
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1. 증착 공정
- 통상 1㎛ 이하의 얇은 두께의 필름을 화학적, 물리적 방법으로 사용하여, 절연체, 전도체는 물론 반도체에 이르는 다양한 박막을 기판인 웨이퍼 상에 증착하는 공정이다.
- 반도체 공정이 박막의 증착과 이의 선택적 제거의 연속이라 할 만큼 핵심 공정 중 하나이다.
📌 박막
- 기계가공으로는 만들 수 없는, 두께가 1㎛ 이하인 얇은 막을 의미한다.
- 물질이 박막 상태가 되면, 일반적으로 표면장력이 작아지고 점성이 커지는 등 화학적 성질이 크게 변하기 때문에, 화학 실험부터 전자회로, 자성체 등 다양한 곳에 활용되고 있다.
2. 증착 척도
2.1 품질(Quality)
- 전지적 특성, 물리적 특성의 전반적인 품질을 의미한다.
- 박막은 높은 온도에서 품질이 좋은 박막이 형성되는데, 그 이유는 화학반응으로 생긴 생성물이 높은 온도로 인해 기판 위를 움직일 수 있는 에너지를 갖게 되어 움직이다가 가장 안정된 위치에 결합될 확률이 증가하기 때문이다.
2.2 두께 균일도(Thickness Uniformity)
- 웨이퍼 상의 여러 부분에서 두께가 얼마나 균일하게 증착되는지를 의미한다.
- 두께가 균일하게 증착되는 것이 좋다.
2.3 Step Coverage(S/C)
- 벽면에 증착된 박막 두께와 평평한 윗면에 증착된 박막 두께의 비율로, 단차가 있는 패턴에서 옆면을 커버할 수 있는 능력으로 생각할 수 있다.
- 단차가 심할수록 S/C의 영향을 더 많이 받을 수 있다.
- 일반적으로 화학 기상 증착(CVD)가 물리 기상 증착(PVD)에 비해 S/C가 더 좋다.
2.4 Filling
- 단차 사이 공간을 빈 공간 없이 잘 채우는지의 여부를 의미한다.
- 증착이 진행되는 과정에서 채워지지 못한 빈 공간이 발생하게 되는데, 이 공간을 Void라고 한다. 박막 내에 형성되는 Void는 막질의 특성을 저하시키고, 후속공정의 불량률을 높이는 등 많은 문제를 일으킨다.
- 패턴 사이의 간격이 좁아질수록 Void가 생길 확률이 커진다.
2.5 Apsect Ratio (종횡비)
- 높이 / 폭의 비로, 단차를 나타내는 용어이다.
- 균일화의 어려움 척도를 나타내는 수치이다.
- 종횡비가 높을수록 단차가 크기 때문에 깊은 영역의 증착이 어렵다. 즉, 증착물질로부터 기판까지의 거리가 멀수록 입자가 도달하기 어려워 불균일하게 증착된다.
3. 증착 방법의 종류
- 증착 방법에는 기상(Vapor)과 액체 상태에서의 증착 방법으로 나눌 수 있는데, 그 중 기상 상태에서의 증착 방법에 대해 다루겠다.
- 기상 상태에서의 증착 방법은 다시 화학 기상 증착(CVD)와 물리 기상 증착(PVD)로 나눌 수 있다.
3.1 CVD
- 기체 상태의 반응 가스(전구체, Precursor)를 진공의 반응 챔버에 주입한 상태에서, 열이나 플라즈마와 같은 에너지를 가하여 웨이퍼 표면에 화학 반응을 일으킴으로써 원하는 고체 상태의 박막을 형성하는 과정이다.
- 이때 반응 중 생성되는 부산물은 기체 상태로 배기된다.
- PVD보다 높은 압력 및 온도에서 진행되며, 절연체, 반도체, 도체 금속 등 다양한 물질의 증착이 가능하다.
- 또한 PVD 대비 피복 능력이 우수하다.
3.1.1 CVD 과정
STEP 1) 반응 가스(전구체)는 용기에 고압으로 압축되어 있다. 따라서 용기에서 밀어내는 압력과 진공펌프의 배기 압력이 조합되어 나타나는 대류에 의해 반응로로 들어온다.
STEP 2) 반응로로 들어온 반응 가스의 일부는 층류로 흘러가고 나머지는 웨이퍼 표면의 경계층을 통해 웨이퍼 표면으로 확산해 이동한다.
📌 경계층
- 가스의 흐름과 웨이퍼 사이의 마찰력으로 인해 웨이퍼 표면 근처에 생긴, 가스의 흐름이 매우 느린 층을 의미한다.
- 이 경계층 내에서는 웨이퍼 표면에서의 반응으로 인해 반응 가스의 소모가 일어나 농도 차이가 발생하게 되므로, 확산에 의해 가스가 이동하게 된다.
STEP 3) 웨이퍼 표면에 반응물이 흡착된다.
STEP 4) 흡착된 반응물은 확산, 이동, 분해, 고착 등의 다양한 표면 반응을 통해 핵 → 섬 → 박막 순으로 박막이 형성된다. 이때 기판 표면에서의 전구체의 이동 능력에 따라 박막의 치밀도, 피복 능력 및 매립 특성 등이 좌우된다.
STEP 5) 반응이 완료되면 웨이퍼 표면에 있는 기체 상태의 반응 부산물이 탈착(Desorption)된다.
STEP 6) 탈착된 반응 부산물이 경계층을 통해 확산한다. 이 과정이 중요한 것은 반응 부산물이 가능한 한 빨리 배기되어야 새로운 전구체가 흡착되어 새로운 박막을 형성할 수 있기 때문이다.
📌 확산
- 경계층 내에서 웨이퍼 표면의 반응 부산물 농도가 벌크 가스 중의 농도보다 높아서 발생하는 현상이다.
STEP 7) 진공 펌프 등으로 인한 대류에 의해 증착 영역에서 기체 상태의 반응 부산물이 배기(Exhaust)된다.
3.2 CVD의 종류
- CVD는 원료 가스를 분해하는 분해원에 따라 PECVD, APCVD, LPCVD 등으로 구분할 수 있다.
- 이중 현재 PECVD가 가장 많이 사용되고 있다.
3.2.1 APCVD(Atmospheric Pressure CVD)
- 초기 CVD 공정방식으로 대기압 상태에서 증착을 진행했다.
- 압력이 높을수록 처리율이 좋고 간단한 반응기 구존인 장점이 있지만 진공도가 낮아서 가스 분자 간 충돌이 많고 S/C 특성이 나빠서 현재는 사용하지 않는다.
3.2.2 LPCVD(Low Pressure CVD)
- 압력을 APCVD보다 1/100 가량 낮춘 방식으로, APCVD보다 S/C가 우수하다는 장점이 있다.
- 압력이 1/100 가량 낮아진 문제점은 온도를 2배 높게 하여 처리율 문제를 보완하였다.
- 하지만 집적도가 높아진 트랜지스터 상부에 위치한 IMD와 같은 층 밑에 있는 메탈라인을 녹일 만큼 높은 온도여서 저온 방식이 필요했다.
3.2.3 PECVD(Plasma Enhanced CVD)
- 진공상태의 챔버에 위아래로 높은 전압을 걸어서 플라즈마를 형성한 뒤 반응시켜서 증착시키는 방법이다.
- 위의 두 가지 방법과 다르게 저온에서 이뤄지며, 고온을 사용할 수 없는 후속 공정에서 주로 사용한다.
3.2.4 HPDCVD(High Density Plasma CVD)
- 반도체 소자의 미세화에 따라, 금속 배선 등의 CVD 박막에서 고 종횡비 구조물 사이의 공간을 Void 없이 매립해야 할 필요성이 높아졌다.
- 이러한 요구 조건을 만족시키기 위한 CVD 공정이 바로 HPDCVD이다.
3.3 PVD의 종류
- 크게 진공 증착과 스퍼터링으로 나눌 수 있다.
3.3.1 Thermal Evaporation
- 반도체 제조 초기에 알루미늄 금속을 열적으로 증발시켜 증착하는 데에 널리 사용된 방식이다. 이는 알루미늄의 비등점이 낮아 쉽게 기화하기 때문이었다.
- S/C는 좋지 않고, 조절도 불가능한 방법이기 때문에 현대 반도체 공정에서는 사용하지 않는다.
3.3.2 Sputtering Deposition
- 금속 증착에 주로 사용되는 방법이다.
- 반응성이 낮은 아르곤 가스를 사용하여 플라즈마를 생성하고, 그 중 높은 에너지를 가진 이온이 증착 금속에 충돌함으로써 금속 표면으로부터 원자나 분자를 방출시킨다. 이렇게 방출된 입자들을 반대편의 웨이퍼 기판 표면에 증착시킴으로써 금속 박막의 형성이 이루어지는 원리이다.
