[Ep. 5] 증착 및 이온 주입 공정(Deposition & Ion Implantation) - 증착편

 [Ep. 4] 에칭 공정(Etching)에서는 습식 식각과 건식 식각이 어떻게 다른지 비교해보았습니다. 식각 방법에 따른 선택비와 Etch Profile(등방성, 비등방성)이 주요한 평가 요소였습니다. 

[Ep.4] 에칭 공정(Etching)

 

 5. 증착 및 이온 주입 공정(Deposition & Ion Implantation)

1) 증착(Deposition)

 증착이란, 蒸(찔 증) + 着(붙을 착) 이라는 한자를 통해서 알 수 있듯 증기(gas)가 어딘가에 달라붙는 것으로, 반도체 공정에서는 웨이퍼 위에 물질을 얇은 필름(Thin Film)의 형태로 쌓아 올리기 때문에 박막(Thin Film) 공정이라고도 부릅니다. 증착 공정은 어디에 쓰이고 왜 필요한 것일까요?

 

 산화 공정에서도 언급되었듯이 반도체 공정에서는 다양한 절연막이 필요합니다. 그런데 산화 공정으로는 우리가 원하는 모든 곳에 절연막을 형성하기가 어렵습니다. 산화 공정에서 절연막을 형성하기 위한 준비물 세 가지가 Si, 산화제, 고온의 열이라고 설명했던 적이 있습니다. 반도체 제작을 위해 웨이퍼 위에 물질을 쌓아올리다 보면 Si를 더 이상 공급받지 못하는 부분이 생기며, 반도체 소자가 웨이퍼 위에 형성된 후 산화 공정을 진행하면 높은 온도로 인해 반도체 소자와 금속 배선의 특성이 열화(Degradation)되기 때문에 주로 공정 초기에 산화 공정으로 산화막을 쌓아올리고 소자가 형성된 후에는 증착 공정을 통해 SiO2 절연막을 만들게 됩니다. 

 

 증착 공정을 통해 형성되는 박막은 용도에 따라 두께가 조금씩 달라지는데 보통 1 μm 미만입니다. 박막으로 사용하는 증착 물질의 종류도 사용 목적과 역할에 따라 다양하게 존재합니다. 예를 들어, 반도체 소자와 소자를 연결하기 위한 금속 도선을 형성할 때에는 금속 박막을, 도선과 도선 그리고 소자와 소자 사이의 절연이 필요할 때에는 절연막을 증착하는 방식입니다. 박막을 형성하는 방식은 크게 PVD(Physical Vapor Deposition; 물리적 증착)과 CVD(Chemical Vapor Deposition; 화학적 증착)으로 나눌 수 있습니다. 

 

PVD(Physical Vapor Deposition)

 PVD는 이름에서도 알 수 있듯이 물리적인 방식으로 박막을 형성하는 방법이며, 여기서 물리적인 방식이란, 운동 에너지, 열 에너지, 전기 에너지 등을 활용하여 증착할 물질을 웨이퍼 위로 이동시켜 얇게 씌운 것 입니다. 대표적인 PVD 공정으로는 스퍼터링(Sputtering), 열 증발(Thermal Evaporation), 전자빔 증발(E-beam Evaporation) 등이 있습니다. 이 공정들은 박막에 순도를 높이기 위해 모두 진공 상태에서 진행됩니다. 

 

스퍼터링은 플라즈마 에너지를 이용해 박막 재료를 잘게 쪼갠 후, 이 파편들을 웨이퍼 표면으로 떨어뜨려 박막을 형성하는 방식입니다.

증발 공정은 박막 재료에 열 에너지를 가해 증기 상태로 만들어 입자가 웨이퍼 위로 달라붙어 코팅하는 방법입니다. 히팅 코일이나 발열체로 열을 가할 경우 열 증발 공정, 전자빔과 같이 큰 전기 에너지를 이용해 가열할 경우 전자빔 증발 공정이라고 부릅니다. 

※ Sputtering과 Evaporation 모두 자세히 다뤄보면 좋을 공정들입니다. 본 교재에서는 이 정도로 설명하고 넘어가니 다른 카테고리를 통해 만들어 보도록 하겠습니다. 

 

 PVD 공정에서 사용하는 기체 상태의 파편이나 증기는 운동 에너지를 가져 직진하려는 성질을 띕니다. 과거에는 웨이퍼 표면이 평평해서 박막의 두께를 균일하게 하는데 이러한 직진성이 큰 문제가 되지 않았으나, 최근에는 단차가 있는 3D 구조로 인해 PVD 공정을 통해 물질을 표면에 균일하게 코팅하는 데 문제점이 많습니다. 단차로 생긴 벽면과 바닥면에 얼마나 균일한 두께로 박막을 형성하는지는 반도체 공정에 있어 굉장히 중요한 요소로 이를 단차 피복성(Step Coverage)라고 합니다. 

 

CVD(Chemical Vapor Deposition)

 CVD는 재료들을 가스 상태로 진공 챔버에 주입하고 열이나 플라즈마 에너지를 가하여 웨이퍼 표면에 박막을 증착하는 방법입니다. 화학 반응을 이용하는 CVD는 재료 물질과 웨이퍼에 형성되는 최종 박막 물질이 서로 다릅니다.

 

 화학 반응은 보통 이러한 식으로 표현할 수 있습니다. A와 B가 만나 C와 D가 되는 것이죠. C라는 물질을 웨이퍼 위에 증착하기 위해 CVD 공정을 선택했다고 가정하면, C를 만들기 위해 A와 B를 진공 챔버에 주입하여 반응시키면 C가 형성되고, D가 부산물로 같이 만들어집니다. 화학 반응이 끝나고 필요한 C는 남기고, D를 제거하는 과정도 CVD 공정 중 일부에 해당하게 됩니다. 이때, CVD에서 사용하는 재료를 '목표 물질이 되기 전 상태의 화학 물질'이라는 의미로 전구체(Precursor)라고 부릅니다. 위 반응식에서는 A와 B가 전구체에 해당합니다. CVD 공정은 전구체가 도달할 수 있는 곳이라면 어디든지 어떤 물질이든지 필름으로 씌울 수 있고, 단차 피복성도 PVD 대비 매우 우수하다는 장점이 있습니다.

 

 다른 공정들을 요소에 따라 분류할 수 있듯이 CVD 역시 화학 반응을 일으키기 위한 에너지를 어떻게 공급할 것인지, 공정 압력은 어떤지, 증착되는 박막의 형태는 어떤지에 따라 등에 따라 다양한 CVD가 존재합니다. 여기서 모든 CVD는 다섯 단계를 거치며 박막을 형성하게 됩니다.

 

① 화학 반응에 활용되는 전구체 가스가 진공챔버로 확산(Diffusion)

② 확산된 전구체가 웨이퍼에 흡착(Absorption)

③ 표면에 흡착된 전구체가 화학 반응을 일으키며 웨이퍼 전체에 필름을 형성(Suface reaction)

④ 반응하고 남은 부산물들이 표면으로부터 떨어져 나옴(Desorption)

⑤ 떨어져 나온 부산물들이 챔버 바깥으로 확산되어 완전히 제거(Diffusion)

 

 화학 반응에 필요한 에너지를 열로 공급하면, 열 CVD(Thermal CVD), 플라즈마로 공급하면 플라즈마 CVD(Plasma CVD) 입니다. 열 CVD는 다시 대기압 수준에서 진행되는 APCVD(Atmospheric Pressure CVD)와 이보다 낮은 압력에서 진행되는 LPCVD(Low Pressure CVD)로 나뉩니다. 고품질의 필름을 형성하기 위해서는 고진공 상태를 만들어 주는 것이 좋지만, 압력이 낮아질수록 공정 온도가 높아지는 것을 고려해야 합니다. 위에서도 언급했다시피, 공정 온도가 한계치 이상으로 높아지면 반도체 소자의 동작 특성이 달라지거나 금속 도선이 녹는 문제가 발생할 수 있기 때문입니다. 

 

 플라즈마 CVD는 플라즈마를 이용해 위 공정보다 온도를 크게 높이지 않으면서 큰 에너지를 가할 수 있어 저온에서도 고품질의 박막을 증착할 수 있습니다. 대신 플라즈마 생성을 위해서 낮은 압력과 특정 환경을 구축해주어야 합니다. 플라즈마 CVD는 LPCVD보다 저압에서 진행하는 저밀도 플라즈마 CVD(PECVD; Plasma Enhanced CVD)와 그보다 더 저압의 환경에서 진행하는 고밀도 플라즈마 CVD(HDPCVD; High Density Plasma CVD)로 분류할 수 있습니다. 

 

 CVD는 낮은 압력과 낮은 온도를 갖춘 환경을 조성해 고품질의 박막을 형성하는 방향으로 발전해 왔습니다. 하지만 더 정교하고 복잡한 반도체 구조가 요구됨에 따라 CVD 또한 단차 피복성의 한계를 맞이하면서. 원자 단위로 한 층씩 쌓는 방식인 ALD(Atomic Layer Deposition)라는 공정이 개발되어 주목받고 있는 상황입니다.

 

 ALD 역시 화학적 반응을 활용한다는 점에서 CVD와 궤를 같이 하지만, 전구체를 공급하는 방식에 큰 차이가 있습니다. CVD는 박막 증착에 쓰이는 모든 전구체를 동시에 공급하는 반면, ALD는 전구체를 하나씩 차례로 공급하여 박막 물질이 한 사이클에 한 층씩 쌓이도록 진행합니다.

CVD

 

 전구체 A와 B를 반응시켜 C라는 물질의 박막을 증착한다고 할 때, CVD는 A와 B를 특정한 비율로 동시에 공급하는 반면, ALD는 먼저 A만 주입하여 웨이퍼 위로 한 층 코팅하고, 그 위에 B를 공급하여 한 층을 형성하여 반응을 일으켜 C가 증착되는 방식으로 이 과정이 ALD의 한 사이클입니다.

ALD

 한 층이 얇게 형성된 후에는 표면에 더 이상 전구체가 흡착되지 않도록 제어가 가능하여 원자 또는 분자 단위의 층을 하나씩 형성할 수 있습니다. 이러한 특성으로 고품질의 박막을 매우 얇은 두께로 형성할 수 있으며 단차피복성 또한 매우 좋은 특성을 지니만, CVD에 비해 증착 속도가 느려 두꺼운 박막을 증착하는 데 한계가 있습니다. 

 

 

[Ep. 5] 증착 및 이온 주입 공정(Deposition & Ion Implantation)는 증착과 이온 주입 공정이라는 중요한 두 가지 공정을 포함하고 있으므로 두 개의 글로 나눠서 제작하고자 합니다. 이번 글은 증착을 다뤘고, 다음 글은 이온 주입 공정에 관해 다뤄보도록 하겠습니다. 

 

 

[교재]

 

해당 글은 왼쪽 책을 교재로 하여 제작된 글입니다.

반도체 산업에 관해 더 자세한 내용을 살펴보고 싶으신 분은

가까운 도서관이나 서점을 통해 책을 봐주세요.

 

저자: 박진성
출판: 티더블유아이지
2023.02.06