Deposition & Metallization (1) 기본 필수 개념

이번 챕터에서는 Deposition(증착 공정)과 Metallization(금속 공정)에 대해서 다룰 겁니다.

두 공정은 엄밀히 말하면 구분되는 공정이지만 두 공정 모두 흔히 '박막'이라고 부르는 Thin film을 만드는 박막 공정에 속하기 때문에 같이 다룰 예정입니다.

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박막(Thin film)

 

먼저 '박막'이 뭔지 알아야겠죠? 박막이란 보통 1um 이햐의 얇은 막을 통칭합니다(1um 이상을 '후막'이라고 부릅니다)

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박막공정(Thin film process)

 

박막공정은 Wafer 위에 원하는 원자/분자 단위의 물질을 입혀 원하는 전기적 특성을 가지도록 하는 일련의 과정인데요 이때 원하는 전기적 특성을 갖는다가 중요합니다. contact/배선을 위해서 도체로 박막을 형성하면 전기가 잘 통할 것이고 SiO2 같은 부도체로 절연체/유전체 박막을 형성하면 전기가 안 통하겠죠.

 

좀 있어 보이는 말로 하자면 박막으로 사용하는 독자적인 재료의 성질을 나타내게 하는 과정입니다.

 

일반적으로는 국소 부위가 아닌 wafer 전면에 물질을 도포한 뒤에 향후에 patterning을 이용해 사용할 영역을 정하고 식각을 하는 과정을 거칩니다.

 

박막공정은 증착하는 방식에 따라서 물리적 증착/화학적 증착으로 분류됩니다. 

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박막 공정의 분류

추후에 중요한 공정 방법들을 자세히 다루겠지만 약간의 소개만 드리겠습니다.

 

Pysical 방식

 

PVD: 물리적 기상 증착이라고 하고 증착하고자 하는 물질을 기체화시켜서 증착하는 방식입니다.

-Sputtering: 증착물질을 직접적으로 때려서 이동시키는 방식

   -DC Sputtering

   -RF Sputtering

   -DC Magnetron Sputtering

   Ionized Metal plasma(IMP)

 

-Evaporation: 증착 물질을 증발시켜 이동시키는 방식

   -E-beam

   -Thermal

   -Molecular Beam Epitaxy(MBE)

 

Spin-on: 액상의 증착 물질을 웨이퍼에 뿌리고 웨이퍼를 회전시켜서 증착한 다음 열을 가해서 소결 시키는 방식입니다.

 

Chemical 방식

 

-CVD: 화학 기상 증착이라고 하고 gas들 간의 반응을 통해서 증착하는 방식입니다

   -APCVD

   -LPCVD

   -PECVD

   -MOCVD

 

ALD: 원차층 하나하나씩 증착시키는 방법으로 gas를 쓰긴 하지만 gas들 간의 반응은 없게 하는 방식입니다.

 

Plating: 반도체뿐만 아니라 여러 곳에서 사용되는 도금이라고 하는 방식입니다.

-전기도금

-무전해 도금

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박막의 필요조건

 

아무 물질들이 다 박막에 사용되는 것은 아니겠지요. 박막에 사용되려면 몇 가지 필요조건들이 있습니다.

 

1) 우수한 물질 특성

-도체(금속)는 저저항, 부도체(절연막)는 절연성 등의 기본적인 특성이 우수해야 합니다.

-목적에 따라서 경도, 밀도, 순도 등을 자유롭게 조절 가능한 물질이어야 합니다.

 

2) 기판(wafer)과의 점착력

-공정이 진행되는 동안 wafer 혹은 하부 물질에 그래도 부착돼있어야 합니다. 이를 나타내는 말을 점착력이라 하는데 물질 간의 성질에 따라서 변화가 가능합니다,

 

3) 열적 화학적 안정성

-반도체 공정에서 고온 공정은 많은 부분을 차지하는데 고온 공정은 물질의 상 변화를 유도하는데 이런  고온 공정에서도 성질을 유지해야 합니다.

-Cleaning, Photolithography 공정을 진행하는 동안 사용되는 산/염기성 화학 약품 사용 시에도 성질을 유지해야 합니다.

 

4) 패턴 형성의 용이함

-Thin film은 국부적 증착이 어렵기에 향후 patterning을 진행한다 했는데 그렇기에 식각 공정이 용이한 물질이 필요합니다

 

5) 높은 신뢰성

-장시간 사용 후에도 처음 상태와 유사한 물질 특성을 보유하기를 원합니다.

-다만 최근 도체나 부도체 등에서 이런 신뢰성 문제가 대두 중인데 그렇기에 다른 물질을 연구하거나 밀도를 높이는 등의 접근들이 시작됐다고 합니다.

 

6) Low cost

-위의 모든 조건을 만족하더라도 고가의 재료면 양산화가 어렵습니다.

 

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 Step coverage & Aspect ratio 

 

박막 공정에 들어가기 전에 알아둬야 하는 용어들이 있습니다. Step coverage와 와 Aspect ratio입니다.

 

Step coverage : 수직방향과 수평방향 간 증착 비율의 균일도를 나타내는 척도입니다. 흔히 패턴에 단차가 존재할 때 이 단차의 옆면을 얼마나 커버할 수 있냐는 겁니다.  아무래도 이런 단차가 심하면 심할수록 step coverage는 영향을 받을 겁니다.

 

Aspect ratio : 위에서 의미한 단차를 나타내는 말인데 어떠한 pattern의 종횡비를 나타내는 용어입니다. 가로길이와 세로길이의 비율을 의미하고 Aspect ratio가 크면 클수록 단차가 크다고 합니다. 

 

아래 그림은 Aspect ratio와 Step coverage를 수치화하는 방법입니다.

Step coverage가 좋다는 것을 conformal(good) step coverage라고 부르고 수직 방향과 수평 방향의 증착 비율이 1대 1에 가까워질수록 좋겠죠.

 

그렇다면 반대로 poor step coverage일 경우엔 필름이 얇으면 끊어지는 현상이 나타날 수도 있고 step coverage가 안 좋은 상태로 계속 증착을 진해할 경우 결국은 윗부분이 막혀 void가 생기는 key-hole defect가 나타날 수 있습니다. 이러면 도체일 경우 우리가 원하는 전도성이 안 나올 수 있고 절연체의 경우는 우리가  원하는 유전상수에 안 맞는 계산 결과가 나올 수 있습니다.

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APPENDIX : Film 특성 평가 항목

 

소자가 점점 고집적화, 고기능화, 박막 다층화가 되면서 박막의 특성을 평가 시 기계적, 전기적 및 신뢰성 변수가 엄격해짐에 따라 아래 표와 같은 특성 평가 항목들이 세분화 됐다고 합니다.

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Plasma

 

plasma라는 개념은 나중에 dry etching 같은 곳에서도 쓰이지만 증착 공정에서도 사용되는 개념이라 한번 집고 넘아가야겠습니다.

 

Plasma : 높은 에너지에 의해 원자가 전자, 중성입자, 아온 등으로 분리된 상태를 의미합니다(전리된 상태)

 

아래 그림을 보시면 에너지를 줄수록 원자들의 변화하는 과정을 볼 수 있는데요. 제3 상태까지는 전기적으로 중성을 띕니다. 이 상태에서 에너지를 조금 더 주면 원자가 전자와 양이온으로 분리가 되고 중성입자라는 녀석도 있는데요. 여기서 말하는 중성입자는 내가 처음에 넣어주는 중성 gas나 radical이라 불리는 반응성이 좋은 중성 gas를 의미합니다. 

맨 오른쪽처럼 완전 전리된 플라즈마 상태까지는 가기는 매우 어렵기에 반도체 공정에서 사용하는 plasma는 부분 전리된 플라즈마를 주로 사용합니다. 이때의 기체를 전체적으로 볼 땐 중성이지만 부분적으로 볼땐 극성을 띕니다.

 

이런 plasma 상태를 만들어 주기 위해선 에너지를 공급해줘야 하는데 반도체에서 주로 에너지를 공급하는 방식은 Electric field나 Magnetic field 등을 주로 사용합니다.

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Plasma 생성 원리

 

그렇다면 plasma가 어떻게 생겨나는지도 알아봐야겠습니다.

 

일반적으론 plasma는 가속된 자유전자나 이온과 원자가 충돌하면 발생하는데요 일반적으론 전자가 이온에 비해 엄청 가볍기 때문에 이온보다는 가속이 상대적으로 용이합니다.

 

이런 충돌이 발생한다고 무조건 플라즈마가 생성되는 건 아니겠죠

 

1) 반발(Atom elastic collision)

-충돌 에너지가 낮은 경우인데 아무런 변화가 없기에 No change라 하고 이런 경우를 반발이라고 부릅니다.

 

2) 이온화(Ionization)

-충돌 에너지가 매우 높은 경우인데 전자 하나가 원자 충돌하면서 새로운 이온과 또 하나의 자유전자를 발생시키고 자기 자신도 튕겨져 나가는 현상입니다. 이 현상이 반복되면서 Plasma가 발생 및 유지하는 것이죠.

 

3) 여기 & 발광 (Excitation & Relaxation) 

-충돌 에너지가 애매하게 높아 이온화되기엔 부족한 상태인 경우인데요. 가속되어서 충돌한 전자는 다시 튕겨나가는데 원자 안에 있는 가전자는 자유전자가 되지 못하고 들뜬상태(여기)로 갔다가 다시 바닥상태로 이동하면서 발광(빛에너지)을 일으킵니다.

아래 표를 보시면 위의 현상들 외에도 다른 여러 가지 현상들이 존재하는데요 이 중에서 중요시 볼 필요가 있는 건 '해리'인데요. 전자가 원자나 분자에 충돌했을 때 이온이 형성되는 게 아니라 중성으로 분리된 상태로 나온다는 겁니다. 이런 중성의 상태 애들을 Radical이라고 하는데 전기화학적 반응성이 매우 높은 녀석들입니다.

참고로 '해리'는 '여기'와 '이온화' 사이의 에너지에서 주로 발생하게 됩니다.