반도체 8대공정 중 CVD 공정 (산화공정) 이란?

 

---

 

반도체 8대 공정 중 CVD 공정 (산화공정) 이란?

반도체 8대 공정 중 CVD에 대해 알아보겠습니다.

반도체 제조공정은 박막> PHOTO> ETCH> 세정> 박막의 순서를 되풀이합니다.
 
여기서 박막이란 반도체가 원하는 전기적 특성을 갖출 수 있도록 Wafer 위에 성장시킨 여러 가지 물질을 말하며 영어로는 Thin film이라고 합니다.
 

 
 Cell 내에 각각의 요소들이 해야 하는 역할이 다르기 때문에 각 구성 요소들을 여러 가지 화학물질을 사용해서 각자 역할을 할 수 있도록 물리적 특성을 결정해 주어야 하는데, Wafer위에 이러한 물질을 만드는 것이 바로 박막이라고 합니다.

 이러한 박막을 Wafer에 균일하게 성장시키는 기술은 박막 성장 기술이라고 부릅니다. 박막(Thin film)이라고 부르는 이유는 우리가 성장시키는 막의 두께가 기껏해야 1㎛ 수준으로 얇기 때문입니다.
 
 이 정도로 얇은 막을 Wafer에 균일하게 증착시키는 것은 반경 100미터짜리 운동장에 1mm 두께로 모래를 균일하게 쌓는 것과 비슷하다고 할 수가 있습니다.
 

 
 박막 성장 기술은 CVD(Chemical Vapor Deposition, 화학적 기상 증착 방법)와 PVD(Physical Vapor Deposition, 물리적 기상 증착 방법)로 나눌 수 있습니다.
 
 CVD란 박막 형성의 한 공정으로 표면의 원료가 되는 GAS를 공급하여 열 및 Plasma를 이용하여 화학적 반응을 통한 박막 형성 기법입니다. 이는 침적 공정으로 하부 막질에 영향을 주지 않고 막 형성이 가능합니다.
 
 반면 PVD 방법은 일명 Sputtering이라고 하는 것으로 여러 가지 막을 얻기가 어려워 현재 PVD 방법은 그 응용이 주로 배선용 알루미늄 증착 등에 그치고 있습니다.

 CVD 방법을 이용하면 전기가 통하지 않는 절연막에서부터 텅스텐 등의 도전체, 탄탈륨 옥사이드 같은 고 유전 막도 증착할 수 있기 때문에 현재는 다양한 막을 얻을 수 있는 CVD 방법이 많이 사용되고 있고, 계속 발전할 것입니다.

CVD공정과 PVD공정

 

CVD 반응 방법에 따른 종류

 CVD는 반응 방법에 따라 크게 APCVD(Atmospheric Pressure CVD, 상압 기상 증착), LPCVD(Low Pressure CVD, 저압 기상 증착), PECVD(Plasma Enhanced CVD, 플라즈마 CVD), HDP CVD(High Density Plasma CVD, 고밀도 Plasma CVD)로 나눌 수 있습니다.
 

 
 APCVD는 가장 간단한 방식으로, 가스의 반응이 상압에서 이루어지며 웨이퍼가 놓이는 기판의 온도에서 열에너지를 얻어 반응합니다.
 
 대기압에서 반응이 이뤄지기 때문에 반응 가스들이 웨이퍼 표면에 도달하기 전 반응이 일어날 수 있으므로 웨이퍼에 도달하기 전까지는 반응 가스를 외부 공기와 차단하는 것이 중요합니다.
 
 APCVD는 두께 균일도를 조절할 수 있는 요소가 다른 증착 방식에 비해 다양하지 않은 단점이 있습니다.
 
 LPCVD는 가스의 반응이 진공상태에서 이루어지는 방식입니다. 진공상태에서 이루어지기 때문에 진공펌프가 필요하게 되고, 그렇기 때문에 장비도 복잡합니다.
 
 다만 두께 균일도를 조절할 수 있는 요소가 추가되기 때문에 APCVD대비 균일한 막질을 얻는데 용이합니다. 증착 온도가 높으면 증착 속도가 느리지만 균일도가 아주 우수한 막을 얻을 수 있으며, 낮은 온도에서는 균일도가 높은 온도에서 대비 불량하지만 빠른 증착 속도를 얻을 수 있습니다.
 

 
 PECVD는 가스의 반응이 진공상태에서 이뤄지는 것은 LPCVD와 동일하지만 에너지를 기판의 온도가 아닌 플라즈마에서 얻습니다.
 
 플라즈마에서 높은 에너지를 얻은 전자가 중성 상태의 가스 분자와 충돌하여 이들을 분해하게 되고, 이 분해된 가스 간의 반응에 의해 박막이 증착됩니다.
 
 플라즈마 에너지를 이용하기 때문에 낮은 온도에서도 증착이 가능하고, 두께 균일도를 조절할 수 있는 요소가 많기 때문에 유리하지만 설비가 복잡하여 유지 보수가 어려운 단점을 가지고 있습니다.

 HDP CVD 방법은 Ar 또는 He Sputter Etch와 Silane(SiH4) Oxide 증착을 동시에 진행합니다. 이렇게 하는 이유는 좁은 공간도 채울 수 있기 때문입니다.
 
 HDP는 High Density Plasma라는 글자 그대로 플라즈마 밀도가 일반 플라즈마에 비해 높습니다.
 
 이렇게 높게 진행하는 이유는 아르곤 스퍼터링을 하기 위해 낮은 압력을 유지해야 하는데, 이렇게 하면 플라즈마도 밀도가 낮아져서 옥사이드 증착 속도가 낮기 때문입니다.
 

 
 즉 낮은 압력과 높은 플라즈마 밀도를 동시에 유지할 수 있는 것입니다.
 
 그러나 HDP 옥사이드는 좁은 빈 공간을 채우는 능력은 뛰어나지만 완전히 평탄화가 되지 않기 때문에 평탄화를 위해서 후속에 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정이 뒤따라야 한다는 단점을 가지고 있습니다.
 

CVD 막질의 종류

 CVD 막질은 절연막과 금속 막질이 있습니다. 절연막은 Dielectric이라고 하는데, 즉 전기가 막 속에 들어가면 죽는다는 의미입니다.
 
 반도체는 소자를 연결하는 도전층과 이를 분리하게 시켜주는 절연막으로 구성되어 있는데, 절연막으로 가장 많이 사용되는 것이 CVD를 이용한 실리콘 산화막입니다.
 
 정식 명칭은 실리콘 다이 옥사이드(Silicon Dioxide)이고 화학식은 SiO2입니다.
 

 
 금속 막질은 텅스텐 실리사이드가 대표적이며, 실리사이드는 텅스텐과 실리콘의 화합물로써 폴리 실리콘보다 아주 낮은 저항을 가지고 있어 폴리 실리콘과 샌드위치 구조로 쓰이는 경우가 많습니다.
 
 이렇게 하면 두 막의 병렬 저항은 더욱 낮아지게 되고, 저항이 낮아지면서 소자의 속도가 빨라지기 때문입니다.
 
 지금까지 CVD는 주로 절연막의 형성에 중점을 두고 개발되어 왔습니다. 절연막 개발의 구동력은 층간 절연막의 평탄화였으며 앞으로도 계속될 것입니다.

카테고리 내 반도체 8대 공정 중 다른 공정들에 대한 내용들도 있으니 관심 있으신 분들은 함께 참고 부탁드립니다.

 

반도체 8대공정 중 Diffusion 공정이란?