반도체 증착 공정은 크게 화학기상증착(CVD; Chemical Vapor Deposition)과 물리기상증착(PVD; Physical Vapor Deposition)으로 나눌 수 있다. CVD는 ‘화학증기증착’으로도 불리는데, 반도체 공정 중 가장 활용도가 높다. 작은 공극을 채운다거나, D램(RAM)의 커패시터(Capacitor)를 형성하거나 혹은 게이트 옥사이드(Gate Oxide)를 증착하는 등의 대부분의 반도체 팹(Fab) 공정은 CVD로 시작돼 CVD로 마무리된다.
CVD는 반도체가 개발된 초창기부터 최근까지 꾸준히 개선돼, 지금은 여러 조건과 환경에 따라 방식을 달리할 수 있다. 소스 가스 주입량부터 온도, 압력, 농도의 조절 및 반응 속도의 결정은 CVD가 어떤 위치에서 어떤 두께를 갖고 어떤 막질과 형태로 형성되게 할 것인지를 결정하는 주요 변수가 된다. 반도체 탐구 영역, 네 번째 시험 주제는 ‘화학기상증착(CVD)’이다. 활용도 높은 반도체 공정, CVD에 대해 얼마나 알고 있는지 문제를 풀며 확인해 보자.
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▶ 1. ①④ 2. ② 3. ③ 4. ⑤
[해설]
1. 반도체는 여러 막이 좌우와 아래위로 구성돼 있는데, 각 막이 최소한 갖춰야 할 조건들이 있다. 1) 막은 온도 변화에 따른 변화율이 작아야 한다. 트랜지스터 구조를 들여다보면, 각각의 막의 재질과 모양이 다르므로 온도가 낮아지거나 높아질 때 서로 팽창하는 계수가 다르다. 이를 ‘막의 스트레스(Stress)’라고 하는데, 팽창 계수가 높으면 온도 변화에 따라 팽창하고 수축하는 정도가 크므로 스트레스가 크다. 또한 팽창 계수가 낮으면 온도 변화에 따라 변화율이 적으므로 스트레스가 낮다.
2) 각각의 막들은 화학적 구성 성분이 서로 다를 수밖에 없는데, 이로 인해 받는 영향을 최소화해야 한다. 3) 각 막들 사이의 접착력이 높아야 서로 밀착되기 때문에, 물리적으로 혹은 전기적(전자 이동, 전자 Trap 등) 요인들로 인해 기능 저하가 발생되지 않도록 해야 한다. 4) 막 내의 보이드(Void)나 막 표면이 갈라지는 크랙(Crack), 막 표면에서 내부로 뚫린 핀홀(Pinhole) 등이 없어야 한다. 5) 각 막들은 본연의 전기적 기능을 해 줘야 한다. 전기적인 기능에는 도전 기능 이외에 절연 기능도 포함된다.
2. 상압화학기상증착(APCVD)은 초창기 CVD로서, 높은 대기압, 낮은 온도에서 진행해 평균자유행로(MFP; Mean Free Path)가 가장 짧다. 이에 단차피복성(SC; Step Coverage)과 보이드(Void)에 취약하고 막질도 가장 좋지 않다. 준기압 화학기상증착(SACVD)은 APCVD의 단점을 보완하기 위해 압력을 절반으로 줄여 단차피복성을 향상시켰다. 또한 저압화학기상증착(LPCVD)은 낮은 압력, 높은 온도를 사용해 평균자유행로가 가장 길어짐에 따라 단차피복성을 크게 향상시킨다.
열에너지 기반의 CVD 중에는 가장 얇은 두께의 막과 높은 균일도, 그리고 우수한 막질을 생산할 수 있다. 그러나 공정 속도가 느리다는 단점이 있다. 플라즈마 화학기상증착(PECVD)은 LPCVD의 단점인 고온 조건을 저온 조건에서 가능하게 하는 CVD다. 열적 스트레스(Stress)가 작고 공정 속도가 빠르지만 단차피복성과 막질이 좋은 편이 아니며, 플라즈마를 이용해야 한다.
고밀도 플라즈마 화학기상증착(HDPCVD)은 다른 CVD의 조건들에 대한 단점을 극복한 최상의 CVD다. 높은 진공도, 저온, 얇은 두께의 막, 균일도, 단차피복성 등 모든 면에서 강점이 있다. 하지만 증착 후 식각을 반복해야 하고, 중간에 화학적 기계적 연마(CMP)를 수행해야 해 공정 속도가 느리다. 또한 PECVD와 같이 플라즈마를 위한 별도의 장치가 필요하다.
3. 종횡비(Aspect Ratio)는 밑변 대비 높이에 대한 길이의 비가 되므로, 이것이 크다는 것은 밑변에 비해 키가 크다는 것. 이럴 경우에는 종횡비가 낮은 경우에 비해 단차피복성(Step Coverage)이 불리하다. 단차피복성은 수평면에 쌓이는 막의 두께 대비 수직면에 쌓이는 막의 두께를 의미한다. 따라서 벽면의 길이가 길다는 것은 그만큼 비례해 벽면에 쌓이는 막의 두께 측면에서는 열악한 환경이라는 의미다.
공극 채우기(Gap Fill)는 주로 CVD나 스핀 온 글라스(SOG; Spin On Glass) 방식을 사용하고, 원자층 증착(ALD)은 얇은 막을 형성하는 방식이다. 또한, 평균자유행로(MFP; Mean Free Path)는 일반적으로 입자의 충돌 노드(Node)와 충돌 노드 사이의 거리를 뜻한다. 압력을 줄이고 온도를 높이면 평균자유행로가 길어져 단차피복성이 향상되고 보이드(Void)도 동시에 개선된다.
4. 저압화학기상증착(LPCVD)은 약 섭씨 1000도의 높은 온도에서 진행해야 하므로 LPCVD 보다 밑에 있는 막들은 높은 온도에 견딜 수 있어야 한다. 그러나 금속막은 높은 온도에 쉽게 녹아 구조의 형태가 변형될 가능성이 높다. 요즘의 CVD는 웨이퍼 표면에서 반응을 발생시키는 이종 반응(Heterogeneous Reaction)으로 파티클(Particle)을 회피할 수 있어서 고순도의 막질을 얻는다.
또한 고밀도 플라즈마 화학기상증착(HDPCVD)은 LPCVD의 고온이 필요 없고 극저압이라 평균자유행로(MFP)가 길어 플라즈마 화학기상증착(PECVD)의 단차피복성(SC)과 보이드(Void)에 취약한 단점을 극복한다. 이는 또한 증착과 식각을 반복 활용해 공극을 채우는(Gap Fill) 능력이 좋고 공극 내에서 보이드가 거의 발생되지 않으나 심(Seam, 갈라진 틈)은 나타난다.
아울러 소자 분리 공정(STI)에선 이온 주입을 하지 않는다. 참고로 평균자유행로는 대기압 상태에서는 입자가 10억 분의 1m 정도의 평균자유행로를 갖는데 반해, 저진공에서는 100만분의 1m, 중간 진공에서는 0.01m, 고진공에서는 10m(최대 1km) 정도 되는 것으로 측정된다.