반도체 8대 공정 [1-4]

① 강의를 통해 배운 내용을 정리해주세요! (200자 이상)

박막은 1 마이크로 이하의 막을 말한다.

박막 증착 공정에는 기상 상태와 액체 상태로 나뉜다.

물리 기상증착과 화학 기상 증착으로 나눌 수 있다.

 

물리 기상 증착은

진공증착과 스퍼터링으로 나뉜다.

진공 증착에서는 물질을 녹이는 에너지원으로

일렉트릭 빔을 사용하거나 열적에너지로 증발시켜서 증착시키는 방법이 있고

스퍼터링을 플라즈마를 이용하는 것(앞선 시간에 배운)

 

화학기상 증착은 증착하는 에너지원이 

상압과 저압 

열을 가지고 증착을 하는데

 

에너지원을 열이 아니라 플라즈마를 사용할 수도 있다 PE-CVD

금속 유기물을 이용하는 방법도 존재한다(디스플레이에서 주로 사용)

추가적으로 원자 층 증착이 존재 한다.

 

액체 상태에서는 

도금을 사용하여 증착하는 기술이 존재하고

졸-겔은 SiO2를 증착시킨다고 할 때 액상으로 증착시키는 방법

회전 도포를 이용한다던지.. ==> 최근에는 없어진 공정이다.

 

기상상태 공정을 알아보자

종횡비라는 용어가 있는데

Aspect Ratio라고 불린다.

h는 구조물의 높이

w는 너비를 말한다.

종횡비가 커지면 공정을 하기 어려워진다.

박막을 증착을 잘할 수 있는 피복 능력이 저하되더라

반도체 소자가 미세화 된다는 것은 w가 줄어든다는 것이다.

근데 면적을 확보하기 위해서 h가 커지기 때문에

종횡비가 커지게 된다

 

피복 능력(Step Coverage)

바닥과 측벽의 능력이 어떤가?

a=b=c면 피복 능력이 굉장히 좋은 것이다.

피복 능력에 영향을 주는 인자가 무엇이 있을까?

고착 계수와 도달 각도가 존재한다.

고착 계수는 하나의 원자가 흡착이 되는데

한 번의 충돌에 의해서 흡착이 될 확률을 의미한다.

 

고착 계수가 커지게 되면 표면 이동도가 떨어지고 피복 능력이 떨어집니다.

 

도달 각도(Arrival angle)

저압이며 표면 이동도가 높아서 움직이게 되면 

conformal 한 구조를 박막의 형태를 얻을 수 있다.

적절한 압력과 표면 이동도가 필요하다.

 

그 외 

증착률, 균일도, 접착력, 박막 응력 등이 있다.

기판에 대해서 증착한 박막이 압축 응력을 갖게 되면

음의 곡률을 갖게 되고 인장 응력을 가지면 Convex의 

양의 곡률을 갖는다.

박막 엔지니어들은 응력을 없애면서 증착할 수 있을지 고민한다.

 

전구체는(precursor)

증착하고자 하는 물질을 포함하는 반응 가스다.

SiCl4 같은 Si를 포함하는 가스랄까요?

 

전구체를 반응로에 넣고 

박막형 고체를 만들고 기체 부산물이 나온다.

화학 기상 증착 공정은 반도체 도체 부도체 등을 전부 증착 가능하다.

 

반응 전에는 기체나 액체로 존재하는데 열분해나 산화환원시켜서

빨간 글씨로 된 고체로 박막을 형성한다.

 

반응로 안에 지지대를 넣고 웨이퍼를 올리고 반응 가스를 흘려준다.

반응 가스라고 하는 것은 가스통에 압축돼서 들어있는데

밸브를 열어줘서 압력차로 대류를 이용해서 이동시킨다.

웨이퍼 표면의 경계층을 통해 반응 가스로 확산한다.

웨이퍼의 마찰력 때문에 가스의 이동속도가(라미나 플로우) 줄어들거나 멈춘다.

농도 차이가 생겨도 확산에 의해 이동하게 됩니다.

 

웨이퍼 표면에서 물리적 흡착을 하게 되고

각종 분해, 반응, 이동, 고착되어 박막이 형성된다.

반응 부산물들은 탈착 하게 되고

 

부산물 입장에서는 많이 생기니까 농도 차이에 의해서 확산, 이동되며

대류에 의해서 부산물을 배기시킨다.

 

물질 전달과 표면 제어에 대해서 알아보자

공급+반응-> 반응속도

전체 반응 속도는 표면 반응이 잡고 있다.

 

온도가 높을 때는 표면 반응은 빠르게 되지만 

공급이 전체 반응 속도를 잡고 있다.

 

가스들끼리 반응하는 것을 동종 반응이라고 하는데

공기 중에서 고체가 생기기 때문에 이물질이 된다.

이러한 반응은 일으키지 않게 해야 한다.

필히 이종 반응이 필수다(웨이퍼 위에서 반응해야 한다.)

 

화학기상 증착에는 열을 사용하는 경우가 있고

플라스마를 사용하는 경우가 있는데

 

열화학적 기상 증착에서는 

상압과 저압이 존재한다.

 

상압에서는 막질이 낮고 증착 속도도 낮으며 처리량도 작다.

고온일 때는 물질 전달이 중요해지기 때문에 

물질 전달 영역에서 가스를 잘 제어시켜야 해서

웨이퍼를 수평으로 놓아야 하기 때문에 처리량이 감소한다.

 

장점은 증착 속도가 LP대비 빠르며 설비구조가 단순하나

단점은 생산성이 낮고 진공상태가 아니기 때문에

균일도가 나쁘며 불순물 농도가 높고 계단 피복 능력도 떨어진다.

 

저압 LP CVD가 나온다.

저압에서는 증착속도가 떨어져서 고온에서 증착시켜야 하며

막질이 좋아지고 MFP가 상승 계단 피복 능력이 좋아진다.

PECVD는 플라스마를 형성시키는 것이다. 이온을 사용하지 않는다.

이온을 사용하는 것은 스퍼터링 시키는 것이다.

==> 음극 쉬스를 많이 만들면 안돼요==> 전극의 크기를 비슷하게 만들어야 하며

그라운드 족에 웨이퍼를 넣어야 한다.

 

반응 가스를 넣어서 플라스마를 형성하면 가스들을 유니폼하게 공급하고 

플라즈마 안에 있는 라디칼이 웨이퍼로 들어와서 박막이 증착되는 메커니즘이다.

 

여기서 반응하는 메커니즘은 활성종을 사용한다 뿐이지 CVD 원리가 그대로 적용되는 것이다.

 

열에너지가 아니라 반응 가스를 플라스마로 만들어서 활성종을 이용하여 증착시키기 때문에

저압에서 증착이 가능하다는 의미다.

 

전구체를 가지고 생성 고체를 만드는데 반응 가스가 에너지가 높겠죠?

원래는 열 에너지를 줘서 장벽을 넘어 줘야 하는데 

금속 증착 후에 CVD를 통해서 SiO2 이런 절연체를 증착시킬 때

알루미늄 같은 금속은 녹아버릴 수 있기 때문에 열을 못 높인다.

활성종을 사용하게 되면 원래 중성보다 에너지가 높아져 있는 상태여서

장벽이 낮아서 저온에서도 증착이 가능한 것이다.

 

하지만 불순물 함유량이 많고 불균일한 증착 특성을 갖는다.

 

ALD는 Atomic Layer Dep

직관적으로 이해해보자면 한과가 있다고 하자

과자를 만들어 두고 끈적끈적한 것을 묻히고 티 밥 같은 것을 붙이는데

한층만 붙고 그 위에는 붙지 않잖아요?

이런 게 ALD와 비슷하다.

 

화학 기상 증착 기술과 유사한 화학 흡착을 통한 원자 층 수준의 박막의 증착 공정인데

전구체가 동시에 주입되지 않고 각 반 주기 동안 별도로 주입된다.

 

전구체 A를 넣고 정화 기체를 분사해서 첫 번째 반응에서 생긴 부산물이나 잉여 전구체를 

쓸어 없애주는 것이다. 그다음에 전구체 B가 들어와서 다시 반응해서 한층의 모노 레이어가 생긴다.

그 다음에 다시 정화 기체를 분사시킨다.

ALD의 특성은 자체 제한 박막 증착이다(self-limit)

정규한 두께 조절이 가능하다.

Step coverage가 굉장히 좋다.

반응성이 좋아서 저온 증착이 가능하지만 증착 속도는 낮다.

 

TMA를 전구체로 사용하는 증착의 과정이다.

 

고 종횡비 구조에 얇고 피복 능력이 우수한 박막 증착 공정에는 ALD를 사용해야 한다.

온도에 대해서 어떤 특성을 갖고 있는지

CVD는 성장 속도를 얘기했는데 ALD는 시간이 중요한 것이 아니라

사이클이 중요한 것이다.

대부분 positive 한 기울기를 갖는다. 

온도 변화에 따라서 증가하다가 온도에 무관하게

자체 제한 특성 때문에 성장 속도가 flat 한 부분이 있는데

여기서 ALD 공정을 할 수 있다.=> ALD 프로세스 윈도

 

여기서 온도를 더 높여 버리면 전구체가 분해돼버릴 수 있다.

==> CVD 공정이 돼버림..

 

ALD 공정은 uniformity가 좋은데 두께의 uniformity가 안 좋아지는 경우가 생기는데

이러한 이유는 온도에 따라서 낮은 반응성이나 분해가 있기 때문이다.

 

낮은 증착 속도를 보완하기 위해서

일괄 처리식을 사용하거나 반응성을 높게 만들기 위해서

플라스마를 사용하는 방법이 있고

시분할 대신 공간분할을 하면 증착 속도를 높일 수 있다.

 

ALD와 CVD 공정의 차이

ALD는 순차적으로 주입되나

CVD는 동시에 주입된다.

 

ALD는 열분해 되면 안 된다.

CVD는 공정 온도에서 열분해 될 수 있다.

 

ALD는 낮은 온도에서 증착시켜야 하기 때문에 반응성이 높아야 한다.

CVD는 온도를 올려주면 되기 때문에 낮아도 무방한다.

 

CVD는 가스 유량을 세밀하게 제어시켜줘야 한다.

ALD는 챔버 크기를 퍼지 시간을 짧게 하기 위해서 작게 해줘야 한다.

 

물리 기상 증착은 금속 증착에 사용되는데

진공 증착과 스퍼터링 증착이 존재한다.

 

진공 증착은 열 에너지를 넣어서 금속 가스를 가열시켜서 

기체 상태로 증발시키고 기판에 응축시켜서 박막을 증착시키는 것이다.

 

고진공 상태여야 다른 가스들과 부딪히지 않으며 입자의 직진성이 높아서

그림자 효과가 발생하며 피복 능력이 떨어진다.

고융점 금속 및 합금 증착이 어려워서 현대에는 잘 사용 안 한다.

 

스퍼터링은

음전 압 쪽에 증착하고자 하는 물질의 판을 놓고

반대 양극 쪽에는 웨이퍼를 놓고 가스를 주입하면 

플라스마가 생긴다. 아르곤 가스가 주입되고 고전 기장이 생성돼서

플라스마가 생성된다. 진공 증착 대비 고압이다. ==> 충돌을 시켜서 피복 능력을 개선시키는 것

플라스마 내에서 아르곤 이온이 강하게 때리게 되는데 

타깃 알루미늄이 떨어져 나와서 웨이퍼에 붙고 

바이브레이션에 의해서 움직여서 증착이 되는 것이다. 

2차 전자가 나와서 이온화에 참여한다.

 

원재료의 크기보다 웨이퍼의 크기가 크면 증착 균일도가 증가한다.

 

스퍼터링 수율은 아르곤이 와서 때리면 운동에너지가 전달되는데

가장 약한 본딩 에너지를 가진 알루미늄이 떨어져 나오는 것은 스퍼터링이라고 한다.

스퍼터링 수율은 한 개의 이온을 때렸을 때 몇 개의 원자가 떨어져 나오는 것인가?

증착 속도에 영향을 미치고 생산 속도에 영향을 주는 것이다.

 

이온 에너지가 높으면 좋고 기판 물질 결합 에너지가 낮으면 수율이 좋고

입사 각도가 60~70도에서 스퍼터링 수율이 굉장히 좋더라.

이온 에너지가 너무 높으면 이온이 주입이 돼버려서 수율이 떨어질 수 있다.

 

DC 마그네트론 스퍼터링

DC 스퍼터링은 효율이 떨어지는데

자석의 힘을 빌리는 것이다. 

타깃 뒤에 N극 S극 영구 자석을 놓아서

자기장이 형성되는데 (로렌츠 힘에 의해서)

전자가 자기장에 의해 나선운동을 하게 된다.

자석 근처에만 전자를 묶어 둬서 챔버 벽에 부딪히는 것을 방지하고

이온과의 충돌 확률이 높아지고 고밀도 플라스마를 생성하여 증착 속도를 개선한다.

떨어져 나온 전자도 자기장이 잡아서 웨이퍼 트린의 온도 상승을 방지한다.

플라즈마 집중 지역에서 타깃이 불균일하게 소모되는 현상이 있는데

이점을 방지하기 위해서 자석을 회전시키는 등의 방안을 사용한다.

 

반도체 회로 내 소자 간의 신호, 전력을 공급해 주는 것이 금속 배선인데

저 저항 금속을 사용하고 소자 및 하부 배선을 서로 연결하고 

절연시켜야 하는 부분은 절연체를 시키는 이런 공정을 금속 배선 공정이라고 한다.

 

기존에는 Al을 배선으로 사용해야 했는데 한계가 존재했다.

반도체 칩이 미세화 되면서 저항 및 정전 용량이 증가한다.

절대적으로 A가 줄어들어서 R이 커지는 것

 

절연체의 두께가 줄어듬에 따라서 기생 커패시턴스도 커지는 것이다.

==> 전기적인 신호 지연이 커진다.

 

알루미늄을 사용하고 층간 절연막을 실리콘 산화막을 사용했는데

더 저항이 작은 구리+SIO2보다 유전율이 낮은 물질을 사용해야 했다.

 

비저항이 낮고 

구리는 비등점이 높아서 격자/입자 경계 확산 활성화 에너지가 높아서 신뢰성이 높다.

 

구리배선은 식각이 어려우며 실리콘 소자를 오염시킬 수 있다.

그래서 다마 산 공정을 적용한다.

 

다 마신 공정은 미리 구리가 들어갈 공간을 만들고 구리를 넣은 후에 실리콘 질화막을 씌워서

구리를 감싸주는 것이다. comformal 한 특성을 갖는다.

 

② 강의를 수강하고 느낀 점 혹은 향후 취업 계획에 대해 정리해주세요! (200자 이상)

오늘은 박막 공정과 배선공정에 대해서 배웠습니다. 박막 공정에서도 스퍼터링을 사용하는 기법이 있다는 것이

놀라웠습니다. 또한 ALD와 CVD 공정을 배운 이후에 정리해주는 시간이 있었는데 한번 일괄적으로 정리하고 나니

깔끔하게 습득이 되는 것 같았습니다. 금속 배선 공정은 생소한 개념이었는데

왜 구리를 사용하게 되었는지 다 마신 공정의 방법과 사용 목적을 배우고 나니 이제 대부분의

반도체 공정이 머릿속으로 그려지게 되었습니다. 내일이면 5일 차로 8대 공정을 어느 정도 습득하게 되는 것 같은데 기쁜 마음으로 다음 강의도 들어보겠습니다. 감사합니다.

 

 

[출처] ✨ 엔지닉 반도체 NCS 반도체 합격 케어 학습 인증 미션 작성 방법 (엔지닉&위포트│이공계/문과 취업, 자기소개서, NCS, GSAT, 면접) | 작성자 엔지닉 공식계정

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