Chemical Vapor Deposition (CVD): 화학기상증착법,
가스의 화학반응을 이용. 주로 기체형태. 모든 형태의 증착에서 사용되는 방법.
장점 상대적 저렴, 품질 우수, 도포성 우수, Step coverage 좋음, 접착력 우수
단점 Chamber진공 이용. 고진공일수록 Mobility 감소, 오염위험 큼, 두께 조절 어려움, Byproduct 독성 중화 비용 소모. 고온 공정
진행 과정 기체(반응가스, 전구체)가 Chamber 내부로 주입되면 대류와 확산을 통해 Target 표면으로 이동한 후 흡착.
이후 흡착된 기체는 표면확산이 일어나 전체로 이동. 이후 기체와 표면사이에서 화학 반응 발생. 반응되어 나온 부산물은 기체 형태로 확산되어 빠져나감.
++Surface Reaction Rate 표면 반응 비율.
1. Homogeneous Reaction: 반응성이 좋아 표면 외 공간에서도 잘 일어남. Solid 형태로 기판에 부착, 막질 낮음, 부적격
2. Heterogeneous Reaction: 기판 표면 위주 반응, 막질 높음, Homo와 같이 Gas Phase에서 진행되기도 함. 적격.
3. 하지만 2번의 경우도 100%는 불가능하다. 따라서 ALD가 채택.
특징
높은 온도에선 반응속도가 증가하면서 확산 속도에 따라 품질과 속도가 변화함. 낮은 온도에서는 확산 속도가 일정해 반응성에 따라 속도가 변함.
Gas에 따라 막질, Density, Depo Rate(특히 농도에 따라)가 달라지기 때문에 선택적으로 사용해야 함.
크게 SiH4 Base와 TEOS Base로 진행하며 SiH4가 Carbon Free 공정으로 막질이 더 좋음
종류
+APCVD(Atmospheric CVD): 대기압(진공이 아님). Chamber 외부의 RF 코일을 가열해 Wafer에 열을 가함.
Wafer를 기울인 상태로 배치해 기체가 골고루 닿을 수 있게 함. Gas 소모량이 큼. 저온(400~500도), MFP 짧음
낮은 Uniformity와 Particle Issue (잦은 Cleaning 필요), Step Coverage 낮음, 저렴하고, 단순하고 빠름 (생산성은 좋지만 수율이 낮음)
평평한 산화막, PSG(Phosphorus Glass)에 이용 – P 성분을 첨가하면서 SiO2 막을 만들 수 있음. 부식에 강함. Passivation Layer에 사용
+LPCVD(Low Pressure CVD): 저기압(0.1~10 Torr). 압력이 낮아지면 충돌이 적어져 확산이 잘 발생(MFP가 김).
매우 고온(800~1200도), 느림, 막질 우수, Wafer Capacity 높음-Batch System. Step Coverage 우수, 반응성이 낮아 작은 Depo Rate.
열팽창계수 고려해야 함.– Metal 등이 영향을 받음 ->PECVD 도입, Inorganic BARC를 위한 SiON을 증착할 때 이용. 얇은 막 용
-수평 방식(Horizon): Chamber 자체를 가열해 균일한 온도를 유지 (Batch System)
-수직 방식(Vertical): 자동화가 용이(Wafer가 수직으로 이동하는 것이 편하기 때문) (Batch System)
-단일 웨이퍼 방식(Single Wafer): 미세화에 용이, Poly Si와 SiO2와 Si3N4외에는 모두 이 방법 이용.
++ Polysilicon LPCVD: Step Coverage가 95%이상으로 매우 우수하며, 온도가 조금 낮으면 비정질이지만 열을 받을 경우 Poly로 변함
++ SiO2 LPCVD: Step Coverage 약 70~80% ++ Si3N4 LPCVD: 밀도 높음, Step Coverage 약 80~90%, 열팽창 계수가 기판보다 커 Tensile 발생
++공정의 최적화: 표면 반응속도(열)와 확산속도(압력)와 일치
Mass Transport Limited: 반응 속도>확산 속도 – APCVD ->Chamber 내부 디자인을 통해 확산 속도 조절
Reaction Rate Limited: 반응 속도<확산 속도 – LPCVD ->온도를 제어해서 반응속도 제어
=>즉, LPCVD가 막질도 우수하고, Control이 더 쉽다. 반응 온도를 조절해 Control
+PECVD(Plasma Enhanced CVD): 저온공정(200~500도)으로 열 손상 방지 가능. Plasma Damage 문제, MFP가 HDPVCD보다 짧음
CCP 방식의 저밀도 Plasma를 이용한 공정 (Plasma Density가 중앙이 큼, Step Coverage 좋음 (LPCVD보단 낮음), 빠름
Control 용이(공정 변수가 많아 유연성 높음, 난이도 증가). LPCVD보다 품질이 낮지만 생산성은 좋음, 장비가 복잡.
SiO2, SiN, SiON 등을 증착, BEOL, IMD, ILD, Passivation에 이용, 금속 절연막에 사용하는 이유는 금속의 용해 온도보다 낮은 저온 공정이기 때문.
+HDPCVD(High Density Plasma CVD): 고농도의 Plasma이용(MFP 긺) – Plasma Damage 문제 더 심각하지만(Barrier 필요) 고품질 박막 가능
식각을 하면 증착이 Void 없이 진행할 수 있음 (Dep-Etch- Dep-Etch- … 즉, (Dep-Etch) x N 번 진행). 헬륨 – Cooling,
ICP 방식의 고밀도 Plasma로 Step Coverage가 더 우수(Plasma Density가 가장자리가 큼(도넛 모양), Void Gap Filling 우수. STI, IMD에 이용.
+MOCVD (Metal Organic CVD)
1. TiN 증착: TDMAT을 열분해해 증착. 이때, Carbon 성질이 남아있게 됨. 이를 제거하기 위해 H2/N2 Plasma를 이용해 제거하는 것이 필요. PVD보다 비저항이 높지만 Step Coverage가 우수, 독성 물질을 사용하기 때문에 위험
2. 화합물 Epitaxy 공정: Horizon 형식의 경우Gas Flow가 매우 중요한데, Boundary Layer에서 Laminar한 형태가 필요함 (일정한 농도)
유속은 가운데가 가장 빠름, Wafer를 회전시켜 균일도를 향상시킴, 조절해야 할 Parameter가 많음
3. CVD W: Barrier Metal, Glue Layer로 사용 (CVD W를 할 때 반응 가스인 WF6의 F 성분 때문)
+CVD W: W가 Oxide와 Adhesion가 좋지 않은데 반응성이 좋기에 Barrier가 필요함
1. Nucleation – 기본 Layer를 형성함 2. VF (Via Fill) –좁고 깊은 Via를 Filling, 속도가 느림. 일반적인 공정은 여기까지만 진행
3. IC (Interconnection) -Stress 완화, 저항을 낮춤, 반사율 완화
+단점: Seam(긴 구멍)->Electroplating으로 해결
+ALCVD=ALD(Atomic Layer CVD):
일반적인 CVD와 차이점이 많음-Precursor와 Reactant를 같이 넣으면 CVD, 아니면 ALD.
오염위험 낮음. 두께 조절 쉬움. 도포성 우수. 고비용. Thermal 조절 어려움.
Cycle 단위로 Depo Rate 조정. 생산성이 낮음.
한 층의 원자와 반응하기 때문에 Uniformity와 Step Coverage(≈100%) 우수
불순물 최소화. 저온 공정. 매우 느리기 때문에 얇은 박막을 증착할 때만 사용
Gate Oxide, Interconnection(배선공정), Barrier Metal, High-K 소재, GAA와 같은 복잡한 구조.
과정
자기포화 반응(Self-Saturated Reaction, Step1과 3):
100%표면 반응, 한 층이 반응하고 나면 더 이상 반응하지 않음
Purge: Ar or N Gas 주입으로 남은 반응물(Precursor(전구체), Reactant) 제거
ALD Window (온도에 따른 구분) – 적절한 범위를 찾는 것이 중요함.
1. 고온
-Decomposition limited: ALD 장점을 잃음, Gas Phase에서 반응이 일어나 자기 포화반응이 제대로 일어나지 않음.
-Desorption limited: 증착 된 막이 결합을 끊고 탈착 - Purge에서 제거되어 버림
2. 저온
-Activation Energy/Steric Hindrance limited: 불완전한 반응, 성장이 제대로 이루어지지 않음
-Condensation limited: 반응원료들이 반응하지 않고 덩어리로 엉켜 있음.
낮은 Throughput을 해결하기 위한 방법:
공간분할방식- 분리된 공간 각각에서 Precursor와 Reactant가 공급되고 있고, 그 곳을 Wafer가 지나감.
=>기존방식을 시간분할방식이라 하며, 이 두가지를 합친 시공간분할방식을 사용. 두 반응물질이 만나지 않는 것이 중요함.
+PEALD (Plasma ALD)
ALD의 3~4단계 Precursor를 thermal이 아닌 Plasma로 제어해 소요시간 감소. 저온공정 가능!
FinFET 공정에서 Multi Pattering한 PR Layer위에 100도 이하의 저온으로 절연막 증착 가능
+Spin On Glass (SOG): 액체를 이용한 Spin Coating, 수평적인 유전체 증착에 사용.
Void 제거가 쉽고 독성이 없으며 쉽지만 Crack(Tensile)이 발생할 수 있고 각종 Layer와 Adhesion 불량이 발생할 수 있음
+Electroplating: 도금, Interconnect 증착에 사용. Void, Seam 제거
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