반도체 8대 공정 (4) - 증착 공정

증착 공정

• 반도체는 순수한 실리콘만으로 작동하지 않으며, 간섭받으면 안되는 두 영역을 구분 지어야하고, 연결돼야 하는 곳들은 전선을 통해 연결해야한다. 필요한 경우, 특정한 막질을 이용해 전기장의 힘을 강하게 주거나, 약하게 주기도 하며, 다음 단계 공정을 쉽게 하기 위해 얇은 막질을 미리 생성하는 등 많은 경우에 필요하다. 
• 증착공정은 간단히 처리하고자 하는 웨이퍼를 준비한 뒤, 증착 기기에 투입하고 표면에 충분한 두께의 박막이 생기기를 기다리는 것이다. 이후, 박막이 생성되고 나면 필요 없는 부분들을 제거한 뒤, 다음 공정을 시행한다. 
• 전자제품의 성능 및 저전력 요구가 높아짐에 따라 반도체에 미세화가 진행돼야 했고 이를 위해 반도체 내부에 각기 다른 역할을 하는 다양한 물질로 구성된 얇은 막이 필요해졌다. 그 중 하나가 금속 피막이다. 
• 머리카락 두께 수천분의 일밖에 되지 않는 반도체의 핵심 소자층과 배선층을 만들기 위해서는 굉장히 얇으면서도 균일하게 물질을 추가해야 하므로 증착 기술의 중요도가 높다. 
• 주로 반도체 제조에서 방어막 역할을 한다. 또한, 반도체 제조 과정에서 트랜지스터를 제조할 때 게이트 유전막을 형성하거나, 멀티 패터닝*에 사용하는 하드 마스크를 씌울 때도 사용된다. 
•  증착은 일반적으로 반도체 회사에서는 박막(Thin film) 공정으로도 불린다. 

 

 

방어막 박막

• 회로 간의 경계를 만들어 줌으로써 반도체 핵심 소자들의 간섭과 전류의 누설을 막아 동작 신뢰성을 높인다. 
• 필요한 경우, 칩을 외부의 충격으로부터 방어하는 막을 제조 공정 마지막에 씌우기도 한다. 
• 제조 과정에서 반도체를 층층이 쌓은 뒤 식각을 하고자 하는데, 식각 돼선 안 되는 곳이 있다면 식각을 방지하는 용도로 사용되기도 한다. 
• 이러한 구조물의 예가 STI*, IMD*이다. 사용되는 물질들은 이산화규소(SiO2), 탄화규소(SiC), 질화규소(SiN) 등이다.

 

증착 주요 수치 : 균일도, 스텝 커버리지, 갭 필

•  균일도는 증착 과정에서 물질이 얼마나 균일한 두께로 생성됐는지를 표현하는 수치다. 증착 역시 식각과 마찬가지로 웨이퍼 전체를 기기에 넣고 진행하기 때문에, 웨이퍼 지점별로 두께가 다르게 생성될 수 있다. 균일도가 높을수록 전 웨이퍼 영역에 골고루 물질이 도포된다고 생각하면 된다.
• 산화나 식각 공정에서도 보았듯, 웨이퍼 표면에 단차나 뾰족한 부분이 존재할 경우 박막의 두께가 균일하게 생성되지 않을 수 있다. 스텝 커버리지는 증착이 이뤄지는 울퉁불퉁한 표면의 상단 부분 막질과 하단 부분 막질의 두께 차이, 혹은 상단 부분 막질과 측벽 막질의 두께 차이를 말하는 것이다. 스텝 커버리지가 1에 가까울수록 상단부와 하단부의 차이가 적다는 것이며, 스텝 커버리지가 1보다 작은 경우 하단부나 측벽의 두께가 얇게 생성된다는 의미다.
•  갭 필(Gap fill)은 빈 공간(Gap)을 얼마나 잘 채우는지를 나타내는 특성이다. 밑의 그림과 같이 제조 중인 반도체 위에는 수많은 요철이 있으며, 증착 과정에서 이영역들을 꽉 채울 수 있다는 보장이 없다. 갭필 특성이 좋지 않으면 내부에 공동(Void)이 생기게 되고, 추후 구조물이 무너질 수 있다. 즉, 식각에는 원치 않는 부분까지 깎여 나가는 등방성이 있었다면, 증착에는 원하는 곳이 메꿔지지 않는 특성인 갭 필이 있다고 생각하면 된다.

 

균일도, 스텝 커버리지, 갭필

 

증착의 종류

1) 화학 기상 증착 (Chemical Vapor Deposition: CVD)

•  화학 기상 증착은 웨이퍼 표면에 화학적 방법을 통해 물질을 씌우는 것을 포괄하는 방법이다. 가장 흔한 방식은 혼합 기체에 에너지를 가해주는 방식이다. 
• 예를 들어, 표면에 물질(A)을 증착해야 한다고 하면, A를 생성할 수 있는 두 기체(B와 C)를 주입한 뒤, 반응을 일으키기 위해 에너지 등 반응을 촉발하는 무언가를 가해주는 것이다.

           B + C + (에너지 등) → A + 부산물

• 화학적 방식의 경우 공정 속도가 빠르며, 웨이퍼 위에서 반응이 일어나기 때문에 스텝 커버리지가 우수하다. 하지만 반응 과정에서 부산물 기체가 끊임없이 생겨나며, 이를 공정 진행 과정에서 완벽히 제거할 방법이 없기 때문에 각종 불순물이 섞일 수 있다는 단점이 있다.
• 각종 불순물이 포함될 수 있기에, 특성 제어가 매우 세밀해야 하는 영역보다는 각종 소모성 막질(하드 마스크)이나, 각종 두꺼운 차단막 생성에 사용된다.

2) 물리 기상 증착 (Physical Vapor Deposition: PVD)

• 물리 기상 증착은 웨이퍼 표면에 증착하고 싶은 물질을 직접 날려 보내 달라붙게 하는 방법이다. 즉,  A라는 물질을 증착하고 싶다면, A 물질을 그대로 기화시켜 웨이퍼에 달라붙게 하는 것이다.   
• 주로 사용되는 방식은 식각에서도 살펴봤던 스퍼터링(Sputtering)이다. A 물질 덩어리인 표적(Target)에 가속된 이온(주로 불활성기체)을 날려 보냄으로써 A 입자가 떨어져 나오게 하는 것이다. 떨어져 나온 A 입자는 반대 방향으로 가속돼 웨이퍼에 증착되게 된다.
• 이 방식의 장점은 부산물 기체라는 것이 없으므로 물질의 순도가 매우 높다는 것이다. 또한 반응성이 없는 순수 물질들도 증착할 수 있다. 이러한 특성 덕분에, 물리 기상 증착은 순수 물질이 많이 사용되는 금속 배선을 만들 때 주로 사용된다.

3) 원자층 증착(Atomic Layer Deposition: ALD)

• 물질 A를 매우 얇게 웨이퍼 표면에 증착하고 싶다고 가정해보겠다. 이를 위해 A의 재료인 반응물질 2개(B와 C)를 준비한다. 단, 여기서 B는 웨이퍼 표면에 흡착이 잘 되는 물질(전구체, Precursor)이며, C는 반응성이 높은 물질이다. 일단 웨이퍼 표면에 B를 흡착시킨다. 만약 B가 자기들끼리는 잘 달라붙지 않는 특성이 있다면, B 물질은 원자 1개 층만 웨이퍼 표면에 남을 것이다. 이후에는 잔여 B 기체를 제거해준 뒤, C 기체를 투입한다. 그러면 B와 C가 반응해 A가 생기고, 부산물 가스가 생긴다. 이후 A와 부산물 가스를 제거한다. 이 과정을 반복하면 막의 두께를 원자 단위로 제어할 수 있다.
• 전구체 물질의 특성상 수직, 수평 등 다양한 곳에 달라붙을 수 있을 뿐만 아니라, ALD 한 주기당 단 1개의 원자층만 생성되기 때문에 균일도와 스텝 커버리지가 우수하다는 큰 장점이 있다.
• 원자층 단위로 작업을 하므로, 진행 속도가 느리다는 단점 역시 존재한다. 
• ALD 공정은 D램의 커패시터 등 종횡비*가 높은데 고품질의 막질이 필요한 부위에 주로 사용된다.

* 종횡비 : 기둥 아랫면과 높이의 비율. 종횡비가 높다는 것은 구조물의 폭이 좁은데 높다는 의미

기존 화학 기상 증착(CVD)과 원자층 증착(ALD)의 개념 (출처:㈜도서출판한올출판사 [반도체 제조기술의 이해 293p])

 

 

 

*출처 : [반도체 전공정 5편] “더 작게, 더 많이” 미세화를 위한 핵심 ‘증착 공정’ (5/6) (skhynix.co.kr)