Deposition & Metallization (3) CVD

CVD( Chemical Vapor Deposition )

 

저번 시간에 Physical 방식 중 PVD에 대해서 알아봤으니 이번엔 Chemical 방식중 하나인 CVD를 알아봅시다.

 

CVD 방식은 화학적 기상 증착이라고 불립니다. 이 방식은 기체 상태의 source를 공급해서 기상 또는 표면에서의 화학반응에 의해여 박막을 형성하는 기술입니다. 일반적으로 우리가 사용하는 gas는 안정된 gas일겁니다. 그런데 일반적으론 안정된 gas들 끼리는 반응하지 않을 겁니다. 즉 적어도 어느 정도의 에너지를 가지게 하는 무언가가 필요 합니다. 그래서 대체로 열을 인가하거나 plasma를 형성하여서 중성 gas에서 높은 반응성의 Radical을 생성하고 이 Radical들이 기판에서 화학 반응을 일으켜서 박먹을 형성할 겁니다.

Radical이란 말은 Plasma에서 어울리는 말인데 일반적으로 우리가 많이쓰는건 Precursor입니다. 박막 형성 되기 전의 화학종을 의미하는 말인데 경우에 따라서 Gas 그 자체를 의미하거나 Radical의 일부를 의미하기도 합니다.

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일반적인 CVD 반응 Mechanism을 설명해 드리겠습니다.

1) Gas Phase Reaction

Chamber로 반응 gas가 투입되면 Homogeneous reaction을 합니다. 그런 다음 농도차이에 의해서 확산을 해 반응물들이 표면으로 이동하게 됩니다.

 

2) Surface Process

반응물이 표면에 흡착된 후 흡착물이 표면 농도차 확산에 의해서 표면에서 고르게 이동하고 화학 반응에 의해 Film을 형성하빈다.

 

3) Surface Deposition (exhaust)

증착이 다 되고 난후 기체 부산물이나 반응하고 남은 부산물들이 Chamber에서 제거가 됩니다.

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일반적으로 Gas들이 반응을 해서 고체상태로 박막을 형성하기 위해선 몇가지 조건이 필요한데요. 

 

먼저 반응하는 기체들은 안정된 상태에 머물러 있다가 우리가 Activation 에너지를 주면 반응을 하고 난 뒤에 고체상태의 반응 생성물을 형성해서 에너지 레벨이 쭉 떨어져야 하는데요. 즉 반응 기체와 반응 생성물의 free energhy 차이가 커서 자발적인 반응기 커야한다는 겁니다. 그렇지 않으면 CVD로 쓸 수 없는데요 왜냐하면 CVD공정 과정은 비가역 반응이어야 하는데 가역반응을 일으킨다면 CVD하는 의미가 없고 반응 제어가 잘 안됩니다. 

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CVD System은 여러 분류 기준에 따라서 나눌 수 있는데요  아래 표를 보시면 어려 방식의 CVD system이 존재하는데 저는 이번엔 PECVD와 LPCVD를 다룰 예정입니다.

PECVD와 LPCVD의 가장 큰 차이첨은 Precursor를 형성하는데 필요한 공급에너지가 다릅니다.

 

LPCVD는 처음엔 상압에서 열을 주는 APCVD에서 시작됐는데 APCVD의 경우 불순물에 의한 오염도가 높아서 불순물을 밀어줄 다량의 N2가스가 필요했는데요. 그럼에도 불구하고 도입된것이 저압 고진공 상태를 형성해서 진행해서 불순물을 감소시켜 줄 수 있는 LPCVD(Low Pressure CVD)입니다. 이름은 LPCVD이지만 에너지원은 그대로 열에너지를 사용합니다. 그래서 추가적인 에너지 없이 고온으로 공정을 하는데 보통 800도~1100도 사이에서 공정을 진행합니다.

 

아무래도 고온에서 공정을 진행하면 여러 defect들이 발생할 가능성이 높기 때문에 상대적으로 낮은 온도에서 공정을 할 수 있는 방법을 찾다가 도입한 것이 PECVD(Plasma Enhanced CVD)인데요. 온도 뿐만 아니라 전자기 에너지도 주기 때문에 상대적으로 300~400도 정도에서 진행하는 저온 공정이 가능합니다. 

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LPCVD

 

LPCVD의 모식도를 보시면 가스가 들어가는 입구와 방출되는 출구가 있고 온도를 컨드롤 할 수 있는 heater가 있고 일반적으론 웨이퍼 수십장을 한번에 공정을 진행하는 Batch(Lot) Process로 진행합니다.

온도가 높을 수록 증착 속도가 빨라질 수는 있지만 열 이외에 부가적인 에너지가 없기 때문에 상대적으로 증착속도가 낮지만 표면에서 확산이 잘 일어나기에 Uniformity는 우수하고 conformal film형성이 가능합니다.

(일반적으로 APCVD 보다 공정 온도가 높습니다)

LPCVD에서 중요한 Mechanism은 두가지가 있습니다

 

1) 질량 전달 제어(Mass Transport Limited)

이 경우는 반응 온도가 충분히 높을 경우입니다.

그러면 '표면으로의 반응 물질 전달 속도' < '표면 반응속도' 가 될겁니다. 그러면 표면에서의 반응는 금방금방 일어날거기 때문에 전체적인 반응 속도는 '반응 물질의 전달 속도'에 따라서 좌지우지 될겁니다.

이러한 경우 균일한 박막을 얻기 위해서 gas들이 wafer로 균일하게 가는게 중요해집니다 그러면 Chamber의 디자인이 중요해지겠네요. 아니면 Dummy wafer라고 안쓰는 wafer를 맨앞에 위치시켜서 나머지 뒤에 있는 웨이퍼에 균일하게 증착시키는 방법도 존재합니다.  

 

2) 표면 반응 제어(Surface Reaction Rate Limited)

이 경우는 반응 온도가 낮을 경우 입니다.

그렇다면 반대로 '표면으로의 반응 물질 전달 속도' > '표면 반응 속도' 가 될텐데 그러면 표면 반응속도가 전체적인 반응속도에 좌지위지 될것입니다. 즉 온도자체에서 더욱 민감해지기 때문에 이 경우는 온도 컨트롤이 더욱더 중요해집니다.

 

그런데 일반적으론 LPCVD는 고온공정을 주로 진행하기에 질량 전달 제어가 중요하고 둘 중에서는즉 Chamber design이 더 중요합니다.

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PECVD

 

PECVD는 wafer를 한장씩 놓고 위에 플라즈마를 띄워서 증착하는 방식인데 아래 그래프를 보시면 플라즈마가 없는 상태에선 성장속도가 온도에 따라서 증가하다가 어느 순간 포화상태에 돌입합니다. 그런데 플라즈마가 있는 경우엔 activation energy가 낮아서 상대적으로 온도에 대한 영향이 적습니다. 물론 이 경우도 온도가 높으면 높을 수록 성장속도는 빠르지만 굳이 고온까지 안가도 된다는 겁니다.

-PECVD는 플라즈마의 균일한 형성이 중요한데요 그럴려면 공급되는 gas가 균일하게 공급되어야 합니다. 그래서 Gas를 분산시켜 주입하는 shower head 방식을 택합니다.

-반응기체의 유량비에 따라서 박막 조성비도 변화하고 조절도 가능합니다.

-LPCVD에 비해서 빠른 증착속도를 가지고 있습니다.

-다만 Si-H, N-H같은 결합 등 수소를 포함한 불순물을 다량 포함하고 있는데 이런 것들이 PECVD의 단점이라고 할 수 있겠네요.

 

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마지막으로 APCVD, LPCVD, PECVD에 대해 비교한 표를 보면서 몇가지 이야기 해보겠습니다.

LPCVD경우엔 가장 중요한 장점이 불순물 농도가 낮고 균일한 박막 성장과 Conformal step coverage를 갖는 것인데요. 그렇기에 퀼리티가 좋은 고온 oxide나 silicon nitride에서 많이 쓰입니다.

그러나 고온공정은 초창기에 증착할때는 별 문제가 없지만 여러 패턴들이 존재한 상태에서 증착을 할때 고온 공정을 진행하면 기존의 패턴들이 damage를 받는다는 치명적인 단점이 존재합니다.

 

그렇기에 도입한게 상대적 저온 공정이 사능한 PECVD입니다.

저온에다가 빠른 증착 속도에 conformal까지는 아니더라도 괜찮은 step coverage를 가지고 있으니 이 방식을 안쓸 이유가 없겠네요. 하지만 Chemical, particle 오염이 좀 있고 증착하면서 기판에 이온들이 때려서 생기는 Plasma damage가 존재해서 아주아주 높은 퀼리티를 필요로하는 박막을 증착할 때는 LPCVD를 사용하지만 대부분의 빠르고 두껍고 저온 공정이 필요한 공정에선 PECVD를 사용하고 대표적으론 배선과 배선사이에 (ILD,IMD)에서 주로 사용되고 금속을 증착할 때나 맨 마지막에 수분, 화학적약품, 경도 측면에서 우수한 SiN(Passviation SiN)를 도포해서 아래 소자를 보호할때도 PECVD가 쓰입니다.