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film deposition issue

반도체 공정 및 응용 과제-반도체 단위 공정 Film Deposition전자공학과2018706003 신진섭Part 1. 공정 소개-Film DepositionFilm Deposition 과정은 wafer 위에 원하는 물질을 증착하여 layer를 만들고 전기적 특성을 가지도록 하는 과정이다. 최근에는 집적도가 높아지면서 film의 두께가 1um이하인 thin film을 증착해야 한다. 그래서 분자나 원자 단위로 증착을 하게 된다. deposition공정은 방법에 따라 크게 물리적인 방법으로 증착하는 PVD와 화학적 반응을 이용하는 CVD방식이 있다.PVD방식은 여러 방식이 있지만 그 중 하나인 Thermal Evaporation은 source를 가열해 증발시켜서 wafer에 달라붙게 해서 증착을 하는 방식이다. 이 방식은 증발된 물질이 직선 운동을 하면서 증착이 돼야하기 때문에 진공상태의 chamber에서 공정을 진행한다. 진공상태가 아니라면 증발된 source가 불순물에 부딪혀 uniform한 박막이 형성되지 않는다. Thermal Evaporation은 직선운동을 하며 source가 증착되기 때문에 step coverage가 좋지 않고, source를 가열하는 방식이기 때문에 녹는점이 낮은 물질만 이용이 가능하다.E-Beam Evaporation방식은 Thermal Evaporation방식과 비슷하지만 source를 E-Beam을 이용해서 가열한다. 따라서 녹는점이 높은 물질도 source로 이용이 가능하고, E-Beam을 맞은 부분만 증발해서 불순물의 농도도 낮다. 또한 높은 에너지의 E-Beam을 이용해서 플라즈마를 형성한 후 전기장을 걸어주면 Thermal Evaporation보다 step coverage를 높일 수 있다. 하지만 이 방식은 E-Beam이 금속에 충돌하면 radiation을 발생시켜 wafer에 손상을 야기할 수 있다.Sputtering방식은 target을 음극 전극위에 두고 wafer를 양극 전극위에 두고 가스(주로 Ar)를 주입한다. 이후 열을 가하며 전기장을 걸어주면 로 이온화 되고, 두 전극 사이에 플라즈마가 발생한다. 그러면 전기장에 의해 이 target쪽으로 끌리고 target과 부딪혀 target의 원자와 이온이 튀어나오면서 wafer에 증착되는 방식이다. 걸어주는 전기장이 일정한 방향인 DC Sputtering은 부도체를 사용하면 음극에 점점 이 쌓여서 대전되어 제대로 동작을 할 수 없기 때문에 도체만 이용이 가능하다. 하지만 전압의 방향을 계속해서 바꿔주는 RF Sputtering은 대전이 되지 않기 때문에 도체와 부도체 모두 이용 가능하다.CVD는 gas상태의 precursor를 공급하여 wafer에 달라붙어서 여러가지 화학 반응을 통해 증착할 물질을 만들어 내고 표면에서 확산을 통해 이동하여 layer를 만들어내는 방식이다. CVD는 PVD방식보다 adhesion, step coverage, uniformity, throughput이 더 좋기 때문에 최근에는 CVD방식을 많이 사용하고 있다.APCVD는 대기압(760 torr)에서 공정을 진행한다. 따라서 장비의 구조가 간단하고, 공정이 쉽지만 대기압에서 공정을 진행하기 때문에 impurity가 많아서 막질이 떨어지고, step coverage가 좋지 않다.그래서 대기압보다 압력이 낮은 상태에서 공정을 진행하는 LPCVD를 사용한다. 주로 0.1~1 torr에서 공정을 진행하며, 다른 impurity가 없어서 막질이 좋고, mean free path가 길어져서 step coverage가 좋다. 또한 uniformity와 throughput이 좋다. 하지만 metal line을 녹일 정도의 고온에서 공정이 진행되기 때문에 PECVD가 개발되었다.PECVD는 gas를 주입하고 전기장을 걸어줘 플라즈마 상태로 바꾸고 이온화 된 기체들이 화학반응을 통해 증착되는 방식이다. 따라서 저온에서도 공정을 진행할 수 있기 때문에 LPCVD의 단점을 극복할 수 있다. 하지만 플라즈마를 이용하기 때문에 impurity가 많아서 막질이 떨어지고, mean free path가 짧아져서 step coverage가 떨어진다. 따라서 더 낮은 압력에서 플라즈마를 형성할 수 있는 HDPCVD를 개발하게 되었고, 이를 이용해 원하는 deposition의 factor들을 얻을 수 있게 되었다.ALD는 precursor와 reactant를 주입하는 cycle을 통해 증착하는 공정이다. 먼저 precursor를 주입하여 wafer에 흡착시키고, 이후에 reactant를 주입하여 wafer에 있는 precursor와 화학적 반응을 일으킨다. 이런 cycle을 조절해서 원하는 박막을 만들어낸다. 따라서 얇은 두께의 박막도 만들 수 있고, uniformity가 좋고, step coverage가 좋다. 하지만 throughput이 좋지 않다.Part 2. 공정 이슈-Step coverageStep coverage란 물질을 증착했을 때 위치에 따라 증착된 두께의 비율이다. 즉 얼마나 일정한 두께로 증착됐는 지이다. Step coverage에는 bottom step coverage와 sidewall step coverage가 있다. bottom step coverage는 윗면과 아랫면의 두께 비율이다. 그리고 sidewall step coverage은 윗면과 측면의 두께 비율이고, sidewall step coverage이 좋다는 뜻을 아래 구조의 모양을 따라 잘 증착 됐다는 뜻이다.Step coverage에 영향을 주는 요소는 크게 precursor가 wafer표면에 도달하는 각도와 precursor의 surface mobility이다. Precursor가 표면에 도달하는 각도가 표면의 구조에 따라 다르다. 따라서 증착 되는 정도가 위치에 따라 달라져서 step coverage가 안 좋아진다. 따라서 낮은 압력에서 공정을 진행하면 mean free path가 증가하고, diffusivity도 높아져서 step coverage가 좋아지게 된다. Precursor가 wafer표면에서 반응을 통해 박막을 만들어내고 표면에서 이동을 하며 layer를 만드는데 mobility가 좋으면 균일하게 layer가 형성되어 step coverage가 높아지고, mobility가 안 좋으면 step coverage가 떨어진다.최근에는 high aspect ratio 구조를 사용하여 반도체 소자를 만들기 때문에 step coverage의 영향을 더 많이 받기 때문에 공정 과정에서 step coverage를 높이는 것이 중요한 문제가 되었다. CVD에서 APCVD를 이용하다가 LPCVD를 개발한 것, PECVD를 이용하다가 HDPCVD를 개발한 것도 step coverage를 높이기 위해서이다.Step coverage가 좋지 않으면 설계대로 증착이 되지 않기 때문에 원하는 동작을 하지 않을 수도 있고, long-term operation에서 reliable이 좋지 않아 불량이 발생할 수 있다. 또한 증착한 film이 얇으면 신호를 인가했을 때 film이 끊어질 수도 있다. 그리고 step coverage가 좋지 않은 상태로 계속해서 증착을 하게 되면 아랫면이 윗면의 증착 속도를 따라가지 못해서 아랫면이 다 채워지지 않은 상태로 윗면이 닫히며 layer가 형성되면 내부에 void가 형성된다. Void가 형성되면 증착한 film의 막질이 떨어지고, 증착공정 이후의 공정에서 불량을 야기할 수 있다. 또한 metal을 deposition한다면 단선이 되어 소자가 동작하지 않을 수 있다. 따라서 deposition과정에서 step coverage를 높이는 것이 중요하다.

공학/기술| 2022.11.13| 4페이지| 2,000원| 조회(126)

반도체공정, Film Deposition, 공정소개

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