[반도체/8대공정]비전공자와 함께 공부해보는 박막, 증착 공정 (deposition)

8대 공정

웨이퍼 제조 > 산화 공정 > 포토 공정 > 에칭 공정 ( 식각 공정 ) > 증착 공정 / 이온주입 공정 > 금속배선 공정 > EDS 공정 > 패키징 공정 

 

저도 함께 공부해가기 위해 작성하는 내용으로 틀리거나 보충했으면 좋겠다 하는 내용이 있으시면 지체없이 말씀해주세요!!

 

방문해주셔서 감사합니다.

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1차적으로 생각한 내용

 

박막 공정 : 웨이퍼 위에 얇은 막을 씌우는 공정 ( 1 μm 이하의 두께를 가진 막으로 굉장히 얇다) 

 

why?  - 원하는 전기적 특성을 갖게 하기 위해   ( 금속막층 + 절연막층 )  , but 단순히 증착만으로 전기적 특성이 생기는 것은 아니고 추후 이온주입 공정 필요.

how? - 물리적 (PVD) / 화학적 (CVD) 인 방법들을 통해 웨이퍼 위에 막을 입혀준다.

 

 

박막 공정은 웨이퍼 위에 굉장히 얇은 막을 씌워 웨이퍼가 원하는 전기적 특성을 갖게 만드는 공정을 말합니다.

 

약 1 μm 이하의 두께를 가진 막을 씌우는 일이므로 고도의 기술력이 필요한 일입니다.

1 nm = 10^-9 m (10억 분의 1 미터)

박막:두께가 μm 이하인 얇은 막 

따라서 이러한 얇은 막을 씌우는 일이므로 박막 공정 또는 물질을 박막의 두께로 입힌다는 의미의 증착 공정이라는 단어를 사용하여 표현하는것 같습니다. 

 

 

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박막 공정의 공정 분류 

 

이러한 세밀한 막을 씌우는 일을 어떻게 하는지는 두가지로 나눌 수 있습니다.

 

 

https://www.skcareersjournal.com/tag/%EB%B0%95%EB%A7%89%EC%A6%9D%EC%B0%A9%20%EA%B3%B5%EC%A0%95

 

1. 화학적 기상 증착 ( CVD, Chemical Vapor Deposition)

2. 물리적 기상 증착 ( PVD ,Physical Vapor Deposition)

 

이름에서 알 수 있듯이 증착하는 방법에 따라 크게 두가지로 구분지어 사용하게 됩니다.

 

우선 첫번째로 물리적 기상 증착에 대해 알아보겠습니다.

 

물리적 기상 증착은 다시 다음과 같은 두가지 방법으로 나누어 지게 됩니다.

 

첫째. 증착시키려는 ( 웨이퍼에 씌우고 싶은) 금속(target)을 고 진공에서 가열 및 증발 시켜 웨이퍼에 증착시키는 진공 증착 방법 ( Evaporation)

둘째, 플라즈마 상태에서 강한 전기장에 의해 가속된 이온을 금속에 충돌시켜서 떨어져 나온 금속입자를 웨이퍼에 증착시키는 스퍼터링 방법(Sputtering)

 

화학적 기상증착은 다음과 같이 다시 나누어 지게 됩니다

첫째, 열을 반응 에너지원으로 하는 ( AP-CVD, LP-CVD , AP는 상압 , LP는 저압, 즉 압력에 따라 다시 두가지로 나누어 집니다)

둘째, 플라즈마를 에너지원으로 하는 플라즈마 강화 CVD (PECVD)

셋째 , 기존의 플라즈마를 이용하는 방식을 변형하여 원자층 단위의 더욱 얇은 박막을 쌓는 원자층 증착 (ALD)

 

 

+ 추가적으로 기상 상태가 아닌 액체 상태의 박막 증착 방법은 도포 와 도금 방식이 있습니다.

이는 SOG ( spin On Glass, 포토레지스트를 도포할때처럼 액체를 뿌리고 웨이퍼를 회전시켜 원심력을 이용해 웨이퍼 위에 액체를 일정한 두께로 도포하는 방식) 을 통해 이루어지게 됩니다.

 

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화학적 기상 증착 

>>화학적 기상 증착 안에서 사용되는 외부 에너지에 따라 , 열, 플라즈마, 광 등으로 나눠지게 된다. 

-> 이 때 증착 방법의 변화는 되도록 저압에서 시행되는 것을 목적으로 변화된것 같은데, 저압에서 증착공정이 시행될 경우 장점이 뭘까 생각해보자.

 

- 기체 상태의 증착시키고자 하는 금속을 진공상태의 반응 쳄버에 주입한 후 열 또는 플라즈마와 같은 에너지를 가해 웨이퍼 표면상에서의 화학반응을 일으켜 원하는 고체 상태의 박막을 형성하는 공정입니다. 

 

-물리적 기상 증착 대비 피복능력 우수 ( why? )

-비가역적 반응 : 이전상태에서 현재상태가 되었을때 다시 이전상태로 돌아갈수 없는 경우 

 

내가 이해한 순서

1. 진공챔버안에 웨이퍼 넣는다

2. 박막시키고자 하는 것을 기체상태로 챔버안에 주입한다. 

3. 열 또는 플라즈마를 가해준다

4. 웨이퍼 표면과의 화학반응을 통해 증착이 완료된다.

5. 화학반응을 통해 생긴 부산물들은 기체형태로 배출(배기) 되게 된다. 

- 이 과정에서 다양한 화학반응이 이루어져서 화학적 기상증착이라고 하는것 같다.

 

실질적 과정

1. 반응 전구체가 반응 챔버 내로 유입되어 웨이퍼에 도달 ( 질량 전달 ) 

2. 전구체가 웨이퍼 표면에 흡착되어 표면과의 다양한 화학반응을 통해 고체상태의 박막 형성 

3. 반응 부산물이 기체상태로 반응챔버 빠져나가는 과정 ( 배기 ) 

 

+ 이때 일어나는 반응의 종류

이종 반응  : 가열된 웨이퍼 표면에서만 발생, 우수 품질 박막을 얻기 위한 필수 반응 (Good) 

균질 반응 (동종 반응) : 여러 부산물 및 반응물 덩어리로 인해 웨이퍼에 이물질을 형성할 수 있기 떄문에 안좋다 (Bad)

 

 

1) 열적 화학 기상 증착 

- 에너지원 : 열 

 

1-1 ) 상압 화학 기상 증착 ( AP - CVD )

공정온도 (400 ~ 500도) , 대기압(760 Torr)

 

-장점 : 증착 속도 빠르고 , 장치구조가 단순하다.

-여러 단점들 ( 생산성 낮고, 균일도 조절 어려움, 불순물에 의한 오염) 들로 인해 현재는 거의 사용하지 않는다.

 

1-2 ) 저압 화학 기상 증착 (LP - CVD )

-우수한 계단 피복 능력 

-상압 화학 기상 증착의 단점을 보완하기 위해 제안된 방법

 

2) 플라즈마

 

2-1 ) 플라즈마 강화 화학 기상 증착 ( PE-CVD )

-플라즈마 상태의 라디칼을 사용해 박막을 증착

-낮은 온도에서도 박막 형성 가능 ( 높은 에너지를 가진 활성종을 만들어 반응에 필요한 활성화 에너지 감소 가능 - why? 적은 에너지로 반응시킬수 있어서?) 

-높은 웨이퍼 처리량

-양호한 피복 능력 (낮은 고착 계수- 흡착 후 유동성 높음)

- 단점 : 다양한 물질들과 반응 부산물로 인한 박막 혼입의 가능성 

 

2-2 ) 고 밀도 플라즈마 화학 기상 증착 ( HDP-CVD)

- 매립능력 조건을 갖추기 위해 제안된 방법

+매립 능력 : CVD박막에서 고 종횡비 구조물 사이의 공간을 빈 공간(VOID) 없이 매립할수 있는 능력?

 

-반응 가스 : SIH4, O2, Ar 등 

 

원리 : SiO2 박막 증착하고 바로 입구부분 식각을 동시에 진행해서 매립능력을 향상 시킨다. 

(증착하고 입구 부분에 빈공간 있으면 다음에 영향 있으니까 바로 동시에 식각해서 다음 증착공정 반복 할 때 빈공간 없이 잘 증착되게 만드는 방법인것 같다. )     

 

- 그림 있으면 이해 편할 듯 -

 

요구 조건 : 낮은 챔버 압력 (터보 펌프 사용 ) , 유도성 결합 플라즈마(ICP) , 전자 사이클로트론 공명 등과 같은 기술들이 필요하게 되었다. 

 

 

2-3 ) 원자층 증착법 ( ALD , Atomic Layer Deposition ) 

 

- 반응 기체와 웨이퍼 기판 표면과의 화학 흡착을 통해 원자층 수준(atom, 그래서 원자층 증착법 인듯) 으로 한층 한층 박막을 쌓아 올라가는 증착 방법 

( 원자층 수준이니까 정말 얇고 정밀하게 까는게 가능한 느낌) 

 

준비물 : 서로다른 전구체 A,B 

방법 : A 주입 -  정화기체 분사(PURGE) - B 분사 - 정화기체 분사(여기까지가 1 사이클,이 순서를 계속 반복해서 실행 ) 

 

자기제한적 반응 : 아무리 많은 양의 전구체를 주입하더라도 흡착하려는 공간이 꽉 차면 더이상 흡착 및 증착이 안일어난다.  - (그러면 많이 주입해서 깔리고 남으면 나머지 기체는 배출되는건가? - 배기 단계가 있다 )

 

비유해서 생각 : 전구체(구슬아이스크림 정도로 생각)를 컵에 깔면 제일 아래층 공간이 꽉차면 더이상 안깔린다. 근데 위에 다른 맛의 아이스크림을 한층 더 쌓았을때 아래랑 위에랑 맛이 섞일 수 있으므로 그런 반응을 방지하기 위해 Purge반응 (정화기체 분사) 단계를 거쳐 서로다른 아이스크림 간에 맛이 섞이는 걸 방지하는 느낌 

 

사이클 당 두께를 고려해서 사이클 수를 결정 후 반복하면 원하는 두께의 박막을 증착할 수 있다!  

-원하는대로 제어할 수 있다는 것이 굉장히 큰 장점인것 같다.

 

장점

1. 자기 제한적 반응

2. 매우 정교한 두께의 제어가 가능 ( 원자 수준으로 사이클 반복을 통해 ) 

3. 계단 피복 능력이 우수 

(+ 앞서 살펴본 PVD,CVD의 경우 도달각이 큰 구조물의 입구 부분에 증착이 먼저되어 역 돌출부가 생겨 증착이 진행될수록 입구가 막히는 문제가 생긴다. but ALD는 자기제한적 반응으로 인해 역 돌출부 생성이 없어서 )

4. 전구체만 다르게 주입해주면 상이한 박막의 연속 증착이 가능 ( A,B, C ... 등 다양한거 가능)

5. 저온 증착이 가능 (반응성이 낮아서? 높아서?, 저온 증착 가능한 조건 찾아보기  ) 

 

단점

- 좁은 공정 온도 윈도우 떄문에 적절한 전구체와 반응체 선택이 어렵다 

- 증착 속도가 느려 생산성이 저하된다. 

 

ALD 응용 분야

- FinFET 게이트 산화막 , 3d 낸드 플래시의 터널 산화막 등 \

 

 

CVD와 ALD의 차이 

CVD	ALD
모든 전구체가 동시에 주입	전구체를 순차적으로 주입
cvd전구체 공정온도에서 열분해	분해되면 안된다  -따라서 ALD 공정온도는 전구체의 열분해 온도보다 낮게 설정되어야 한다. (이게 저온증착 가능한 이유인가?)
반응성 높을 필요 x	ALD전구체의 반응성이 매우 높아야 함
전구체 가스 유량 세밀 제어	제어 필요 x (자기제한특성)
열분해, 산화,환원 박막 증착	리간드의 교환,해리등 화학흡착
챔버 크기 상대적으로 큼	퍼지 시간 짧게 하기 위해 챔버 작을 수록 좋다.

 

ALD 공정 장치

 

1. 흐름형 반응기

 

2. 샤워 헤드형 반응기 

 

 

2-4) 플라즈마 증속 ALD (PE-ALD)

방법 : A 주입 -  정화기체 분사(PURGE) : 여기까지는 ALD와 동일 -> 전구체 B 주입 단계에서 플라즈마를 발생시켜 반응성을 향상 

-직접 플라즈마 방식 & 원격 플라즈마 방식 

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물리적 기상 증착

 

1) 진공 증착

 

 

2) 스퍼터링 증착 

 

 

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추가해야할 내용

 

물리적 기상 증착 

-진공 ( Evaporation)

-스퍼터링

 

공정 중 온도에 따라 발생할 수 있는 문제 

각 공정별 장단점 표로 정리

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이해하기 어려웠던 내용 및 용어 

 

계단피복 능력

플라즈마

기압과 온도 간 관계

 

종횡비 : 반도체 구조 가로 세로비율

고 종횡비 구조물 ? - 반도체가 옆으로 펼치는데는 한계가 있으니까 위로 쌓는 적층방식을 도입하기 시작했는데 이를 통해 형성된 위로 쌓인 구조물의 종횡비 비율이 높다? 높이가 높다는 의미 같다 

-> 이러한 구조물이 되어감에 따라 발생하는 여러가지 문제들과 이를 해결하기 위한 기술들이 함께 생겨나는듯

Ex. TSV filling?  

 

전구체(前驅體, 영어: precursor) 또는 전구물질(前驅物質) 또는 '선구 물질'은 화학에서 다른 화합물을 생성하는 화학 반응에 참여하는 화합물이다.

 

리간드 ? : 화합물의 중심 금속 이온이 비공유 전자쌍을 주면서 배위결합하고 있는 분자 또는 이온  ( 이 말도 이해가 잘 안된다. ) 

 

 

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제 입장에서 반도체 공부를 해보는 과정에서 시대의 흐름 순서대로 공정에서 쓰이는 기술들이 어떻게 변화했고 왜 변화했는지를 파악해가면서 공부를 하다보면 개념이 조금 더 쉽게 이해되는 경우가 많은 것 같습니다. 

 

혹시 수 많은 개념들이 한번에 몰려들어 이해하기 힘든 때가 온다면 중간중간 어떤 변화가 있었고 어떤 경우에 이 기술과 공정을 쓰는지를 이해하고 넘어간다면 더욱 깊고 넓은 이해가 가능할 것 같습니다! 

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반도체 공부는 생소한 용어도 많고 사용되는 공식이 다양해 더욱 어려운것 같습니다. 함께 같은 꿈과 관심사를 갖고 노력하는 모든 분들이 성공하셨으면 좋겠습니다. 

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