[반도체 8대 공정] 3. 박막 증착 공정에 대하여

안녕하세요! 

오늘은 박막 증착 공정(Thin Flim Deposition Process)에 대해 복습하고자 합니다!

 

박막 증착 공정은 에칭 공정 이후 웨이퍼에 1μm 이하의 얇은 film을 증착하는 과정으로, 이를 통해 웨이퍼는 전기적 특성을 띠게 됩니다. 

 

먼저 박막 증착 공정에는 크게 두 가지로 나뉘는데 화학적 증착 방법 CVD, 물리적 증착 방법 PVD로 나뉩니다.

세부적으로 CVD는 PECVD, LPCVD, APCVD, HDPCVD, ALD로 나뉘고 PVD는 E Beam Evaporator, Thermal Evaporator, Sputtering방식으로 나뉩니다.

 

CVD방식은 가스의 화학 반응으로 형성된 입자들이 외부에너지가 부여된 수증기 형태로 증착됩니다. 

도체, 부도체, 반도체 박막 증착에 모두 사용 가능하며 접합성, 박막 품질이 좋다는 장점이 있습니다.

 

그 중 PECVD가 가장 많이 이용되고 있는데 PECVD(Plasma Enhanced CVD)는 강한 전압으로 야기된 Plasma를 이용해 활성화 시켜 기상으로 증착시키는 공정입니다. 

Chamber내 Gas들의 화학반응물질로 박막을 증착시키고 고온 공정이며, 두께를 조절하지 못하는 다른 CVD방식과 달리 저온에서 박막 증착이 가능하며 두께 균일도를 조절할 수 있다는 장점 뿐 아니라 대량 처리 가능하다는 장점도 가지고 있습니다.

출처: 한국기술교육대학교

위 그림과 같이 플라즈마를 주입하여 이온화된 기체들이 서로 화학반응을 한 다음 원하는 물질이 기판에 고르게 쌓이게 되고 나머지 이온들은 결합하여 기체로 배출되게 됩니다.

 

SiO₂ 증착식

SiH₄ + N₂ + N₂O → SiO₂ + H₂

Si₃N₄ 증착식

SiH₄ + N₂ + NH₃ → Si₃H₄ + H₂

 

다른 공정에 대해 짧게 설명하자면, APCVD는 대기 중 가스와 프로세스 가스의 공존 상태에서 공정이 진행되는 것이고 LPCVD는 저압 공정을 제외하고는 APCVD와 유사하다고 볼 수 있습니다.

 

PVD방식은 화학 반응없이 물리적인 방법으로만 박막을 증착하는 공정입니다.

물리적 기상 증착은 낮은 압력, 낮은 온도에서 진행되며 고품질 박막 형성이 가능하고 불순물 오염 정도가 낮다는 장점이 있습니다. 

하지만 증착속도가 느리고 고가 장비를 이용해야한다는 단점이 있습니다.

물리적 기상 증착은 금속박막 증착에 주로 사용되며 예를 들어 반도체의 회로 패턴을 따라 금속선을 이어주는 공정에 이용되며, 대표적인 반도체용 금속 배선 재료로는 알루미늄이 있습니다!

 

PVD방식의 대표적 방식은 Sputtering입니다.

간단히 말하면 이 방식은 증착시키려는 물질의 타겟을 챔버 상단에 두고 이온을 이용하여 타겟 물질을 웨이퍼에 증착시키는 방식입니다.

출처: korvus technology

주로 Ar가스를 이용하는데 증착이 되는 substrate에는 (+)전압을 가해주고, 증착시키려는 물질의 타겟층에는 (-)전압을 걸어줍니다. 그 다음 자유 전자와 Ar기체 간의 충돌로 이온화된 Ar⁺이온은 (-) 상태인 타겟층과 부딪히게 됩니다.

계속 서로 부딪히다보면 타겟 물질이 분리되며 기판(substrate)으로 증착이 됩니다. 이 반응이 끊임없이 증착이 진행됩니다.

 

 

마지막으로 PVD와 CVD의 특징과 장단점을 정리해보고 이번 복습을 마치겠습니다!

	특징	장점	단점
PVD	화학 반응없이 물리적인 방법 사용	• 낮은 압력, 낮은 온도에서 진행 가능 • 고품질 박막 형성 가능 불순물 오염 정도 낮음	• 증착속도가 느림 • 고가 장비 필요
CVD	가스의 화학 반응으로 형성된 입자들을 외부 에너지가 부여된 수증기 형태로 증착시킴	• 접합성, 박막 품질이 좋음 • 도체, 부도체, 반도체 박막 증착에 모두 사용 가능	• 고온 공정으로 인한 재료 선택 문제(PECVD제외)

 

 

이 글은 한국기술교육대학교의 반도체 공정 기초 강의를 수강한 후 mems사이트, sk career블로그를 참고하여 작성하였습니다!