반도체공정07-증착공정

1. 증착(Deposition) 큰 그림: PVD vs CVD

PVD (Physical Vapor Deposition)

• 고체 재료를 기화(원자/분자)시켜 기판 위에 물리적으로 쌓는 방식
• 대표: evaporation(증발), sputtering(스퍼터링)
• 특징: 공정 단순, 재료 선택 폭 넓음(특히 금속), 하지만 단차 구조에서 막이 균일하게 덮이기 어려움(방향성 영향)

CVD (Chemical Vapor Deposition)

• 기체 전구체(precursor)가 기판 표면에서 화학반응/분해를 통해 고체 박막을 형성
• 특징: 구조물 내부까지 “잘 감싸는” 막(컨포멀, step coverage 우수) 만들기 유리, 대신 전구체 안전/장비 복잡/온도 요구가 커질 수 있음

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2. PVD-1: Evaporation(증발 증착)

(1) 원리/구성

• 진공 챔버에서 소스 물질을 가열 → 기화된 원자가 기판으로 날아가서 응축 → 박막 형성
• 소스-기판 사이 충돌이 적을수록(긴 mean free path) “직진성(방향성)”이 강해짐

(2) Thermal evaporation

• crucible/filament로 소스를 단순 가열해 증착
• 장점: 장비/공정이 비교적 단순, 저렴
• 단점: 텅스텐 필라멘트 오염 가능, 고융점 물질은 어려움, 막 품질/균일도 한계

(3) E-beam evaporation

• 전자빔으로 소스에 국부적으로 고에너지 가열(고융점 재료에 유리)
• 장점: 고융점 재료 가능, 비교적 좋은 품질
• 단점: 장비 복잡/고가, X-ray/전자빔 영향 등 고려 필요

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3. PVD-2: 단차 문제(Shadowing, Step coverage)

(1) Shadowing(그림자 효과)

• 증착 원자들이 직진성으로 들어오면, 구조물 벽/모서리가 “가려져서” 막이 안 쌓이는 구간이 생김
• 결과: 빈틈/박막 불연속/커버리지 불량

(2) Step coverage(단차 피복성)

• 트렌치/홀 같은 구조에서
  • 상부(Top)에는 잘 쌓이고
  • 측벽(Side)과 바닥(Bottom)은 얇게 쌓이거나 끊김
• PVD는 특히 모서리 부근이 두껍고, 안쪽은 얇아지는 경향(오버행/브리징 발생 가능)

(3) 개선 아이디어(감 잡기)

• 기판 회전/기판-소스 배치 최적화 등으로 입사 방향 분산
• 하지만 “근본적으로” PVD는 컨포멀 특성이 약한 편이라, 고난도 단차는 CVD/ALD가 유리한 경우가 많음

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4. Lift-off 공정에서 PVD가 자주 쓰이는 이유

• 포토로 패턴(PR)을 만든 뒤, 그 위에 증착 → PR을 떼어내며(PR strip) 위에 올라간 막도 같이 제거
• 에칭으로 패턴을 깎는 게 아니라 “원하는 곳만 남기는” 패터닝 방식이라 금속 배선 등에서 자주 사용
• 단차/오버행 특성이 lift-off에서는 오히려 도움이 되는 경우도 있음(막이 옆으로 깊게 파고들지 않으면 떼기 쉬움)

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5. Sputtering(스퍼터링) 핵심 정리

(1) 원리

• 플라즈마에서 생성된 이온(주로 Ar⁺)이 타겟(cathode)을 때림
• 타겟 원자가 튀어나와 기판(anode/혹은 접지) 위에 쌓여 박막 형성

(2) 장점

• 증발보다 다양한 재료/합금/화합물 대응이 쉬움
• 막의 접착력/밀도/균일성이 상대적으로 좋게 나오기 쉬움
• 공정 제어 파라미터(압력, 바이어스, 기판온도 등)가 많아 최적화 여지가 큼

(3) 단점/주의

• 이온 충돌로 인한 기판 손상 가능
• 고진공이 아니라면 불순물 혼입 가능
• 증착률이 evaporation보다 느린 편인 경우가 많음

(4) RF vs DC

• DC: 전도성 타겟에 유리
• RF: 절연성 타겟도 플라즈마 유지/증착 가능(표면 전하 축적 문제를 완화)

(5) Reactive sputtering(반응성 스퍼터링)

• Ar 같은 불활성 기체 + O₂/N₂/CH₄ 등 반응성 기체를 섞어
• 기판에서(또는 타겟 표면 포함) 화합물 박막(oxide/nitride/carbide 등) 형성
• 장점: 화합물 박막 제조 가능, 조성 제어 가능성
• 단점: 공정창이 좁아질 수 있고(반응성 기체 제어 중요), 오염/재현성 이슈가 생길 수 있음

(6) Magnetron sputtering

• 타겟 뒤 자석으로 전자를 가둬 플라즈마 밀도↑ → 스퍼터링 효율/증착률↑
• 타겟 특정 영역(erosion track)이 더 많이 닳는 특징이 있음

7. CVD 핵심: 막이 만들어지는 7단계

CVD는 그냥 “기체 넣으면 막 생김”이 아니라, 아래 단계가 연속으로 일어남.

1. 전구체가 반응기 쪽으로 이동(가스 수송)
2. 경계층(boundary layer)을 통과해 표면으로 이동
3. 기판 표면에 흡착(adsorption)
4. 표면에서 화학반응/분해(reaction)
5. 표면 확산(surface diffusion)
6. 핵생성/성장(nucleation/growth)로 박막 형성
7. 부산물 탈착(desorption) + 퍼징(purging)

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8. CVD 종류 한 번에 정리(APCVD, LPCVD, PECVD, MOCVD, ALD)

(1) APCVD (대기압)

• 압력 높음 → 충돌 많음 → 균일도/미세구조 제어에 불리할 수 있음
• 장비는 상대적으로 단순한 편

(2) LPCVD (저압)

• 저압(대략 Torr 이하 영역) → 충돌 줄고 확산/반응 제어가 쉬워져 막 품질/균일도에 유리
• 대신 온도가 높은 공정이 많아 열 예산(thermal budget) 고려 필요

(3) PECVD (플라즈마 보강)

• 플라즈마로 반응을 활성화 → 더 낮은 온도에서도 증착 가능
• 장점: 저온 공정, 단차 피복 향상 가능
• 단점: 플라즈마로 인한 손상/막 내부 수소(H) 혼입 등 품질 이슈가 생길 수 있음

(4) HDPCVD

• 고밀도 플라즈마(예: ICP)로 gap filling 성능을 끌어올리는 방향
• 증착+식각 성분이 동시에 작동하는 컨셉(공극 없이 채우기 목적)

(5) MOCVD

• 유기금속 전구체 사용(III-V, LED, 전력반도체 등에서 자주 등장)
• 전구체 관리/안전/공정 제어가 핵심

(6) ALD (Atomic Layer Deposition)

• CVD의 극단적 버전: “자기-제한(self-limiting) 표면반응”을 이용해
• 전구체 A 펄스 → 퍼지 → 전구체 B 펄스 → 퍼지 (이게 1 cycle)
• cycle 수로 두께를 디지털처럼 정밀하게 제어 가능
• 컨포멀(단차 피복) 최강급, 단점은 증착 속도(생산성)가 낮은 편

(7) PEALD(플라즈마 ALD)

• B 반응(코리액턴트)을 플라즈마로 활성화
• 더 낮은 온도/더 좋은 반응성/품질 개선을 노림

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9. CVD에서 자주 나오는 속도 지배 메커니즘

(1) 고온 영역: Mass Transfer Controlled(물질전달 지배)

• 표면 반응은 이미 충분히 빨라서, “가스가 표면까지 얼마나 잘 공급되냐”가 속도를 결정
• 온도 올려도 증착률이 크게 안 늘 수 있음(공급이 병목)

(2) 저온 영역: Reaction Controlled(반응 지배)

• 표면 반응이 느려서 “반응 속도”가 증착률을 결정
• 온도 올리면 증착률이 확 늘기 쉬움(Arrhenius 느낌)

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10. 에피택셜 성장(Epitaxial growth) 핵심

(1) 정의/의미

• 기판(Seed/단결정) 결정 방향을 따라, 그 위에 결정성이 맞춰 자라는 성장(단결정에 가까운 성장)
• 소자 성능(이동도, 결함, 누설 등)에 큰 영향

(2) 왜 중요한가

• 결함/트랩이 줄면 전하 이동이 좋아지고, 게이트/접합 특성이 개선될 수 있음

(3) Lattice match vs mismatch

• 격자상수(lattice constant)가 비슷하면: 응력/결함이 적어 유리
• mismatch가 크면: 응력(stress)과 결함이 늘어날 수 있음
  • 인장(Tensile) / 압축(Compressive) 스트레스 개념으로 연결됨

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11. 박막 두께 측정: Ellipsometry(타원편광법) 한 줄 요약

• 빛의 편광 변화(Ψ, Δ)를 모델에 피팅해서 박막 두께와 광학상수(n, k)를 추정하는 방식
• 산화막, 질화막, 폴리실리콘, 금속, PR 등 다양한 박막 두께 측정에 활용