[반도체 탐구 영역] 물리기상증착(PVD) 편

반도체 Fab 공정에서는 회로 패턴을 따라 전기가 통하도록 금속선을 이어주는 금속배선 공정을 진행한다. 금속배선의 형태를 만들기 전 진행하는 PVD(Physical Vapor Deposition, 물리기상증착)는 금속 물질로 층을 쌓는 공정으로, 활용 장비나 방법에 따라 또다시 다양한 방식으로 분류된다. 이밖에 금속층을 만드는 방식으로 CVD(Chemical Vapor Deposition, 화학기상증착)나 ALD(Atomic Layer Deposition, 원자층증착)가 활용되기도 한다. 반도체 탐구 영역, 여섯 번째 시험 주제는 ‘PVD’다. 반도체 공정 중 하나인 PVD에 대해 얼마나 알고 있는지 문제를 풀며 확인해 보자.

[정답] 아래를 드래그해 확인해주세요!

▶1. ② 2. ③ 3. ④ 4. ①

[해설]

1. 반도체에 막(Layer)을 형성하는 방법은 크게 다섯 가지 정도가 있다. 그중 물리적으로 증기(Vapor)를 이용해 증착하는 방식인 PVD(Physical Vapor Deposition)와 화학적으로 증기를 이용해 증착하는 방식인 CVD(Chemical Vapor Deposition)를 주로 많이 사용한다. 최근에는 원자층을 한 겹씩 쌓아 올리는 ALD(Atomic Layer Deposition) 방식을 주로 사용하는 추세다. 그 외에는 웨이퍼 표면에 화학 용액을 분사시킨 뒤 웨이퍼를 회전시켜 막을 형성하는 SOG(Spin on Glass) 방식이 있고, 고전적인 전해도금(Electro Plating, EP) 방식을 응용해 구리 용액을 전기분해하여 전착하는 방식이 있다. ②는 막을 형성하는 방식이 아닌 이온주입(Ion-Implantation)에 대한 설명이다.

2. 스퍼터링(Sputtering)이란 건식방식을 이용해 얇은 박막을 코팅하는 공정을 말한다. 이 공정은 높은 에너지의 이온을 만들어 이를 알루미늄판(Target)에 충돌시키면 알루미늄판을 이루는 다수의 알루미늄 입자들이 떨어져 나오게 하는 현상을 이용한다. 이렇게 떨어져 나오는 다수의 알루미늄 입자(Vapor)들이 웨이퍼 기판(소스/드레인/게이트) 위에 눈처럼 쌓이도록 하면 알루미늄막이 형성된다. 스퍼터링에 활용되는 장비를 스퍼터(Sputter)라고 부른다. 알루미늄 외에도 여러 가지 금속 박막을 타깃으로 사용 가능하다. 그리고 타깃으로 사용된 금속판의 원소가 막을 형성한다. 즉, 타깃의 원소가 화학적 변화 없이 금속판에서 물리적으로 위치만 바꾸어 웨이퍼 위에 금속막을 형성한다. ALD(Atomic Layer Deposition)는 CVD의 일종으로, 원자층을 한층 한층 쌓아 막을 형성하는 방식을 말하며, 에칭(Etching)은 이와 반대로 막을 깎는 방식의 공정이다.

3. 먼저 웨이퍼가 들어갈 공간(챔버)을 마련하고, 스퍼터 챔버(Sputter Chamber) 안의 공기를 빼내어 대기압의 1/100 수준으로 만든다. 이때 고(高)진공일수록 플라스마가 잘 형성되므로, 강력한 터보 진공펌프를 사용한다. 그다음 알루미늄 금속판을 공격할 이온을 마련하기 위해 진공 상태의 챔버 내부에 아르곤 가스를 주입한다. 이후 아르곤 가스가 존재하는 챔버에 RF 파워 혹은 약 5,000V 정도의 높은 DC 전압을 걸어주면, 아르곤 가스는 전자와 양이온이 공존하는 플라스마 상태가 된다. 높은 에너지를 건네받은 중성인 아르곤 원자에서 원자핵의 구심력을 이겨낸 최외각전자가 탈출하면서 아르곤 원자는 양이온으로 변하게 되는데, 이 양이온을 이용해 금속판과 충돌시킨다. 이때 금속판이 충돌하는 운동에너지로 인해 알루미늄 격자 내 결합에너지보다 더 큰 에너지가 알루미늄 입자에 전달되면, 여러 개의 알루미늄 입자가 금속판에서 떨어져 나간다. 이때 떨어져 나간 금속 입자를 이용해 웨이퍼 위에 얇은 막을 입힌다.

4. 물리적인 증착 방법(PVD)으로는 스퍼터링(Sputtering) 이외에 증발(Evaporation)을 이용한 방식이 있다. 진공 상태의 챔버에서 금속판을 가열해 높은 열에너지를 얻은 금속 원자가 격자들을 결속하는 에너지보다 높아졌을 때, 금속 입자가 금속판을 탈출하게 하여 웨이퍼에 증착시키는 방식이다. 가장 단순한 방식으로써 단일 원소의 물질을 증착할 때 사용하지만, 효율이 높지 않아 많이 활용되지는 않는다. 그 외에 전자빔을 이용해 금속판을 가열하여 열에너지를 얻는 방식을 전자빔 증발법(E-beam Evaporation)이라고 이름 붙여 사용하기도 한다.