반도체 공정2 : 증착
이 글은 sk하이포 교육 이수 후 복습하기 위한 차원으로 작성한 글입니다.
배워가는 입장이기 때문에 오류가 있을 수 있습니다! 오류 지적 대환영
참고서적 : 박막재료공학_Global 출판사
* 박막 형성 방법
⑴ Thermal treatment
: Si를 소비하면서 만들어짐
ex. SiO₂, TiSi₂
⑵ Spin on Films
⑶ Deposition
- CVD (Chemical Vapor Deposition) : 소비하지 않고 만듬, 증착
ex. APCVD(atmospheric pressure), LPCVD(low pressure), PECVD(plasma enhanced), ALD
- PVD (Physical Vapor Deposition) : 물리적인 process 위주로 흡착, 고진공 필요
ex. Sputter, Evaporation
- Electroplating : 도금
* 박막 성장
Nucleation → Coalescence → Continuous growth
* Epitaxy
Epitaxy란 단결정 박막 증착으로, 결정질 기판 위에 단결정 필름을 성장시키는 것을 의미한다.
epi (~위에) + taxis (arranged 정돈된 방식을 의미) : 결정 성장 혹은 결정 seed layer에 대해 하나 이상의 잘 정의된 방향으로 새로운 결정 레이어가 형성되는 물질 증착 유형
단점 : 공정 속도가 느려야 하고, 초고진공에서 진행해야 한다.
장점 : 성장 시간, 웨이퍼링 비용을 줄이고 성장, 절단, 연마 등의 과정에서 발생하는 낭비를 제거, 조성의 균일성, 제어된 성장 매개변수 및 성장 자체에 대한 더 나은 이해
* 종류에 따른 Epitaxy 분류
- Homoepitaxy : Si epitaxy on Si substrates (같은 물질)
- Heteroepitaxy : Si on Saphire, AlGaAs on GaAs, SiGe on Si (다른 물질)
* 다양한 에피텍셜 기술
- Liquid Phase Epitaxy (LPE)
- Vapour Phase Epitaxy (VPE)
- Molecular Beam Epitaxy (MBE)
- Chemical Beam Epitaxy (CBE)
- Atomic Layer Epitaxy (ALE)
* Epitaxial Growth
https://marriott.tistory.com/128
핵의 성장과 연속된 박막의 형성 #1.
드디어 '박막형성법과 스퍼터링'을 끝내고 새로운 카테고리로 들어섰습니다. 지난시간에 스퍼터링 된입자의 상태들을 봤으니, 스퍼터링 '현상' 자체는 더이상 할게 없습니다. 그러나 솔직히 정
marriott.tistory.com
- 참고한 글입니다. 문제될 시 제 글을 비공개하겠습니다. 설명 너무 잘해놓으셨따.. 댑악..🥹❤️
- 박막 증착 시 target 입자들이 기판에 안착되어 물리적인 결합으로 붙게 되는데, 이때 기판에 도달한 입자를 adatom이라고 한다.
- adatom의 이동은 에피층 성장에 아주 중요하다.
- 그러나 adatom의 물리적 결합은 불안한 에너지 상태이므로, 일부는 표면에서 탈출할 수도 있다. 즉, 기판과 결합한 형태가 아니라, 그냥 올려진 상태로 존재할 수 있음.
- 따라서 기판의 온도가 아주 높아지면 운동 에너지가 생겨 기판 표면으로부터 증발할 수도 있다. (재증발 re-evaporation)
- 그 외에 들어오는 입자가 기판과 강하게 충돌하면서 기판에 부착되어 있는 입자를 떼어내 버리는 re-sputtering 현상도 있다.
* Epitaxial growth : Theory
시작 기판의 분자와 저융점 금속이 포함된 용융물에서 시작.
층은 기판 표면에 부분적으로 용해됨.
용융물에서 발생하는 열로 인해 웨이퍼 표면이 부분적으로 용해되어 저항률이 높은 층이 생성.
공정의 다음 단게에서는 다른 유형의 재료로 얇은 층을 형성하는 작업이 포함됨.
- 에피택시 층의 성장 속도 변수
- 화학 소스
- 증착 온도
- 반응물의 몰 분
* heteroepitaxy
성장하는 필름의 결정 구조가 기판 원자와 일치하는 경우.
필름은 단결정 기판의 단결정 확장이지만 경계면에서는 항상 약간의 결함이나 변형이 있을 수 있다.
위의 그림에서 진한 색 부분이 substrate, 위에 하얀 부분을 epi라고 본다.
그림 (a)는 si substrate 위에 si epi가 자라는 모습니다. 격자 간 거리가 일정하다.
그림 (b)는 si substrate 위에 GaN epi가 자란 모습이다. compressive stress와 tensile stress에 의해 장력을 받아 기판이 깨진다.
그림 (c)는 si subtrate 위에 Ge epi가 자라는 모습이다. si와 Ge 표면에 dangling bond가 형성되어 잘 안 붙는다.
+) 전력 반도체의 경우 SiC, GaN 반도체는 Ingot 형태가 불가하여 Epitaxy 형태로 기판을 성장해야 한다. -> 어려움
* Epitaxy 장점
- 구조적 및 전기적 특성 개선
- 저온에서 성장이 수행됨 - 화학적 및 결정적 결함 감소, 용융물에 주변 환경으로부터의 화학적 오염 감소
- 재료 두께와 캐리어 농도를 제어
- p-n 접합 및 기타 다층 구조 성장 가능성
- 낮은 결함 밀도로 인한 우수한 전기적 특성
* Physical vapor deposition (PVD)
: target의 구성원자가 진공 속으로 날아가 기판 위에 도착하여 박막을 만든다.
-> 진공인 공간을 비행하는 과정, 표면확산 및 벌크확산의 세가지 단계로 나누어서 생각할 수 있다.
* Evaporation
이미지 출처 : https://www.semicore.com/news/71-thin-film-deposition-thermal-evaporation
- 열(Thermal) 또는 전자빔(E-Beam) 증발(evaporation)에 의한 고체 소스의 증발을 이용한 박막 증착 기술
- 더 이상한 반도체 산업의 주요 증착 기술은 아니지만 (제한된 step coverage, 낮은 신뢰성) 특정 용도로는 사용됨.
* 증발원 가열법
1. 저항가열 증발원
: 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 몰리브네륨(Mo) 등의 고융점 금속의 가는 선 또는 얇은 판을 전기적으로 가열하고, 그 위에 직접 올려놓은 물질을 증발시킨다. 이때, 증발시키는 물질은 W, Ta, Mo보다 융점이 상당히 낮은 물질로 한정된다.
→ 문제점 : 증발할 때 고온이 되기 때문에, 증발물질과 히터와의 접촉면은 합금화되어 선이나 판을 여러번 사용하면 절단되거나 구멍이 생김
→ 최근(언제적 최근인진 모르겠지만) : 가열 온도를 높게 하거나 수명을 길게 하기 위해서 최근에는 질화보론(BN)의 소결체를 블록보트(block boat)로 사용하고 있다.
2. 방열식 도가니 증발원
: 증발이 큰 경우 도가니를 사용. 도가니의 재료로는 석영, 알루미나, 질화보론 등이 사용됨.
- 전기적 가열을 위해 금속선으로 주위를 둘러싸서 도가니와 함께 그 내부의 재료를 가열하는 방열식
- 절연물의 바깥에 여러번 감은 코일을 설치하고, 고주파 전류를 흘려서 내부의 금속재료를 유도가열하는 방법
→ 증발 가능한 재료의 융점이 비교적 낮은 물질로 한정됨 (ex. Al, K, As, In 등)
3. 전자빔 증발원
: 수냉된 동(Cu)으로 만든 도가니에 재료를 넣고 그것에 직접 전자빔을 쪼여서 가열
- 매우 좁은 면적에 큰 전력을 보낼 수 있어 고융점 물질 증착 가능.
- 동으로 만든 도가니는 저온으로 유지되기 때문에 증발물질과 반응X → 형성되는 막 안으로 불순물이 혼입되는 경우가 적어 반영구적으로 사용 가능
* Evaporation 소스
온도가 높을수록 exp하게 증가한다
* MBE (Molecular beam epitaxy 분자선 에피택시) : Epitaxial growth technique
- MBE란 : 결정기판 위에 박막이 형성될 때 기판원자의 결정학적 배열과 일정한 연관성을 갖고 박막의 원자가 배열하여 성장하는 현상을 에피택시라고 한다. 진공 증착의 경우 에피택시는 기판과 증착원자의 조합, 기판온도, 증착속도 등에 관련된 특정조건이 만족할 때에 일어나며 그 조건을 고도로 정밀하게 제어하여 에피택셜 박막을 반드는 방법을 말.
- 응용분야 : 화합물반도체의 박막제작, 단원소 반도체/금속/산화물 곡온초전도체 등의 단결정 또는 초격자 제작을 위한 기술, 고정밀 제어가 요구되는 박막제작의 수단, 고속반도체 소자의 생산 수단 등
- 장치 특성
- 기판으로 입사하는 불순물 원자를 최대한 억제하기 위해서는 초고진공, 극고진공으로 하여 박막 형성 → 시간 많이 소요
- 박막을 형성하기 위한 입사원자는 출발원으로부터 직접 날아오는 분자선만을 이용함. 증발원을 액체질소 덮개(shroud)로 둘러싸고 벽면에 부착된 원자가 재증발하여 기판에 입사하여 에피택시 조건을 해칠 수 있는 불순물 흡입의 원인을 억제함
- 증발원의 온도, 증발속도, 기판온도 등을 아주 정밀히 제어하여 에피택시의 성막조건을 설정.
* Sputtering
: 'target' 표면에서 원자를 물리적으로 제거하는 에너지 이온 충격에 의한 박막 증착
참고 자료
https://korvustech.com/dc-sputtering/#:~:text=Direct%20current%20(DC)%20sputtering%20is,the%20target%20material%20into%20plasma.
What Is DC Sputtering? An Overview | Korvus Technology
DC Sputtering (or Direct Current Sputtering) is a physical vapour deposition technique of thin films. Learn more here!
korvustech.com
* Sputtering 방법
- DC 2극 스퍼터 방법 (DC diode sputtering)
: 이온화된 가스 분자를 사용하여 target 물질의 분자를 플라즈마로 sputter(기화)하는 박막 증착 기술.
→ 비용이 저렴하고 제어 수준이 높아 전기 전도성 target 재료에 선호됨.
- RF sputtering
: 고전압 RF 소스를 사용하여 진공 환경에서 전류의 전위를 교대로 나타낸다. 이 교류 전류는 플라즈마 입자의 축적과 가스 이온화를 방지하여 본질적으로 매 사이클 후에 축적된 전하를 제거한다. 첫 번째 사이클에서 음전하를 띤 target 물질을 사용하는 경우 이온화된 가스 이온은 사이클이 끝날 때 양극에 남아있음. 다음 사이클에서는 역분극을 사용하여 타겟과 기판의 전하를 변경하여 양으로 대전된 스퍼터링 가스 원자가 음으로 대전된 기판을 향해 이동하게 된다.
→ 증착 속도 느림, 높은 전력 요구
- Magnetron Sputtering
: 마그네트론이란 이 방법에서 전자의 운동이 극초단파전자관(magnetron)에서 일어나는 현상과 흡사한 것에서 유래한다.
[Thornton의 마그네트론 스퍼터링 정의]
- 전계와 자계가 수직으로 교차하는 공간에서 방전함
- 전자는 전계와 자계가 수직으로 교차하는 방향으로 이동하며 드리프트 운동을 한다.
- 전자의 드리프트 운동의 괴적은 끝없는 폐쇄된 경로를 그린다.
* Thornton diagram : microstructure vs. dep conditions
- Zone 1 : At low T, E, amorphous, highly porous due to low adatom mobility
- Zone T : highly specular, small grains
- Zone 2 : tall, narrow columnar grains
- Zone 3 : large 3D grains
* Step coverage
스퍼터링 방식은 step coverage가 안 좋다.
* Chemical Vapor Deposition (CVD)
: 화학 전구체(precursor)를 사용하여 화학 반응을 통해 박막을 증착
최종 패시베이션(passivaton), Poly-Si gate 전극배선과 Al 전극배선 간의 층간 절연막, 다층 Al 배선 간의 층간 절연막으로 사용됨
* CVD 반응에 따른 분류
1. Thermal decomposition: element films deposition
- Hydrocarbon decomposition : CH₄(g) → C(s) + 2H₂(g)
- Hydride decomposition: SiH₄(g) → Si(s) + 2H₂(g)
- Carbonyl decomposition : Ni(CO)₄(g) → Ni(s) + 4CO(g)
- Metal organic decomposition : CH₃SiCl₃(g) → SiC(g) + 3HCl(g)
- Halide decomposition : WF6(g) → W(s) + 3F₂(g)
2. Reduction / co-reduction: at lower T than thermal decomposition
- halide reduction by hydrogen SiCl₄(g) + 2H₂(g) → Si(s) + 4HCl(g)
- metal reduction of halides : Til₄(g) + 2Zn(s) → Ti(s) + 2Znl₂(g)
- binary compound : TiCl₄(g) + 2BCl₃(g) + 5H₂(g) → TiB₂(s) + 10HCl(g)
3. Oxidation and hydrolysis
- Oxidation: SH₄(g) + O₂(g) → SiO₂(s) + 2H₂(g)
SiCl₄(g) + 2CO₂(g) + 2H₂(g) → SiO₂(s) + 4HCl + 2CO(g)
- Hydrolysis : 2AlCl₃(g) + 3H₂O → Al₂O₃(s) + 6HCl(g)
4. Reactions to form compounds
- carbide formation : TiCl₄(g) + CH₄(g) → TiC(s) + 4HCl(g)
- nitride formation : 3SiH₄(g) + 4NH₃(g) → Si₃N₄(s) + 12Hl₂(g)
* CVD 과정
가스를 이용하여 기판 표면에서 화학반응을 일으켜서 박막을 형성하는 기법.
- CVD장치 내부에서 온도 T의 가스분자가 1몰당 3RT/2의 운동에너지를 갖고 있으며, 이것이 기판에 입사하면 흡착열을 방출하고 기판위에 얼마간 체류한다.
- 체류시간 중에 흡착분자는 흡착열 보다 훨씬 작은 표면 확산에 에너지를 얻거나 방출하거나 하면서 표면에서 이동한다.
- 표면 위의 스텝(step)이나 킹크(kink)라고 부르는 원자 레벨의 요철이 생긴 곳에 도달하면, 거기에서 긴 시간 머물면서 표면화학반응을 거쳐 고체가 되고 새로운 표면을 형성하는 확률이 높아진다.
- 이 흡착분자들은 반응이 진행되면서 박막의 성장에 기여하지만 그 전에 흡착열 이상의 에너지를 얻게 되면 다시 표면으로부터 이탈할 수도 있다.
+ 반응진행 순서
* 온도에 따른 박막 성장 속도
낮은 온도에서는 Si 부착원자(adatom)의 이동이 박막성장에 있어서 속도지배(rate-limiting) 단계의 기본이 된다.
* APCVD (Atomospheric Pressure CVD)
: 대기압 상태에서 증착을 진행하는 방식
throughput이 좋고 장치 구조가 간단하지만, 진공도가 낮아 bad step coverage를 가진다.
* LPCVD (Low Pressure CVD)
: 가압이 없는 표준 화학 기상 증착 과정이다.
* PECVD (Plasma Enhanced CVD)
: 저온, 고밀도 필름 증착 기술
Ex. PE-CVD for dielectric using TEOS
+ 참고자료
화학 기상 증착 - Silicon Valley Microelectronics
Chemical vapor deposition (CVD) oxide is a linear growth process where a precursor gas deposits a thin film onto a wafer in a reactor.
svmi.com
* TEOS 프로세스
TEOS : 실리콘 산화막 제작에 사용되는 무기반응 가스 중 하나
TEOS 열분해에 의한 산화막 형성 : Si(OC₂H5)₄ → SiO₂ + 4C₂H₄ + 2H₂O
Plasma TEOS-CVD 막은 우수한 step coverage를 가지고, 박막에 수분 함유량이 비교적 작아 평탄화를 위한 효과적인 기술이다.