박막의 성장 - 증착 종류 [반도체공정]

반도체 8대 공정

1. 실리콘 웨이퍼 제조 공정
2. 산화공정(Oxidation)
3. 포토공정(Photo)
4. 식각공정(Etching)
5. 증착공정(Deposition)
6. 금속배선공정(Metalliztion)
7. EDS 공정(Electrical Die Sorting)
8. 패키지공정(Package)

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반도체 8대 공정 중 5번째 과정인

박막의 성장(thin film deposition)

방법은 크게 2가지.

 

1. 물리기상증착(physical vapor deposition) : 약자 PVD. 화학적 반응이 없는 박막 증착과정.

2. 화학기상증착(chemical vapor deposition) : 약자 CVD. 화학적 반응이 있는 박막 증착과정.

 

간단히 박막성장을 위해 주입된 원료물질과 반도체를 구성하는 박막을 구성하는 물질이,

PVD는 같고 CVD는 다르다.

 

예를 들어 SiH4 가스를 원료기체로 하여 Si 박막을 성장할 때 SiH4는 박막과의 화학적 반응으로 인해 분해되어 Si 박막이 성장된다. = CVD

 

박막 성장은 아무래도 골고루 기판에 성장시키는 것이 최종 목표이기에 아래에 위치한 증착물질(도가니)을 증발시켜 위에 위치한 기판에 때려 박아 성장한다고 이해하면 된다.

 

PVD의 종류

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PVD는 주로 금속을 이용.

 

금속은 산화가 쉽다.

금속 증기가 기판까지 이동할 때 산소와 부딪히면 산화가 된다.

이 공기들을 없애는 과정이 필요.

 

따라서 고진공이 매우 중요. (10^-6 Torr 이상의 고진공)

*한 번에 고진공을 만들기 어렵기 때문에 순차적으로 진공을 뺀다.

그래서 저 진공 펌프(Roughing pump)와 고진공 펌프의 조합으로 고진공을 구현함.

 

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1. 진공증착(evaporation) : 전통적 방법, 금속의 박막 성장법.

 

높은 온도로 금속을 녹여 발생한 증기로 박막 형성.

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2. 필라멘트 증착(filament evaporation) : 필라멘트의 높은 온도로 금속 기체 박막 성장법.

 

텅스텐 구성된 Filament에 증착금속 넣고 Filament에 전류를 인가하면 온도가 높아져 금속의 녹는점에 도달.

 

이때 기체가 발생.

 

텅스텐은 녹는점이 매우 높기에 녹을 걱정은 안 해도 됨.

*몰리브덴(molybdenum)을 쓰기도 함.

 

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3. 전자빔 증착(electron beam evaporation) : 필라멘트 대신 고온의 전자빔을 이용한 박막 성장법.

 

최대 15 KeV의 전자 빔을 증착물질이 담긴 도가니에 접속시키면 가열되어 증발함.

 

전자빔은 가열된 필라멘트에서 튀어나온 열전자를 집속하고 가속하여 만듦.

 

 

CVD의 종류

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주로 금속만 이용하는 PVD에 비해 다양한 화학물질이 이용됨.

즉 더 다양한 공정에 이용됨.

 

CVD로 형성 가능한 박막 : poly, Si, SiO2, Si3N4 등등

 

엄청난 내열금속인 텅스텐도 박막재료로 사용가능.

 

3. CVD 반응관 : 대기압에 동작하는 반응관.

위 그림은 여러 가지 형태의 CVD 반응관이다.

 

그림 a의 박막 형성 과정은 간단하게 다음과 같다.

컨베이어 벨트(conveyr belt)를 탄 웨이퍼가 이동 -> 히터로 가열 -> 박막 형성 -> belt 타고 나옴

 

반응관 주변은 질소기체로 이루어진 질소 커튼을 만들어 외부 공기를 차단한다.

= IC 공정 최종단계에서 passivation 용 SiO2 박막 형성하는 데 사용됨.

 

그림 b는 가장 널리 사용됨. = 저압 CVD = LPCVD(low pressure CVD)

반응기체가 웨이퍼가 있는 전기로로 진입 -> 웨이퍼와 반응 후 폐가스는 퇴출.

반응관은 주로 석영관으로 구성.

우수한 step coverage 특성으로 한 번에 수백 장의 웨이퍼를 성장할 수 있다.(batch process)

 

*step coverage란?

박막 성장 - 그림자 효과(step coverage) [반도체공정]

 

그림 C는 높은 에너지의 이온을 가진 원료 기체 플라스마 형성 후 기체를 분해하여 박막 형성. = PECVD(plasma enhanced CVD)

 

그림 D는 PECVD와 LPCVD를 결합시킨 하이브리드 형 반응관이다.

 

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CVD에서 다양한 공정에 이용이 가능하다고 했는데, 다음 포스팅에선 그 공정에서 poly, Si, SiO2, Si3N4 박막 형성 화학식과 설명을 하겠습니다.

 

그다음으로는 웨이퍼 결정 방향과 같은 결정방향을 가진 박막 성장 방법인 에피텍시(epitaxy)에 대해 이야기하겠습니다.