반도체 박막 공정

1. 박막 공정의 개요

 

 박막 공정은 노광 및 식각공정과 더불어 반도체 산업의 초기부터 사용되어 온 공정이다. 3차원의 소자 구조를 만들기 위해 막을 만들고 그 막에 패턴을 만드는 방법으로 반도체 공정이 진행되고, 기술의 발전과 목적에 따라 평탄화(CMP) 공정 등 다양한 방법의 공정이 추가되고 있다. 박막 공정은 기술이 발전하면서 더 얇고 균일하게 증착하는 방향으로 개발되어 왔으며, 특히 3차원 구조에서 작은 Trench의 측벽과 바닥에 균일하게 막을 형성하기 위하여 많은 공정 방법이 개발되었다. 박막 공정을 방법적으로 분류하고 산업의 성장 역사의 흐름에 맞추어 각 박막 성장법이 쓰이게 되는 이유와 원리 그리고 활용법에 대해 다루겠다. 먼저 1마이크로미터 이하 두께의 막을 박막(Thin Film)이라 하고 그 이상을 후막(Thick Film)이라고 하는데 박막을 만들기 위해 공정상으로 많은 변화를 가지게 되었다. 박막의 증착법을 분류할 때 증착하는 원리에 따라 물리적인 증착 방법과 화학적인 증착 방법으로 나눌 수 있다. 물리 기상 증착(Physical Vapor Deposition, PVD)은 증착 물질 원료가 되는 타깃을 고진공 상태에서 에너지를 가해 기화시켜 기판에 박막으로 증착시키는 증발법을 사용한다. 또한 플라즈마를 사용하여 이온을 타깃에 강하게 충돌시켜 떨어져 나온 원자를 기판에 증착시키는 스퍼터링(Sputtering) 방법을 많이 쓰고 있다. 화학적인 방법의 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)은 기체 상태의 소스 물질을 기판에 이동시키고 에너지를 가해 반응을 시켜 막을 형성하게 만드는 방법이다. 공정의 압력 및 에너지를 가하는 방법과 소스 물질의 종류에 따라 다양하게 장치를 구성하여 사용하고 있는데, 증착시키고자 하는 박막의 목적에 따라 이를 구분하여 사용한다. 화학적인 증착 방법의 물리적인 증착 방법 대비 장점은 더 균일하고 복잡한 구조의 형태를 잘 채울 수 있는 특성을 가지고 있다는 것이다. 하지만 소자가 더욱더 작아지면서 이 방법도 부족해지게 되면서 원자층 단위로 막을 증착시키는 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition)이 도입되었다. 이외에도 도금법을 이용해 구리 배선을 증착하는 방법으로 사용하고 있는데, 전기적인 에너지원으로 도금을 공정에 적용하는 전기도금도 화학적인 방법을 통해 박막을 만드는 방법이다.

2. 물리적 기상 증착(PVD)

 물리적 기상 증착(PVD)은 이름에 드러난 내용처럼 물리적인 현상을 이용하여 고상 물질을 기화시키고, 이를 기판에 증착시키는 방법이다. 이러한 기체화 과정은 여러 방법을 사용하여 진행할 수 있지만, 산업체에서는 주로 고진공 분위기에서 고체상태의 물질을 열에너지 또는 이온의 운동에너지를 사용하여 기화시킨다. 열에너지를 사용하는 방법을 증발법(Evaporation), 이온의 운동에너지를 사용하는 방법을 스퍼터링(Sputtering)이라고 부른다. PVD의 특징은 화학 반응에 의존하지 않아 CVD보다 더 다양한 물질을 증착할 수 있다. 기판의 온도를 타깃 물질과 상관없이 자유롭게 선택할 수 있고, 진공 작업이어서 불순물 오염이 적은 박막을 증착할 수 있다. 진공도, 장치 구조, 전압 등의 물리적 변수의 제어로 박막 특성을 조절한다. PVD 중에서도 증발법의 특징은 장치 전체의 구성이 비교적 단순하며 많은 물질에 적용이 가능하다. 박막의 형성 원리가 비교적 단순하여 박막 성장이나 핵생성 및 성장이론에 대응하기가 쉽다. 증발법 공정에서 고진공을 사용하는 이유는 박막 순도, 증착 효율과 관련이 있다. 만약에 잔류 기체가 있다면 잔류기체가 증발 재료와 함께 기판에 박막을 형성하여 박막 순도 및 특성에 영향을 주며, 증발한 물질과 잔류 기체의 충돌로 직진성을 방해하여 증착 효율을 떨어뜨린다. 고진공 조건에서 증발한 물질은 고진공의 평균 자유 이동 거리가 수백미터 정도이므로 다른 기체 분자와 충돌하여 방향을 바꾸지 않고 처음 방향 그대로 날아가서 기판에 증착된다. 증발 물질의 직진성뿐 아니라 기판 표면에서 물질의 이동도가 높지 않기 때문에 막의 피복 능력이 좋지 않다. 또한 단차가 있는 경우 일부 영역에서 증착이 되지 않는 효과가 발생하기도 한다. 스퍼터링(Sputtering)은 높은 에너지를 가진 입자들이 타깃 물질 표면에 충돌하여 표면에 있는 타깃 원자에 에너지를 전달해줌으로써 타깃 원자들이 방출되는 현상으로 현재 여러 가지 박막의 증착에 광범위하게 사용되고 있다.

3. 화학적 기상 증착(CVD, Chemical Vapor Deposition)

 PVD는 고진공에서 타깃 물질을 증발 또는 스퍼터링 하여 증착하는 방법이고, 화학기상증착(CVD)은 기체 상태의 화학반응을 이용하는 것으로 고진공 대신 대기압~중진공 상태에서 공정을 진행한다. 실리콘 산화막도 화학기상증착 방식으로 형성이 가능하다. 화학 반응을 이용하므로 비교적 낮은 온도에서 막을 증착할 수 있고, 어떤 표면에나 박막을 증착할 수 있다. 이러한 장점을 가지기 때문에 CVD 산화막은 열 산화막에 비하면 전기적 특성과 막의 밀도가 떨어지지만 배선 간 절연막의 역할은 충분히 할 수 있어 반도체 공정에 많이 사용된다. CVD 공정은 챔버에 들어온 반응성 기체가 웨이퍼 표면에 흡착되고, 열, 플라즈마 등의 에너지를 가해 열분해, 산화, 환원 등의 화학 반응을 촉진하여 웨이퍼 표면에 반응물을 형성시켜 박막을 형성하는 방법이다. 이러한 공정은 광범위한 온도 범위 내에서 일어난다. CVD 공정은 기판의 표면 상태와 증착 조건이 증착되는 원자의 표면 이동에 영향을 주고, 결과적으로 CVD 박막의 구조나 성질에 영향을 미치게 된다.