박막 공정이라고도 하는 증착 공정(Deposition)은 웨이퍼 위에 얇고 균일한 박막(1㎛ 이하 두께의 막)을 증착하는 과정으로, 크게 물리적 기상 증착인 PVD(Phisical Vapor Deposition)와 화학기상증착인 CVD(Chemical Vapor Deposition)로 나뉩니다.
PVD는 고진공 상태에서 증착하려는 물질 소스에 에너지를 가해 기화시켜 기판에 증착시키는 Evaporation 방법과 소스 타겟에 플라즈마 이온을 강하게 충돌시켜 소스 원자가 튀어나와 기판에 증착시키는 Sputtering 방법을 주로 사용합니다.
CVD는 기체 상태의 소스 물질을 기판으로 이동시켜 박막에 증착하는 방법입니다. 주로 열과 플라즈마 등의 에너지를 가해 화학반응을 일으킵니다.
| PVD | CVD | |
|---|---|---|
| 장점 | – 저온, 안전한 공정 – 고진공 환경 (오염도 낮음) – 고품질 박막 증착 가능 – 간단한 장비구조 | – 증착 속도 빠름 – 좋은 step coverage – 다양한 소스 gas 사용가능 |
| 단점 | – 증착 속도 느림 – Adhesion issue | – 변수 통제 힘듦 – 가스 사용시 위험 – 장비 복잡 – 고온 환경 – 증착 가능 물질 제한 |
Deposition 종류
PVD, Physical Vapor Deposition
PVD에는 다음과 같은 장점이 있습니다.
- 고진공 상태에서 화학반응 없이 증착하기 때문에 다양한 물질을 소스로 사용할 수 있음
- 기판 온도를 자유롭게 조절할 수 있음. 이외에도 진공도나 전압 등의 조절할 수 있는 변수가 많음
- 고진공 환경에서 증착하기 때문에 particle 같은 오염이 적음
다만 CVD 대비 step coverage나 박막 균일도가 좋지 못하다는 단점이 있습니다.
Evaporation
Evaporation에는 크게 열을 이용하는 Thermal evapoator와 전자빔을 사용하는 e-beam evaporator가 있습니다.
고진공(~10-6 torr)분위기에서 진행되는 thermal evaporation 증착은 소스 물질이 열에 의해 기화되고 확산하여 기판에 흡착되면 응축되는 간단한 절차로 진행되기 때문에 장비가 단순하다는 장점이 있습니다. 다만 두꺼운 막을 증착하기 어렵고 녹는점이 높은 물질은 증착하기 어려우며, 기판과 접착력이 낮다는 단점이 있습니다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 소스에 전자빔을 가해 증발시키는 E-beam evaporator를 사용하기도 합니다. Thermal evaporator 대비 증착 속도도 빠르고, 녹는점이 높은 물질도 증착이 가능하며, 접착 문제도 개선할 수 있습니다. 다만, 접착 문제는 완전히 해결하기 힘든데요, 저는 E-beam evaporator로 Pt를 증착했는데 bare wafer 위에 Pt를 증착하면 adhesion issue가 있어서 Ti를 adhesion layer로 5nm 정도 증착하고 Pt를 증착했습니다.
그리고 E-beam evaporator의 경우 X-ray가 발생할 수 있다는 문제가 있습니다. SiO2도 E-beam evaporator로 증착할 수 있어서 연구에 활용했는데, 태양전지 연구팀은 X-ray가 소자에게 영향을 줘서 E-beam evaporator가 아니라 PECVD로 SiO2를 증착했습니다.
Evaporation은 어떤 소스를 증착하느냐에 따라 어떤 boat(소스를 담는 용기)를 사용하는지 정해야 하는데, 주로 W(텅스텐)이나 Mo(몰리브덴)을 사용합니다.
Sputter
Sputter는 타겟에 고에너지 입자(플라즈마)를 충돌시켜 나온 소스 물질들이 기판 표면에 흡착되어 증착되는 방식입니다.
플라즈마는 안정한 불활성 원소인 Ar을 주로 사용하는데 플라즈마로 만들고 가속해 10eV 이상의 에너지를 가지고 타겟에 충돌하면 타겟 원자가 튀어나오게 됩니다.
증착이 진행되는 챔버(Chamber)는 기본적으로 고진공 상태이지만 플라즈마를 생성시키기 위해 Ar 가스를 주입하고 실제 증착이 진행될 때는 1~100mtorr의 압력을 유지하게 됩니다. Evaporator 대비 만 배 정도 압력이 높기 때문에 step coverage를 개선할 수 있습니다.
CVD, Chemical Vapor Deposition
CVD는 고진공에서 증착을 진행하는 PVD와 달리 대기압이나 중진공(100~10-1Pa)에서 증착을 진행합니다. 챔버에 반응성 가스를 주입하면 기판에 붙고, 열과 플라즈마 등을 통해 에너지를 통해 화학반응을 일으켜 박막을 형성합니다.
- 반응성 가스가 챔버 내에서 기판 표면 위에 일정한 속도로 흐른다.
- 기판 표면에서 마찰로 인해 가스가 흐르는 속도가 0으로 줄어드는데 이를 정체층(boundary layer)이라고 한다.
- 정체층의 가스는 웨이퍼에 흡착되어 가스 농도가 낮아지고 농도가 높은 주변에서 가스가 계속 정체층으로 유입되어 기판 표면에 공급된다.
- 기판 표면의 화학반응으로 인해 박막이 증착되고 생성물은 챔버 밖으로 배출된다.
CVD 공정의 장단점
| 장점 | 단점 |
|---|---|
| 열 산화막 대비 저온에서 증착 좋은 step coverage 박막 두께 조절 쉬움 다양한 gas 소스 사용 가능 | 반응 변수가 많아 정확한 레시피 설정 필요 가스 위험성 복잡한 장비 증착 가능 물질이 많지 않음 |
APCVD, Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition
대기압에서 공정이 진행되는 APCVD의 경우 압력이 높아 화학반응을 하는 입자가 많기 때문에 반응이 쉽게 일어나 낮은 온도에서 공정이 가능합니다. 또한 입자들끼리 충돌이 많아 MFP(Mean Free Path)가 짧기 때문에 모든 방향으로 증착이 일어나게 됩니다. 이 경우, arrival angle이 큰 코너에만 증착이 빨리 되어 step coverage가 나빠질 수도 있습니다. 또한 화학반응이 많이 일어나기 때문에 기판 표면뿐만 아니라 챔버 내부에서 화학반응이 일어나고, 이에 따라 생성된 물질이 파티클 형태로 오염의 원인이 될 수 있습니다.
하지만 진공 장비가 필요하지 않아 장비가 단순하고 저렴하다는 장점이 있습니다.
LPCVD, Low Pressure Chemical Vapor Deposition
낮은 압력에서 증착을 진행하는 LPCVD의 경우보다 품질이 좋은 박막을 형성할 수 있습니다. 다만 압력이 낮아 증착 속도가 느리기 때문에 열을 가해 높은 온도에서 공정을 진행하고 100~200장의 웨이퍼를 배치(batch) 방식으로 한 번에 증착하여 생산성을 높입니다.
APCVD 대비 낮은 압력과 높은 온도에서 증착하기 때문에 박막의 품질이나 균일도, step coverage 등이 개선됩니다. 다만 진공 장비와 Hot wall이 추가되어 장비 구조가 복잡하고 더 비쌉니다.
PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition
LPCVD의 경우 고온에서 공정이 진행되기 때문에, 웨이퍼에 Al 같은 녹는점이 낮은 금속이 증착되어 있는 경우 CVD를 진행할 수 없다는 단점이 있습니다. 이럴 경우 APCVD가 사용되었는데요, 앞에서 말씀드린 문제점들을 해결하기 위해 PECVD 방식을 도입하였습니다.
PECVD는 반응에너지로 열에너지와 플라즈마를 사용합니다. 그렇기 때문에 LPCVD 대비 낮은 온도에서 빠른 증착이 가능합니다. 다만, plasma damage가 발생하여 웨이퍼에 영향을 줄 수 있고 박막에 불순물이 포함되어 LPCVD 대비 박막 품질이 떨어진다는 단점이 있습니다.
그렇지만 APCVD 대비 박막의 품질을 개선할 수 있어서 저희 연구실도 APCVD 장비를 PECVD 장비로 개조하여 사용했었습니다.
| 구분 | APCVD | LPCVD | PECVD |
|---|---|---|---|
| 특징 | 상압 공정 | 저압 / 고온 공정 | 플라즈마 활용 |
| 장점 | 간단한 장비 매우 빠른 증착 속도 저온 공정 | 고순도 박막 형성 박막 균일도 좋음 Step coverage 좋음 | 저온 공정 빠른 증착 속도 |
| 단점 | 나쁜 step coverage 불순물, 파티클 오염 | 고온 공정 느린 증착 속도 | 불순물, 파티클 오염 |
| 적용 공정 | PSG Passivation -> PECVD로 대체 | Pre-metal Dielectric Oxide, Nitride, W | Intermetal dielectric Passivation |
참고: 삼성전자 [반도체 백과사전]
