박막 증착 공정

기출문제 풀이

기출문제 ❶

박막 증착 공정에 대해 설명하시오.

STEP1 접근 전략

• 설명형 문제로 중하 난이도이며 박막 증착 공정에 대한 전반적인 지식을 묻는 문제이다.

• 매우 방대한 내용이므로 시간 안에 설명할 수 있도록 내용을 구조화시켜 체계적으로 설명한다.

• 박막 증착 공정의 정의를 설명하고 메커니즘 측면에서 기상 증착, 도포, 도금으로 나누어 세 분화하되, 주로 PVD와 CVD에 대해서만 설명한다.

• 각 공정에 대한 정의, 방식, 대표적인 장단점을 간략히 설명한다.

STEP2 답안 구조화 TIP

Q 박막 증착 공정?

• 1μm 이하 박막 증착 공정 → 금속, 반도체, 부도체

• 기상 증착(CVD, PVD), 도포, 도금

• CVD → 기판과의 화학 반응 → AP, LP, PE-CVD/ALD

• PVD → 입자 에너지 전달 → 물리적 증착 → 진공 증착, 스퍼터링

STEP3 모범답안

반도체 박막(Thin film)은 통상 1μm 이하의 얇은 두께의 필름(Film)을 말하며 박막 증착 공정에 의해 모든 형태의 박막 증착이 가능합니다. 이러한 박막을 형성하는 방법에는 기상 증착(Vapor deposition), 도포(Coating) 그리고 도금(Plating) 방법 등이 있습니다. 기상 증착 방법에는 반응 가스와 기판과의 화학적 반응을 통해 박막을 증착하는 화학적 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)과 증착 입자에 에너지를 전달하여 화학적 반응 없이 물리적으로 박막을 증착시키는 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition, PVD) 방법이 있습니다.

또한 CVD 방식에는 열을 반응 에너지원으로 하는 대기압 상태의 상압 CVD(Atmospheric CVD, AP-CVD)와 낮은 압력에서 증착이 진행되는 저압 CVD(Low Pressure CVD, LP-CVD)가 있습니다. AP-CVD는 증착 속도가 빠르다는 장점이 있지만 낮은 균일도 및 높은 불순물 농도의 문제가 있습니다. LP-CVD는 고온, 저압 조건에서 박막을 증착하여 AP-CVD의 문제를 개선한 방식으로, 피복 능력 등의 박막 특성이 우수하고 균일도 조절이 용이하며 생산성이 높은 장점을 가지는데 반해 느린 증착 속도와 고온 공정에 대한 부담이 있습니다.

플라즈마를 에너지원으로 하는 플라즈마 강화 CVD(Plasma Enhanced CVD, PE-CVD)는 플라즈마 내의 반응성이 높은 활성종을 사용하여 증착하는 방식으로, 낮은 온도에서도 증착 속도가 매우 빠른 장점이 있지만 박막 내 불순물 함유량이 높고 피복 및 매립 특성에 한계가 있습니다. 그리고 기존 CVD 방법을 변형해 원자층 단위로 박막을 증착함으로써 얇고 계단 피복성이 우수한 박막을 증착할 수 있는 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 등이 있습니다. PVD 방법에는 금속을 고진공에서 증발시켜 웨이퍼 상에 박막 형태로 증착시키는 진공(Evaporation) 방식과, 플라즈마 상태에서 강한 전기장에 의해 가속된 이온을 금속 타겟(Target)에 충돌시켜 이때 떨어져 나온 금속 입자를 웨이퍼 상에 증착시키는 스퍼터링(Sputtering) 방식이 있습니다. 진공 증착 공정은 고진공에서 진행되는 관계로 증발 입자의 직진성 때문에 그림자(Shadowing) 효과가 발생해 박막의 피복 능력이 좋지 못하므로, 현재는 반도체 공정에서 거의 사용되고 있지 않습니다.

기출문제 풀이

기출문제 ❷

PVD와 CVD 공정을 비교하시오.

STEP1 접근 전략

• 비교형 문제이며, 난이도는 중하이나 매우 출제 빈도가 높은 문제이다.

• PVD와 CVD의 원리, 특징과 장단점에 대해 체계적으로 설명한다.

STEP2 답안 구조화 TIP

Q PVD vs. CVD 공정?

• PVD: 진공 증착, 스퍼터링

- 진공 증착: 피복 능력↓, 합금 증착 어려움 → 미사용

- 스퍼터링: 플라즈마 → 타겟 이온 충돌 → 증착

- 장점: 불순물↓, 저온 공정

단점: 피복 능력↓, 치밀성↓, 접착력↓, 균일성↓, 고진공

• CVD: 전구체 → 에너지 → 화학 반응 → 증착 → 반응물 배기

- 장점: 피복 능력↑, 치밀성↑, 접착력↑, 균일성↑

- 단점: 불순물↑, 이물질↑, 고온

- AP-CVD, LP-CVD, PE-CVD, ALD

STEP3 모범답안

물리적 기상 증착(PVD)은 크게 진공 증착(Evaporation)과 스퍼터링(Sputtering)으로 나눌 수 있습니다. 진공 증착은 고진공 상태에서 전기적 저항 또는 전자 빔으로 Al과 같은 증발시킬 재료인 소스(증발원)를 가열하면, 소스는 기체 원자 및 분자들로 증발되어 웨이퍼까지 날아가 기판 표면에서 기체 원자들이 응축되어 모이면서 박막이 만들어지게 되는 원리입니다. 순수한 박막 증착이 가능하고 장치가 단순하며 다양한 물질에 적용이 가능하다는 장점이 있지만 고진공에서의 입자의 직진성에 의한 그림자 효과로 인해 계단 피복성이 좋지 않고 합금의 증착이 어렵다는 단점이 있어 현대 반도체 업계에서는 거의 사용하지 않는 공정입니다. 스퍼터링 공정은 주로 금속 증착에 사용되는 공정으로, 반응성이 낮은 Ar 가스를 사용하여 플라즈마를 생성하고, 그중 높은 에너지를 가진 이온이 증착 금속에 충돌하여 금속 표면으로부터 금속 입자를 떼어내어 반대편에 장착된 웨이퍼 기판 표면에 해당 금속 박막을 증착시키는 원리입니다.

화학적 기상 증착 공정(CVD)은 기체 상태의 반응 가스(전구체, Precursor)를 진공의 반응 챔버에 주입하고 열이나 플라즈마와 같은 에너지를 가한 후 웨이퍼 표면에서 화학 반응을 일으킴으로써 원하는 고체 상태의 박막을 형성하는 공정으로, 반응 중 생성되는 반응 부산물(By-Product)은 기체 상태로 배기됩니다. 통상의 공정 특성 상 물리적 기상 증착(PVD) 방법보다 높은 압력 및 온도에서 진행되며 절연체, 반도체, 도체 금속 등 다양한 물질의 증착이 가능합니다. CVD 방식에는 에너지원으로 열을 사용하는 상압 CVD(AP-CVD), 저압 CVD(LP-CVD)가 있고, 플라즈마를 에너지원으로 하는 플라즈마 강화 CVD(PE-CVD), 그리고 CVD 방식을 변형한 원자층 증착(ALD) 등이 있습니다. PVD 공정은 불순물 함유량이 낮고 저온 공정이라는 장점이 있는 반면, 피복 능력과 박막의 치밀성 및 접착력, 그리고 균질성이 떨어지고 고진공이 필요하다는 등의 단점이 있습니다. CVD 공정은 균일성과 피복 능력이 우수하고 다양한 물질의 증착이 가능하며 기판과의 접착력이 좋다는 장점을 가지는 반면, 높은 불순물 함유량, 이물질 발생 및 고온 공정이라는 단점이 있습니다.

기출문제 풀이

기출문제 ❸

ALD 공정에 대해 설명하시오.

STEP1 접근 전략

• 설명형 문제이며 난이도는 중하 수준으로 ALD 공정의 기본적 내용을 묻는 문제이다.

• ALD 공정의 원리, 주요 특성 및 응용에 대해 설명한다.

• ALD는 자기 제한적 반응 특성이 핵심이므로, 이 부분을 잘 설명할수 있도록 한다.

STEP2 답안 구조화 TIP

Q ALD(원자층 증착법)?

• 전구체 - 기판 표면 → 화학 흡착

• 전구체(A) → Purge → 전구체(B) → Purge ⇒ 4 Step/Cycle

• 자기 제한적 반응, 피복 능력, 균일성, 저온 증착 → DRAM, NAND 유전체

• 공정 Window 문제, 증착 속도↓ → 생산성↓

STEP3 모범답안

원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)은 CVD 공정의 변형 공정으로, 반응 기체와 웨이퍼 기판 표면과의 화학 흡착(Chemisorption)을 통해 원자층 수준으로 한층 한층 박막을 쌓아 올리는 증착 방법입니다. 단일 박막 증착에 통상 2개의 전구체를 서로 중첩되지 않게 순차적으로 주입한 후 화학 반응을 통해 박막을 증착시키는 공정입니다. 먼저 전구체(A) 가스를 일정 시간 동안 펄스 형태로 진공 상태의 반응기에 주입하여 기판 표면의 화학종(Chemical species)과 흡착시킵니다. 이때 전구체 상호 간의 반응은 일어날 수 없고, 흡착 가능한 자리(Site)는 유한하여 아무리 많은 양의 전구체를 오랜 시간 주입하더라도 흡착 자리가 모두 차게 되면 더 이상의 흡착 또는 증착이 일어나지 않아 자기 제한적(Self-limited) 반응 특성을 갖습니다. 첫 번째 단계가 완료되면, 질소나 아르곤 등의 반응성이 낮은 가스를 흘려 전 단계에서 기판의 화학종과 반응하여 생성된 반응 부산물과 과잉 전구체(A)를 배기시키는 퍼지(Purge) 단계를 거칩니다.

다음 단계는 반응체(Reactant)라고도 하는 전구체(B)를 반응기로 주입하는 단계입니다. 전구체(B)는 첫 번째 단계에서 기판에 흡착된 전구체(A)에 의해 생성된 반응물과 흡착 반응하여 원하는 박막의 한 층이 쌓이게 되는데, 이때도 역시 자기 제한적 반응이 일어납니다. 마지막으로 전 단계에서 생긴 반응 부산물과 과잉 전구체(B)를 배기시키는 두 번째 퍼지(Purge) 단계를 끝으로 하여 사이클이 완료되며, 사이클당 두께를 고려해 사이클 수를 결정하면 원하는 두께의 박막을 증착할 수 있습니다. 이러한 증착 원리 때문에 ALD는 자기 제한적 반응에 의해 ① 매우 정교한 두께의 제어가 가능하고, ② 계단 피복 능력이 우수하며, ③ 저온 증착(25~400℃) 등의 장점이 있어 매우 얇고 균일하며 우수한 피복 능력(Step coverage) 특성이 요구되는 DRAM과 3D 낸드/V-NAND의 절연체 박막 증착 등에 응용됩니다. 그러나 증착 속도가 느려 생산성이 낮고 공정 온도 윈도우(Window)가 좁기 때문에 적절한 전구체와 반응체의 선택이 어렵다는 단점도 있습니다.

기출문제 풀이

기출문제 ❹

ALD 공정 진행 후 박막 두께의 균일도가 좋지 않았다. 그 이유와 해결책을 설명하시오.

STEP1 접근 전략

• 솔루션형이며 난이도는 중상 수준이다.

• ALD 공정의 정확한 메커니즘과 특성을 이해하고 있는지를 묻는 문제이다.

• ALD의 온도 의존성과 사이클 내 각 Step이 완전 독립적이라는 특성이 힌트이다.

• 공정의 원리와 특성으로부터 해결책을 유도해 낸다.

STEP2 답안 구조화 TIP

Q ALD 박막 불균일?

• ALD 공정 → 자기 제한적 → 두께 균일성↑

• 두께 균일성↓ → 자기 제한적 특성↓ → CVD 공정 가능성

• 온도 윈도우(Window), Purge 부족

STEP3 모범답안

ALD 공정의 장점 중 하나가 자기 제한적 특성 때문에 균일한 박막 두께를 보인다는 것입니다. 그런데 공정 진행 후 박막 두께가 불균일하게 나왔다는 것은 이미 ALD 공정 조건에 문제가 있다는 것으로 볼 수 있습니다. 이렇게 ALD 공정의 자기 제한적 특성에 문제가 발생될 수 있는 원인으로는 2가지를 생각할 수 있는데, 먼저 ALD의 온도 의존성입니다. 대부분의 ALD 공정은 온도가 낮을 때는 사이클당 성장 속도가 느리고 일정 온도 범위에서는 포화되었다가 추가적인 온도 상승에서는 다시 성장 속도가 증가하는 양상을 보입니다. 이는 저온에서 전구체가 반응할 수 있는 에너지가 충분치 않고, 일정 온도 범위에서의 포화는 역시 ALD 공정의 자기 제한적 특성 때문입니다. 포화 온도 이상에서 성장 속도가 다시 증가하는 것은 전구체 자신이 열분해되면서 CVD와 같은 메커니즘으로 증착되기 때문이며 이미 ALD 공정이라 할 수 없는 영역이라고 볼 수 있습니다. 이러한 온도 범위에 대해 성장 속도가 포화되는 영역을 ALD 공정의 여유도(Margin) 또는 윈도우(Window)라고 하며 이 범위가 넓을수록 안정적인 공정이 가능합니다. 이런 원리에서 박막 두께의 불균일 문제는 ALD 공정이 온도 윈도우를 벗어나 증착되었을 가능성이 높다는 추정이 가능합니다. 특히 윈도우보다 높은 온도에서 공정이 진행되어 CVD 공정 메커니즘을 따르게 됨으로써 발생된 문제일 가능성이 있으며, 이는 적절한 온도 설정 및 제어로 해결 가능할 것입니다.

두 번째 가능성은 사이클 내 개별 단계에서 전구체-A와 B(반응체)가 혼합되었을 가능성입니다. 이렇게 되면 역시 ALD가 아닌 CVD 공정에 가깝게 되므로 박막 두께의 불균일 문제가 발생할 수 있습니다. 이렇게 전구체가 섞일 수 있는 가능성은 퍼지 단계에서 전 단계에 생성된 반응물(By-Product)이나 잉여 가스가 충분히 제거되지 못하고 남아, 다음 단계에서 들어온 전구체와 비정상적인 반응을 한 결과로 추정할 수 있습니다. 이러한 문제는 부족한 퍼지 시간을 증가시키거나 Ar/N_2 가스의 유량을 증가시킴으로써 해결 가능할 것입니다.

기출문제 풀이

1. 박막 증착 공정의 개요

박막 공정(Thin film)이란 통상 1\mu\text{m} 이하의 얇은 두께의 필름(Film)을 화학적, 물리적 방법을 사용하여 기판인 웨이퍼 상에 형성(증착)하는 공정을 말한다. 박막 공정은 [그림 3-31]과 같이 크게 기상(Vapor)과 액상에서의 증착 방법으로 나눌 수 있다. 먼저 기상 상태의 증착은 화학적 기상 증착(Chemical vapor deposition, CVD)과 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition, PVD) 방법으로 구성된다. PVD 방식은 진공(Evaporation) 증착 방식과 스퍼터링(Sputtering) 방식으로 나눌 수 있고, CVD 방식에는 상압 CVD, 저압 CVD, 플라즈마 강화 CVD, 그리고 CVD의 변형인 원자층 증착 등이 있다. 액체 상태에서의 박막 증착 방법으로 도포(Coating)와 도금(Plating) 방법 등도 있다.2. 화학적 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)

(1) 화학적 기상 증착 과정

화학적 기상 증착(CVD) 공정은 [그림 3-32]와 같이 크게 ⓐ 반응 전구체(Precursor, 증착하려는 물질을 포함한 기체)가 반응 챔버 내로 유입되어 웨이퍼에 도달하는 물질 전달(Mass transport) 과정과 ⓑ 전구체가 웨이퍼 표면에 흡착되어 표면과의 다양한 화학 반응을 통해 고체 상태의 박막이 형성되는 과정, 그리고 ⓒ 반응 부산물이 기체 상태로 반응 챔버를 빠져나가는 배기 과정의 3단계로 구분할 수 있다. ⓑ의 화학 반응 과정에서 사용되는 에너지의 종류에 따라 열 화학적 기상 증착과 플라즈마 강화 기상 증착으로 나뉜다.

(2) 열 화학적 기상 증착(Thermal CVD)

열 화학적 기상 증착에는 상압 CVD와 저압 CVD가 있다.

①열 화학적 기상 증착의 메커니즘

[그림 3-33]과 같이 CVD 박막 증착의 메커니즘은 반응 가스가 경계층을 통과하여 기판 표면에 흡착되는 물질 전달(Mass transport)과 흡착된 기체 분자가 기판 표면의 원자와 화학 반응을 통해 고체 박막으로 되는 표면 반응(Surface reaction)의 2가지 단계로 구성된다. 표면 반응은 온도에 민감한데 반해 물질 전달, 즉 반응 가스의 공급은 온도 의존성(\propto T^{3/2})이 매우 낮다. 정상 상태에서는 2단계 중 속도가 낮은 단계가 전체 박막 증착 속도를 결정하게 되는데, [그림 3-34]와 같이 저온에서는 기판과의 느린 화학 반응에 의한 표면 반응 단계가 전체 반응 속도를 제한하게 되고, 고온에서는 표면 반응은 매우 빠르게 일어나는 반면, 가스의 공급이 전체 속도의 병목을 가져오는 물질 전달 제한 영역이 된다.

② 상압(Atmospheric Pressure CVD, AP-CVD)

공정 온도 400~500℃, 대기압(760Torr)에서 진행되는 AP-CVD는 상술한 열적 CVD 메커니즘을 따른다. 따라서 저온에서는 막질이 좋지 않으며, 낮은 증착 속도로 웨이퍼 처리량이 저하되는 문제가 있다. 이러한 막질의 개선을 위해 증착 온도를 올리면, 물질 전달 제어 영역이 되어 가스 흐름을 잘 제어할 필요가 있어 [그림 3-35]와 같이 웨이퍼를 수평으로 로딩해야 하므로, 처리량이 다시 낮아지는 문제가 있다. AP-CVD는 대기압에서 반응이 일어나기 때문에 저압 CVD 대비 증착 속도가 빠르고, 진공 펌프 등이 필요 없어 장치 구조가 단순하다는 장점이 있으나, 생산성이 낮고 균일도를 조절하기 어렵다는 단점이 있다. 이 외에도 대기압에서의 증착으로 인해 불순물에 의한 오염이 심각하고 계단 피복 능력(Step coverage)이 좋지 않다는 등의 많은 단점이 있어 최근에는 거의 사용되지 않는 방법이다.

③저압(Low Pressure CVD, LP-CVD)

AP-CVD의 단점을 보완하기 위해 제안된 방법이 바로 저압 CVD(LP-CVD)이다. 압력을 낮추면 압력에 반비례하는 기체의 확산 계수(D_G \propto 1/P)가 크게 증가하여 활발한 가스 이동으로 인해 [그림 3-36]과 같이 물질 전달 계수인 h_G 수평선이 상승하여 온도를 올리더라도 물질 전달 영역이 아닌 표면 반응 영역에서 증착이 일어나므로 온도 제어만으로 균일한 증착 속도를 얻을 수 있어 웨이퍼의 수직 로딩이 가능하여 처리량이 증가되는 원리이다. 또 고온 및 저압에서 증착이 일어나므로 막질이 우수하고 평균 자유 행정 거리(Mean free path)의 증가로 우수한 계단 피복 능력(Step coverage)을 달성할 수 있다. 하지만 저압 공정에 의한 증착 속도 저하와 고온 공정이라는 단점이 있다.

(3) 플라즈마 증속 화학 기상 증착(Plasma-Enhanced CVD, PE-CVD)

PE-CVD는 반응 에너지원으로 열 에너지가 아닌 플라즈마 상태의 반응성이 매우 큰 활성종(라디칼)을 사용해 박막을 증착하는 방식이다. PE-CVD는 [그림 3-37(a)]와 같이 높은 에너지를 가진 활성종을 만들어 반응에 필요한 활성화 에너지를 감소시킬 수 있으므로, 낮은 온도에서도 박막 형성이 가능하여 금속배선 층간 절연막(Inter-Metal Dielectric, IMD) 등의 증착에 적용된다. PE-CVD는 저온 증착 외에도 빠른 증착 속도와 AP-CVD 대비 양호한 피복 능력을 가지고 있으나 화학양론이 잘 맞지 않고 매엽식이라 처리량이 낮으며 불순물 농도가 높다는 단점이 있다.

3. 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)

원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)은 CVD 공정의 변형 공정으로, 반응 기체와 웨이퍼 기판 표면과의 화학 흡착을 통해 원자층 수준으로 한층 한층 박막을 쌓아 올라가는 증착 방법을 말한다.

(1) 세부 공정

ALD는 [그림 3-38]과 같이 통상 2개의 전구체를 서로 중첩되지 않게 순차적으로 주입하여 화학 반응을 시키는 공정이다. 먼저 전구체-A 가스를 일정 시간 동안 펄스 형태로 진공 상태(0.1~10Torr)의 반응기에 주입하여 기판 표면의 화학종과 흡착되도록 한다. 이때 전구체 상호 간의 반응은 일어날 수 없고 흡착 가능한 자리(Site)는 유한하므로, 아무리 많은 양의 전구체를 오랜 시간 주입하더라도 흡착 자리가 모두 차게 되면 더 이상의 흡착 및 증착이 일어나지 않는 자기 제한적(Self-Limited) 반응을 보이게 된다. 이후 질소나 아르곤 등의 반응성이 낮은 가스를 흘려, 전 단계에서 생성된 반응 부산물과 과잉 전구체를 깨끗이 배기시키는 퍼지(Purge) 단계를 거친다. 이때 충분한 퍼지가 이루어지지 않으면, 잔류 가스와 다음 단계에 주입될 전구체-B가 원치 않는 반응을 하게 되어 파티클의 발생 및 웨이퍼 내 두께 균일도 등의 문제를 야기할 수 있다. 이후 다음 단계는 반응체(Reactant)라고도 하는 전구체-B를 반응기로 주입하는 단계이다. 전구체-B는 첫 번째 단계에서 기판에 흡착된 전구체-A에 의해 만들어진 반응물과 흡착 반응을 일으키고, 원하는 박막의 한 층을 쌓을 수 있게 한다. 이때도 역시 자기 제한적 반응이 일어난다. 마지막으로 전 단계에서 생긴 반응 부산물과 과잉 전구체-B를 배기시키는 두 번째 퍼지(Purge) 단계를 끝으로 한 사이클이 완료되며, 이때 사이클당 두께를 고려하여 사이클 수를 결정함으로써 원하는 두께의 박막을 증착할 수 있다.

(2) ALD 공정 적용의 예

ALD 공정은 DRAM 커패시터의 유전막과 FinFET의 고유전율(High-k) 게이트 산화막(\text{HfO}_2, \text{ZrO}_2, \text{Al}_2\text{O}_3, 등)에 응용되며, 3D 낸드 플래시의 터널 산화막(\text{SiO}_2, \text{Si}_3\text{N}_4) 및 블로킹 산화막(\text{Al}_2\text{O}_3), 금속 워드라인(W 등)에도 응용되고 있다. 그리고 다중 패터닝(Multi-Patterning) 중 자기 정렬 2중/4중 패터닝(SADP/SAQP)의 스페이서 산화막 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

(3) CVD 공정과 차이

CVD나 ALD 모두 기상의 전구체를 진공 상태의 챔버에 주입한다는 공통점이 있지만, 이 외에 몇 가지 차이점이 존재한다. ① 대부분의 CVD 공정은 모든 전구체가 동시에 주입되는 반면 ALD는 전구체 가스가 순차적으로 반응기에 주입되고, ② CVD 전구체는 공정 온도에서 열분해를 일으킬 수 있는 데 반해, ALD는 분해되지 않아야 한다는 것이다. 따라서 ALD 공정 온도는 사용하는 전구체의 열분해 온도보다 낮게 설정되어야 한다. ③ ALD 전구체의 반응성이 매우 높아야 하는 반면, CVD는 온도를 올려주면 되므로 전구체의 반응성이 높을 필요가 없다. ④ CVD의 경우 전구체 가스의 유량을 세밀히 제어해야 하지만, ALD는 자기 제한 특성으로 인해 정확한 제어가 필요치 않다. ⑤ CVD가 열 분해, 산화, 환원 등의 다양한 반응을 통해 박막이 증착되는 반면, ALD는 리간드(Ligand)의 교환, 해리 등에 의한 표면에서의 화학 흡착에 의해 반응이 일어난다. ⑥ CVD의 챔버 크기가 상대적으로 크지만 ALD는 퍼지 시간을 짧게 하기 위해 챔버의 크기를 가능한 한 작게 가져가야 한다.

(4) ALD의 특성 및 장단점

ALD는 ① 자기 제한적 반응이며, ② 매우 정교한 두께의 제어가 가능하고, ③ 계단 피복 능력이 우수하며, ④ 전구체만 다르게 주입해주면 상이한 박막의 연속 증착이 가능하고, ⑤ 저온 증착(25~400℃)이 가능하다는 등의 장점이 있다. 이처럼 ALD는 많은 장점을 갖고 있지만, 좁은 공정 온도 윈도우 때문에 적절한 전구체와 반응체의 선택이 어렵고, 증착 속도가 느려 생산성이 저하된다는 단점이 있다. 그러나 대부분의 경우 ALD를 사용하는 박막의 두께가 얇고, 웨이퍼 처리 능력(Throughput)의 향상을 위한 대안들이 개발되어 이를 극복하고 있는 상황이다.

[그림 3-39]는 공정 온도에 따른 사이클당 성장 속도를 나타낸 그래프이다. 대부분의 ALD 공정 은 온도가 낮을 때 사이클당 성장 속도가 느리고 일정 온도 범위에서는 포화되었다가 이후 추가적인 온도 상승에 대해서 성장 속도가 다시 증가하는 양상을 보인다. 저온에서는 아직 전구체가 반응할 수 있는 에너지가 충분하지 못해 그러한 현상이 발생하고, 일정 온도 범위에서의 포화는 역시 ALD 공 정의 자기 제한적 특성 때문에 발생한다. 그리고 포화 온도 이상에서 성장 속도가 다시 증가하는 것 은 전구체 자신이 열 분해되면서 CVD와 같은 메커니즘으로 증착되기 때문이며, 이미 ALD 공정이라 할 수 없는 영역이다. 이러한 온도 범위에 대해 성장 속도가 포화되는 영역을 ALD 공정의 여유도 (Margin) 또는 윈도우(Window)라고 하며, 이 범위가 넓을수록 안정적인 공정이 가능하다. 한편, 매 우 드문 경우에 한해, 지금까지 설명한 온도 특성과 반대의 현상을 보이는 경우도 있다. 이 경우에 저 온으로 갈수록 증착 속도가 증가하는 것은 전구체의 다층 증착(Multi-Layer deposition)과 같은 응축 (Condensation)의 결과이고, 고온에서 증착 속도의 감소는 전구체의 탈착이 원인이 된다.

4. 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition, CVD)

(1) 진공 증착(Evaporation)

고진공 챔버에서 열 에너지나 전자빔 등으로 금속 소스(Source)를 가열하여 기체 상태로 증발시키면 기화된 기체 입자들은 반대편에 장착된 기판까지 날아가고, 낮은 온도의 기판 표면에서 기체 입자들이 응축되어 모이면서 박막이 만들어지게 된다. 진공 증착 공정은 [그림 3-40]과 같이 고진공 상태에서 진행되므로, 증발 입자의 직진성에 의한 그림자(Shadowing) 효과가 발생하여 박막의 피복 능력이 좋지 못하다. 이때는 적외선 램프 등에 의해 웨이퍼 기판을 가열시켜, 증착된 입자의 표면 이동도를 올려주거나 그림자 효과 최소화를 위해 웨이퍼를 회전(Rotation)시키는 방법으로 일정 부분 개선할 수 있다. 하지만 고종횡비(Aspect ratio) 구조에서는 피복 능력 부족으로 인해 적용이 불가하다. 또한 합금의 증착이 어렵다는 단점도 있다. 따라서 현대 반도체 제조에서는 거의 사용되지 않는 방식이다.

(2) 스퍼터링(Sputtering) 증착

금속 증착에 주로 사용되는 PVD 공정으로, [그림 3-41]과 같이 반응성이 낮은 아르곤(Ar) 가스를 사용하여 플라즈마를 생성하고, 그중 높은 에너지를 가진 이온이 증착 금속(목표물, 타겟)에 충돌하여 스퍼터링을 일으켜 금속 표면으로부터 입자를 방출시킨다. 이렇게 방출된 입자들을 반대편의 웨이퍼 기판 표면에 증착시킴으로써 금속 박막의 형성이 이루어지는 원리이다. 타겟 뒤쪽에 자석을 놓아 플라즈마 내 전자의 나선형 원운동을 유도하고, 전자를 자석 근처에 묶어둠으로써 전자가 챔버 벽이나 전극과 충돌하여 소진되지 않게 하고 이온과의 충돌 확률을 높여 고밀도의 플라즈마를 얻을 수 있는 마그네트론 스퍼터링(Magnetron sputtering) 방식이 주로 사용된다.