CVD(Chemical Vapor Deposition)

CVD(Chemical Vapor Deposition) • CVD(Chemical Vapor Deposition), 화학기상증착 기술이란? • 먼저CVD기술을 이해하기 전에 CVD기술이 반도체 제조공정 중 어디에 위치하고 어떻게 사용되는지를 이해할 필요가 있다. 이것은 CVD기술 내에서 목적하는 공정과 사용되는 용어를 이러한 전체 분류 내에서 생각하게 되면 상당히 알기 쉽고 또 어떻게 발전할지도 생각 해볼 수 있기 때문이다. • 반도체 제조의 기본공정은 크게 여섯 가지 정도로 나눌 수 있는데 이들 기본공정을 반복적으로 사용하여 원하는 반도체 소자를 제조 할 수 있는 것이다. • 다음은 이러한 반도체 제조 기본 공정을 분류 정리한 그림이다. Fig.1 반도체 제조 공정기술의 분류 Cleaning공정 Wet, Dry 열처리 공정 RTP산화, Furnace산화, Anneal 등 Doping 공정 이온 주입법, 열확산법, 이온 도핑법등 박막형성 공정 에피택시얼 성장,CVD,PVD,SOG,도금법 등 리소그래피 공정 레지스트 처리-도포,베이크,현상,큐어,제거 패턴에칭-드라이에칭,웨트에칭 노광기술-자외선,전자빔,X선 등 평탄화 공정 CMP,에치백 등 1

CVD(Chemical Vapor Deposition) 그림1.에서 알 수 있는 것과 같이 본 강좌에서 다루고자 하는 CVD기술은 박막형성을 위한 공정 중 하나의 기술로서 반도체 공정 중에서도 가장 다양성이 풍부한 분야이다. 그리고 특히 CVD등 박막형성기술이 다른 공정에 비해 비교적 중요한 이유는 형성된 막이 그대로 반도체소자의 구조 중에 남게 되고 그로 인해 그 소자의 특성,신뢰성등에 커다란 영향을 주기 때문이다. 이러한 박막형성기술은 크게 두개의 근간 기술이 있는데 CVD (Chemical Vapor Deposition: 화학적기상증착 )과 PVD(Physical Vapor Deposition : 물리적 기상성장)로 나눌 수 있다. 물론 이외에도 박막을 형성하는 기술로 회전도포에 의한 코팅, 최근에는 Cu(구리)박막의 형성을 위한 전기도금기술등이 기술 등이 있으나 큰 범주로 나누면 상기의 기술도 2개의 근간 기술로 분류하여도 무방하다 할 것이다. 다음은 박막형성법, 즉 형성기술에 따른 분류를 나타낸 것이다. Fig.2 박막형성법에 따른 분류 상압CVD APCVD 감압CVD LPCVD CVD법 프라즈마 여기 CVD PECVD 광 여기CVD Photo CVD 박 막 형 성 법 의 종 류 Sputtering Al,Al합금,Silcide,고융점 금속등 PVD법 Evaporation Al,Al합금 Ion Plating 2

CVD(Chemical Vapor Deposition) 표면중합법 ~폴리머 막 형성 도포.코팅법 졸.겔법 ~SOG, 강유전체 등의 형성 전기도금법 Cu막 위와 같은 박막 형성법으로 형성할 수 있는 박막의 종류를 알아보는 것 역시 CVD기술의 가능성과 미래, 그리고 다른 박막형성기술과의 차이, 특징등을 이해하는 데에도 도움이 된다. 박막의 재질에 의한 분류는 Fig.3 에 나타내었다. 박막의 종류 즉, 재질적으로는 절연막,금속(도체막),반도체막의 큰 세가지 범주로 나뉘며 세분하면 더욱 여러 가지 재료로 분류 된다. 특히 절연막 재료에서는 최근에 새로운 반도체 소자의 구조와 고성능화를 위한 많은 새로운 재료가 개발 되고 있다. CVD기술은 이와 같은 다양한 박막뿐만 아니라 강유전체 메모리(FRAM)와 같은 차세대 메모리에 사용되는 Capacitor유전막과 전극재료등 거의 모든 신재료 박막형성을 위한 기반 기술이라 해도 과언이 아니다. 3

CVD(Chemical Vapor Deposition) Fig.3 박막 종류에 따른 분류 Undoped산화막(SiO2~USG) Si 산화막 Doped산화막(PSG,BSG,BPSG) 불소 Doped산화막(FSG) Si3N4 절 연 막 Si질화막 Si3Nx(플라즈마 CVD에 의한 막) SiON(옥시 나이트라이드) Low k 유전율막 폴리머 필름, H함유 SiO2. Porus Sio2등 Ta2O5 박 막 의 종 류 Low k 유전율막 BST(티탄산 바륨.스트론티움0 STO(티탄산 스트론티움) 강유전체 막 PZT,PLZT등 4

CVD(Chemical Vapor Deposition) 알루미늄.알루미늄 합금막 Al-Si,Al-Si-Cu,Al-Cu등 금 속 . 도 체 막 고융점 금속막 W,Mo,Ti,Co등 실리사이드 막 WSi2,MoSi2,TiSi2,CoSi2,TaSi2등 도전성 질화막 TiN,TaN등 TiN,TaN등 Cu박막 Cu 기타 FRAM용의 신전극 재료- Ir,Pt,Ru2O 등 반 도 체 막 에피택시얼 막 폴리실리콘막 Doped 및 Undoped막 아모퍼스 Si막 다음시간은 CVD기술외의 박막형성기술을 간단히 알아보고 본격적으로 CVD의 원리, 원리에 따른 CVD의 분류에 대해 공부 하도록 하겠다. 5

CVD(Chemical Vapor Deposition) 2. CVD의 정의 및 원리 CVD는 다음 과 같이 정의할 수 있다. 즉 기판 위에서 형성 시키고자 하는 박막의 구성 성분들을 가진 기상상태의 가스들을 반응시켜 기판의 성질을 변화 시키지 않고 불휘발성 고체박막을 형성하는 방법을 말한다. 이것을 반응식으로 표현해 보면 다음과 같다. α (Gas) + β (Gas) + … A (Solid) + B (Gas) + … By-Product 반응 Energy (열 ,플라즈마 , 빛 (UV or LASER),또는 임의의 에너지) Gas 공급부 반응실 배기부 Energy부 즉, 외부와 차단된 반응실 안에 Substrate(기판)을 넣어 놓고 Gas공급부를 통하여 원료로 Gas를 공급하고 Energy부에서 공급된 Energy(열 ,플라즈마 , 빛 (UV or LASER),또는 임의의 에너지)에 의하여 분해, 반응시켜 기판에 박막을 형성하는 방법으로 기판의 성질을 변화시키지 않는 것이다. 이때 “기판 위에서” 라는 말은 중요한 의미를 갖는데 기판위가 아닌 기상상태에서 서로 반응하여 기판위에 박막이 형성 되는 것은 소위 기상반응(Gas Phase Reaction)이라 하여 형성하고자 하는 박막의 균일한 조성비 제어가 힘들 뿐만 아니라 일반적으로 형성된 산물박막 역시 기판에 눈이 쌓이는 것과 같이 분진으로서의 형태밖에 되지 않는다. 또한 “기판의 성질을 변화시키지 않고”라는 말도 CVD와 산화(Oxidation)과 같이 기판이 반응하여 기판과 다른 박막층을 형성하는 방법과 구별 짓는 중요한 의미를 갖는다. 6

첫 강좌에서 설명된 것처럼 박막형성기술은 CVD법외에도 PVD, 회전 도포에 의한 코팅, 전기도금 등의 기술이 있는데 다음으로는 이러한 다른 박막형성법과 비교한 CVD법의 장점과 단점을 알아보자. • 3. CVD법의 장점 • 1) 적용대상의 다양성 : 세라믹,금속,반도체,유기 고분자등 합성할 수 있는 물질이 다양. • 또한 박막,섬유,분체,Bulk등 다양한 재료형태를 얻을 수 있으며, • 반도체 레이저용 다층박막과 같은 소량생산에서 세라믹재료로서의 • 분체와 같은 대량생산에 이르기 까지 서로 다른 생산규모에서 대응이 가능. • 2) 고순도 재료의 합성에 적합 : 고순도 기체의 사용이 가능하며 수요가 충분한 크기로 되면 • 고순도 기체의 가격이 낮아지므로 고품질박막을 경제적으로 대량생산 가능. • 3) 정밀한 공정제어 가능 : 공정변수에 따라 반응장치가 달라지며 용도에 따라 다양한 형태의 • 박막을 고도의 공정제어를 통하여 형성가능. • 4) 복잡한 형태 위에 균일한 박막형성가능 • 4. CVD법의 단점 • 1) Coating 반응에 대한 substrate 안정도를 고려해야 함. • 2) 기판과 증착 재료간의 열팽창계수 차이를 고려해야 함. • 3) 부산물 ; toxic, corrosive → 중성화 → 비용이 비쌈. 7

5. CVD장비의 기본구성 주요방식 시료 운송부 저항가열 고주파 가열 Lamp 가열 반응실 Batch Type Hot Wall ◎ △ ○ Cold Wall ○ ◎ ◎ 매엽식 ○ △ ○ 연속 방식 ○ △ ○ 시료 운송부 CVD장비 Gas 공급부 * 원료 공급부 * MFC (Mass Flow Controller) Cylinder / Tank /유량계 Energy공급부 (균일가열,정밀제어) * 가열 전원부 * Energy공급부 * 온도검출 제어부 * 가열 전원부 : 저항가열,고주파 가열,램프가열 고주파 전원(13.56MHz등),자외광 배기부 * 배기관 * 진공펌프 * 스크러버 * (Rotary Pump,Dry Pump) *(유해성분 제거) 8

6. CVD System 의 분류 • 반응실의 생성압력에 따라 LPCVD ( Low Pressure CVD ) 와 APCVD (Atmospheric Pressure CVD )로 분류 • 할 수 있으며, 고속전자나 여기 에너지에 따라 Thermal, Plasma, Photon, Laser CVD로 분류되며, 또한 반응실의 • 벽이 가열 되는 Hot Wall, 반응기와 기판만 선택적으로 가열되는 Cold Wall방식으로 분류 할 수 있으며, 반응실의 • 형에 따라는 수직형, 수평형, Barrel형, 회전형, 연속형 등으로, 형성된 박막의 용도에 따라는 DCVD(Dielectric CVD) • ,MCVD(Metal CVD)등으로, 반응재료에 따른 분류로 MOCVD(MetalOrganic CVD),MICVD(Metal Inorganic CVD)로, • 또 최근에는 증착 박막의 미세두께 특징을 나타내는 ALD(Atomic Layer Deposition)등으로 그야말로 보는 관점에 • 따라 다양하게 분류 할 수 있다. CVDReactor Parameters Parameters Variations Temperature range Low, Medium, High Deposition Pressure ATM, Low Reactor geometry / Wall temp. Hot wall, Cold wall Energy Source Temp. , R.F , UV-light Deposition film Dielectric , Metal Reactant / Carrier gases Metal Organic, Inorganic 9

Fig. 4 CVD System 의 분류 CVD APCVD LPCVD Thermal CVD Thermal CVD PECVD Photon CVD Hot Wall Cold Wall Hot Wall Cold Wall Hot Wall Cold Wall 수평형 연속형 수평형 수직형 수평형 배럴형 매엽형 10

CVD법의 분류 예 반응 설명 분류 Parameter Thermal CVD Reactor에 주입된 반응기체의 분해 및 박막 증착에열에너지를 사용 Plasma Enhanced CVD로 Reactor내 혼합기체에 전장을 걸어서 Plasma상태를 형성하고 박막을 증착하는 방법으로 Thermal CVD 보다 저온에서 박막증착이 가능함. PE CVD 에너지원 Laser또는 자외선과 같은 광에너지를 반응기체의 분해 및 박막을 증착에 사용 Photo CVD AP CVD Atmospheric Pressure CVD 공정 압력 LP CVD Low Pressure CVD Metal Organic CVD의 약어로서 반응원료가 Metal원자및 Carbon, 산소등과 결합하여 유기물을 형성하고 있다. 반응원료가 실온에서 대부분 액체이기 때문에 기화과정을 거쳐 Reactor에 주입된다. MOCVD 원료물질 Ex) 2Ta(OC2H5)5 + O2 -> Ta2O5(s) + Others 11

각종 CVD법의 장단점 및 응용박막 Process Advantages Disadvantages Applications - Simple reactor APCVD - Poor step coverage - Low temp oxides, both - Fast deposition (Low Temp) - Particle contamination doped and undoped - Low temperature - High temp oxide - Excellent purity & uniformity - High temperature - Silicon nitride LPCVD - Conformal step coverage - Low deposition rate - Poly-Si - Large wafer capacity - W, WSi2 - Low temperature - Chemical and particle - PMD(pre metal dielectric) PECVD - Fast deposition contamination - Passivation nitride - Good step coverage 12

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