[반도체 공정] 5. 증착공정(Deposition)

증착공정(Deposition)

증착(Deposition)이란 반도체 소자를 구동하기 위해 필요한 다양한 물질(금속이나 polymer)을 얇은 두께의 박막(film)으로 형성하는 과정을 의미한다.

물질을 증착하는 방법에는 MBE(Molecular Beam Epitaxy), LBL(Layer by Layer deposition), LB(Langmuir-Blodgett technique), ALD(Atomic Layer Deposition)등 세부적으로 많은 방법이 있으나 이번 포스팅에서는 큰 틀에서의 방법만 다루겠다.

바로 Physical Vapor Deposition(PVD)와 Chemical Vapor Deposition(CVD)이다.

Physical Vapor Deposition는 화학반응을 수반하지 않는 증착법이며 여기에는 sputtering, thermal evaporation, E-beam evaporation등이 있다. 

Chemical Vapor Deposition는 화학반응을 통해 형성된 gas 형태의 atom이나 molecule을 통해 증착하는 방법이다. 이외에도 박막을 증착하는 방법에는 CSD(Chemical solution deposition)등이 있다.

증착 척도(Deposition index)

증착공정을 평가하는 여러 척도는 다음과 같다.

Quality(품질)

: 전기적 특성, 물리적 특성의 전반적인 품질

Thickness Uniformity(두께 균일도)

: wafer 표면의 두께, 증착된 film의 두께 균일도 등

Step Coverage

: 단차에서의 일정한 두께를 유지하는지의 여부

 

위 그림에서 Step Coverage는 s/t로 계산 할 수 있으며, 균일화의 정도를 의미한다. 단차가 있는 부분은 안쪽이 잘 쌓이지 않는다. 일반적으로 CVD는 good step coverage를 가지고 있으며 PVD는 poor step coverage를 가진다.

Good Step Coverage      Poor Step Coverage

이외에도 Aspect Ratio(종횡비)는 h/w이며, 균일화의 어려움 척도이다. 즉, A/R 값이 클수록 균일화가 어렵다.

Filling

: 단차 사이 공간을 빈 공간 없이 잘 채우는지 여부

 

위의 그림에서 사이 공간을 증착으로 채우다보면 단차 사이 공간이 위 그림처럼 채워지게 된다. 이 과정에서 채워지지 못한 빈 공간이 발생하게 되고 이 공간을 Void라고 한다. 당연히 Void는 최소화 해야 할 defect에 해당된다.

패턴이 작아질수록 Void가 생길 확률이 커진다.

물리적 증착법(PVD : Physical Vapor Deposition)

Thermal Evaporation

Thermal Evaporation은 증착시키고자 하는 물질을 고진공 chamber에 넣고 가열함으로써 증착물질을 증발시켜 기판에 증착하는 방법이다. 고진공에서 진행하는 이유는 mean free path를 높이기 위해서이다. 그러나 물질이 등방성(isotropic)하게 퍼지기 때문에 low step coverage를 가진다.

E-beam Evaporation

Thermal Evaporation와 동일한 방식으로 물질을 가열하여 증발시킨 후 기판에 증착하는 방법이다. 차이점은 직접적인 가열이 아니라 전자빔(electron beam)을 이용하여 증착물질을 가열하는 방법이다. 마찬가지로 step coverage가 좋지는 못하지만 높은 에너지의 E-beam을 걸어주어 plasma상태를 만들어 준 후에 DC 전압을 걸어주면 step coverage를 향상시킬 수 있다.

Sputtering

마찬가지로 진공상태의 chamber에서 진행한다. 증착기판에 anode인 (+)극을 연결하고 시료(target) 기판은 cathode인 (-)극에 연결한다. 그 후 Chamber에 비활성 기체인 Ar을 채워주고 고전압을 걸어주게 되면 (-)극에서 전자가 방출되어 (+)극으로 가속되면서 Ar 원자와 충돌하게 된다.

이 때 Ar이 Ar+로 이온화 되며 (-)극인 시료 기판에 충돌하게 된다. Ar+와 충돌하면서 시료(target) 물질에 존재하는 원자가 튀어나오게 되고 이 원자들이 기판(substrate)에 증착되면서 박막을 형성하게 된다.

 Sputtering은 가해주는 전압의 종류에 따라 DC(직류) sputtering과 RF(교류) sputtering으로 나뉜다. DC sputtering은 금속과 같은 도체에 주로 사용하며 RF sputtering은 반도체나 부도체에 주로 사용한다. RF sputtering은 시료표면에 전하가 축적되는 electric load 현상을 방지하기 위해 사용한다.

화학적 증착 방법(CVD : Chemical Vapor Deposition)

기본적인 CVD mechanism

① Reactant gas가 chamber 안으로 들어오게 되고 에너지에 의해 chemically reactive한 상태가 된다.

② Chemically reactive한 molecule이 diffuse 된다. 

③ Wafer 표면에 흡착(absorb)된다. 

④ Surface 표면에서 reaction이 일어날때까지 diffuse 된다.

⑤ Reaction이 일어난다. (증착)

⑥ Reaction이 끝나고 남은 reaction product가 탈착(desorb) 된다.

⑦ 남은 product와 unreacted gas가 carrier gas stream으로 diffuse되어 chamber 밖으로 옮겨진다.

에너지원이나 공정 압력에 따라 다양한 CVD 방법이 존재한다.