반도체 공정 [18] 박막공정 (4) ALD(Atomic Layer Deposition)

 

반도체 공정 [16] 박막공정 (2) PVD(Physical Vapor Deposition): Evaporation, Sputtering

 

 

반도체 공정 [17] 박막공정 (2) CVD(Chemical Vapor Deposition)

 

 

 

 이전 두 시간에 PVD공정과 CVD 공정에 대해 알아보았다.

 

 

▲ 박막을 형성하는 방법들의 기술발전 , SK 하이닉스 뉴스룸

 

 CVD를 사용하면서 PVD에서 문제가 되었던 Step coverage 문제는 대부분 해결하였으나, 공정이 미세화되면서 커지는 aspect ratio를 만족시키기 위해 최근에는 막의 얇은 두께와 신뢰성을 모두 해결하는 ALD (Atomic Layer Deposition)  공정이 떠오르고 있다. ALD는 DRAM의 커패시터, 게이트 옥사이드, 메탈 베리어(Metal Barrier), 특히 NAND의 3D(Cell Stacking 구조)를 구성하는 가장 중요한 절연막/금속막에 쓰이고 있다.

ALD의 사이클, SK 하이닉스 뉴스룸

 

ALD 공정의 원리

 

 ALD 공정은 CVD와 유사한 화학적 방식으로 공정이 진행된다. 그렇지만, CVD와 PVD와는 달리 한번에 막이 쌓이는 것이 아니라, 입력 소스들을 순서에 맞춰 차례로 공급하여 단원자 층이 한 사이클 당 하나씩 쌓이는 Mono Layer를 형성하는 방법이다. 즉, 증착보다는 흡착에 가까운 방식으로 gap이나 trench의 벽면에서도 잘 달라붙는다.

 

 하나의 화학반응을 두 개의 half-cycle로 구분하여 진행하는데, 1차로 프로세스 챔버에 전구체를 넣어 웨이퍼 기판의 표면에 전구체를 흡착시킨 후 purge시키고, 2차로 다른 종류의 2차 소스인 반응체를 넣어 1차 흡착된 물질과의 화학적 치환을 일으켜 half cycle을 진행하여 기판에서 화학 반응 시킨 후 다시 purge 하는 과정을 거쳐 분자층의 박막을 형성하는 것이다. 흡착 - purge -반응 -purge 과정을 반복하며 원자 층을 한층씩 쌓아간다고 하여 ALD라고 한다.

 

 정리하면 다음과 같다.

<ALD 공정의 과정>

1. 전구체 A를 일정 시간동안 챔버에 주입하여 기판에 흡착되도록한다.
2. 적정 조건 내에서는 전구체 간 반응이 일어나지 않고, 기판 내의 흡착이 가능한 자리는 정해져 있어 한 층 이상의 흡착이나 추가 반응이 일어나지 않는다.( Self Limited Reaction )
3. 흡착이 끝나면 아르곤이나 질소를 주입하여 잉여의 전구체 A를 배기시키는 Purge 과정을 진행한다. 이때 Purge 과정을 제대로 진행해야 물질의 조성이 바뀌거나 파티클 문제가 발생하지 않는다.
4. 퍼지 후에는 새로운 전구체 B를 챔버에 주입한다. 전구체 A가 올라가있는 기판 표면에 흡착되며 A와 마찬가지로 원자층 한층만 자기 제한적 반응을 하게 된다.
5. 한층 반응물 이외의 잉여 반응물이나 전구체 B는 마찬가지로 퍼지되고 한 사이클이 완료된다.

 

▲ ALD 장치 구조(유전막에 적용 시) 출처: sk 하이닉스

 

 

 

 

 

 

 

ALD 공정의 장단점

 

 

 

 ALD 공정은 이처럼 자기 제어 반응으로 사이클 횟수나 정밀한 두께 제어가 가능하기 때문에 막질이 우수하다. Mono layer 씩 자기 제어 반응으로 증착이 되므로, 표면의 구조 의존성이 크지 않고 Step coverage가 매우 우수하며, 증착의 균일도도 높다. 막 내부에 형성되는 Void나 Pinhole( 표면에 직경이 뚫리는 현상) 도 거의 없으며, 격자 조성도 매우 균질하다. 또한, 낮은 온도에서 공정 진행이 가능하여 다른 막에 영향을 끼지는 CVD의 단점 역시 보완할 수 있다.

 하지만, 증착 속도가 매우 느리고 전구체가 반응 온도에서만 분해되는 문제가 있다. 저온에서 진행하기 때문에 막의 물성이 떨어지며, 1,2차 소스를 선택하는데 매우 한정적인 제한을 가지고 있다. 하지만, 장점이 매우 많기 때문에 최근에는 솔라셀이나 각종 마이크로 디바이스 등에 활용되고 있다.

 

Step coverage (단차 피복성)
: 웨이퍼의 패턴 공정 진행 시 패턴의 밑면과 윗면의 위치에 따라서 박막의 두께가 얼마나 서로 다르게 입혀지는 지에 관련된 지수로, 패턴의 입체모양이 Gap/ Trench 형태의 계단 식일때 모든 방향면에 얼마나 동일한 두께로 막이 형성되었는지에 대한 척도이다

 막이 형성될때 실제로는 모든 면이 같은 두께로 형성되지 않고 단차의 어께 상부의 노출이 가장 크므로 가장 많이 쌓이고, 갭의 하부, 벽면 순으로 쌓인다. 따라서 어느정도 step coverage가 진행되었는지를 보기 위해서 정상적인 막의 두께(T1) 대비 갭 밑변(T2)와 옆면의 두께(T3)를 비율로 나타내 각각Bottom Step Coverage(T2/T1), Side Step Coverage(T3/T1)라 부른다.

 

Step Coverage 관련 그림. Sk 하이닉스 뉴스룸

 

온도에 따른 증착 특성

 

 

ALD 공정의 온도에 따른 증착 특성. 시계 방향으로 응축, 분해, 탈착, 낮은 반응성이다.

 

 ALD는 기본적으로 자기 제한적 반응을 통해 박막이 형성되므로 일정 범위 내에서는 동일한 증착 속도를 보이지만, 이보다 온도가 낮으면 반응에 필요한 에너지를 충분히 공급받지 못해 성장 속도가 느려지며, 소스의 공급량이 많은 (= 전구체가 많은) 경우 전구체의 응결 현상이 나타나기도 한다. 적정 온도보다 높은 경우에는 과다한 에너지로 인해 전구체의 열 분해가 일어나며 한층이 아닌 이상의 층이 형성되고 비정상적으로 성장 속도가 증가한다. 즉, 자기 제한적 반응을 넘어서게 된다. 또한, 온도는 높지만 소스의 공급량이 적으면 반응이 일어나지 못하고 탈착(Deposition)이 일어난다.

 

 

정리하면 다음과 같다.

 

< 낮은 온도 >
1. Incomplete Reaction
- 공정 온도가 낮아 전구체의 활성화 에너지가 부족하여 불완전 반응이 일어나는 상황
- 전구체가 표면에 흡착하구 퍼지 후 반응 기체가 추가로 주입되었지만, 활성화에너지가 낮아 표면과 반응이 일어나지 않아 박막의 성장이 일어나지 않는다.

2. Condensation Limited
- 전구체가 반응물과 반응하는 것이 아닌 기존 전구체 막에 그대로 쌓이는 것. 반응 원료들이 엉쳐서 응축되어있는 것이다.

< 높은 온도 >
3. Decomposition Limited
- CVD처럼 움직인다하여 CVD Window라고도 한다.
- 열 에너지가 너무 커져 표면 뿐 아니라 CVD처럼 gas phase 상에서 화학 반응이 일어남.
- self limited 반응이 아닌, 가스가 주입되는 대로 모두 분해되어 증착되는 현상

4. Desorption Limited
- 너무 높은 온도로 인해 이미 증착된 막질의 원자들이 결합을 끊고 탈착되는 현상