박막공학 [19] CVD 공정 (2) CVD 공정의 kinetic modeling과 epitaxy/ Polycide 공정

 

박막공학 [18] CVD 공정 (1) APCVD, LPCVD, PECVD

 

 

1. CVD 공정의 Kinetic Modeling

 

CVD 증착 속도는 2가지의 단계로 나눌 수 있다.

 

 

 이 2가지의 단계 중 느린 단계가 전체 속도를 결정하는 '속도 결정 단계'가 된다. 정상 상태에서는 F= F1= F2가 되며, 이를 통해 표면농도 Cs를 구할 수 있다.

 

1-1. 지배 mechanism에 따른 해석

 

 

 

 

 이 그래프는 전구체의 종류에 따라 CVD의 성장 속도 특성이 어떻게 변하는 지를 보여준다.

 

SiH2Cl의 경우, Si는 표면에 증착되고 HCl은 휘발성 부산물로 배출된다. 고온에서 진행되고, 결정질 위에 결정질이 성장된다. SiH4보다 반응성이 낮아 정밀하게 성장할 수 있다.

 

AsH3은 도핑용 gas로 열에 의해 분해되어 As는 실리콘 결정 격자에 n형 도핑 원소로 삽입된다.

 

Q. 왜 SiH2Cl2 + AsH3 조합을 사용할까?

 

 

1-2. APCVD의 Kinetic Modeling

Boundary Layer (경계층)
: 기체가 흐르는 표면 근처의 기체 유속이 점차 느려져 거의 0에 가까워지는 얇은 층을 의미한다.
기체가 표면과의 마찰력으로 인해 움직임이 느려지고, 표면과 떨어질수록 원래의 유속으로 점차 빨라진다.

 

 

 위 그림에서 유속은 멀리 떨어질 수록 빠르고, 표면 근처에서의 유속은 0이다. 즉, 기체가 표면위를 멀리 흘러갈 수록, 점점 더 많은 기체 분자가 느려져 경계층의 두께가 두꺼워진다.

 

 

 따라서 실제 공정에서는 susceptor 표면을 약간 기울게 배치하여 기체 흐름 방향으로 갈수록 susceptor 표면이 가까워지게 설계하여, 균일한 증착 속도를 얻을 수 있다.

 

이때 사용하는 식은 다음과 같다.

 

경계층이 두꺼워질수록 기체는 표면에 전달되기 어려워지고, 경계층이 얇을수록 기체가 빠르게 전달된다.

 

 

2. Epitaxy 공정

Epitaxy (에피택시) 공정
: 결정성 기판(substrate) 위에, 기판의 결정 구조를 따라 원자 단위로 정렬된 단결정막을 성장시키는 공정
성장된 박막은 기판과 원자 배열이 동일하거나 유사하다.

 

 

epitaxy 공정의 2가지 종류는 다음과 같다.

 

 

 

2-1. Epitaxy 공정의 실제 응용 사례

실제 공정에서 epitaxy 공정 기술은 흔히 사용된다. SiGe나 SiC등을 통해 응력을 발생시켜 mobility가 증가하면 Drain Current가 증가하여 더 효율적인 소자를 만들 수 있다.

 

3. Polycide 공정

Polycide 공정
: Poly – Si + Silicide(= metal + Si)를 조합하여 만든 구조
- MOSFET의 gate 전극의 sheet resistance을 낮춰 전기적 특성을 개선하는 목적
- WSix(CVD), NiSix, CoSix (Sputtering)를 주로 사용

 

poly-Si 증착과 WSiₓ 증착을 연속적으로(cluster) 수행함으로써 웨이퍼의 오염을 최소화하고 품질을 향상시키는 역할을 한다.