[반도체 공정] 박막공정(Thin film, Deposition)-2
3. CVD (Chemical vapor deposition, 화학 기상 증착)
: 기판 표면에서 기체 반응 가스 (전구체)의 화학반응을 통한 증착 방법
1) 반응
- Gas phase reaction (Homogeneous, 균질 반응): Gas phase에서의 반응으로 solid 생성 후 wafer 표면에 부착됨
균일도, Particle 문제
Solid surface reaction(Heterogeneous, 이종 반응): wafer 표면에서 반응해 박막으로 증착됨, 바람직
- Reaction
- 크게 3 단계로 이루어짐 : Mass Transfort-> Surface rxn-> Surface desorption
Mass Transfort(질량 전달): 반응 가스가 대류에 의해 챔버 내로 유입
-> 일부는 Laminaf flow(층류)로 흘러가고 일부는 웨이퍼 표면에 경계층 형성
*층류: 유체가 거의 섞이지 않는 층을 이루며 흐르는 형태
* 경계층: 웨이퍼 표면의 가스 흐름과 웨이퍼 사이 마찰력으로 가스의 흐름이 매우 느린 층
표면 반응으로 인한 농도차로 확산에 의해 흐름
Surface rxn(표면 반응): 웨이퍼 표면 경계층을 통과해 흡착, 확산, 화학반응 통해 박막 형성
Surface desorption(탈착): 반응 부산물 탈착-> 벌크 가스로 확산-> 대류로 배기
배기가 빨라야 새로운 전구체가 흡착됨
- Reaction rate limited regime
: 온도에 따라 속도가 낮은 step이 전체 반응 속도를 결정
- 반응 온도가 충분히 높을 경우: 반응 물질 전달 속도 < 표면 반응 속도
반응 물질 전달 속도가 전체 반응 속도 결정-> 질량 전달 제어 영역
균일 박막을 위해 챔버 디자인이 중요
- 반응 온도가 낮을 경우: 반응 물질 전달 속도 > 표면 반응 속도
표면 반응 속도가 전체 반응 속도 결정-> 표면 반응 제어 영역
반응 온도에 민감해 온도 조절이 중요
-그래프: F1=경계층을 통과해 표면에 도달하는 가스의 유속 밀도
Fick's 1st law에 따라, F1=D(Cg-Cs)/dx (D-확산 계수(온도 의존성이 거의 없다), dx-경계층 두께)
h(Mass tranfer coefficient, 질량 이동 계수)=D/dx
F2=표면 반응으로 소모되는 가스의 유속 밀도
F2=k(s)*Cs (k(s)-Surface reation rate, Cs-표면 가스 농도)
아레니우스 식을 따라, k(s)=k0* exp(-Ea/kT)-> k(s)는 온도 함수
Steady state에서 속도가 느린 쪽에 맞춰짐
F=F1=F2
F=k(s)*h/k(s)+h x Cg
박막의 성장 속도(v)=F/N(1cm3 박막 형성에 필요한 가스 입자 농도)
=k(s)*h/k(s)+h x Cg/N
h>>ks 경우, v=k(s)* Cg/N -> 아레니우스 식 대입, ln 취함-> ln=-Ea/k * 1/T + ln(k0*Cg/N)
h<<ks 경우, v=h* Cg/N
2) 종류
: AP CVD, LPCVD, PECVD, HDP-CVD, MOCVD, ALD
오른쪽으로 갈 수 록 -> High A/R에 이용 (High step coverage)
1. APCVD(Atmospheric Pressure CVD)
- 저온공정(4-500℃), 대기압(760 Torr),
- 장점: 장비 구조 간단, 저온공정
단점: 낮은 생산성- 느린 증착 속도
저온에서는 온도 제어가 용이하므로 수직 로딩 통한 처리량 증가 가능
대기압으로 인한 오염
막질, 균일도 문제- 저온 공정으로 인함
개선 위해온도 증가 시 온도제어 용이x
-> 수평 로딩 필요, 질량 전달 제어 영역이 되므로 온도로 인한 속도 개선 안됨
-> 낮은 생산성, Wafer 간 균일도 및 증착 속도 차이 문제
->Susceptor 경사로 개선, 생산성 문제는 남아있음
->강제 환기 연속 고정 반응기: 양단에 N2막을 만들어외부 가스 유입 차단
대기압보다 약간 높은 압력, 500도로 강제 환기 상태 만듬
컨베이어 벨트를 따라 웨이퍼가 지나감
-> 균일도, 생산성, 오염 개선
2. LPCVD(Low Pressure CVD)
- Poly Si, Spacer 등등 우수 막질 필요한 곳에 이용, W(텅스텐) 등 금속 박막
- 3-800℃, 0.1~10 Torr
- 장점: 균일도 개선- 저압-> 확산계수 증가, 경계층 두께 감소-> 질량 전달 계수 증가-> 표면 반응 제어 영역
생산성 개선- 균일도의 가스흐름 의존성이 낮아 수직 로딩 가능
단차 피복성 우수- 저압-> MFP 증가
Purity
단점: 고온 공정
질량 고갈 문제- 표면 반응 제어 때문
위치별 온도 구배로 개선
APCVD 비해 낮은 증착 속도
- 장비: Furnace- Vertical/Bath type
Temperature control system: Heater, TC(Thermocouple)
Gas control system: MFC(Mass Flow Controller)
Load/Unload control system
Pressure control system
3. PECVD(Plasma Enhanced CVD)
- IMD(Low K), 마지막 Passivation 등 저온 공정이 필요한 영역에 이용
- 저온공정(300-400℃), 균일한 분포 위해 샤워헤드형 노즐 사용
- 장점: 저온공정- Plasma: 반응 가스 라디칼 형성을 통한 반응 활성화 에너지감소로 저온 공정을 가능하게 함
다양한 공정변수
높은 생산성
APCVD보다는 나은 단차 피복성- 낮은 고착계수 때문
단점: 복잡한 구조
Gap fill, 막질 특성 나쁨
부산물 오염
Plasma에 의한 표면 damage