Www.semistudy.com CVD(Chemical Vapor Deposition) 1.CVD(Chemical Vapor Deposition), 화학기상증착 기술이란 ? 먼저 CVD 기술을 이해하기 전에 CVD 기술이 반도체 제조공정 중 어디에 위치하고 어떻게 사용되는지를.

Presentation on theme: "Www.semistudy.com CVD(Chemical Vapor Deposition) 1.CVD(Chemical Vapor Deposition), 화학기상증착 기술이란 ? 먼저 CVD 기술을 이해하기 전에 CVD 기술이 반도체 제조공정 중 어디에 위치하고 어떻게 사용되는지를."— Presentation transcript:

1 www.semistudy.com CVD(Chemical Vapor Deposition) 1.CVD(Chemical Vapor Deposition), 화학기상증착 기술이란 ? 먼저 CVD 기술을 이해하기 전에 CVD 기술이 반도체 제조공정 중 어디에 위치하고 어떻게 사용되는지를 이해할 필요가 있다. 이것은 CVD 기술 내에서 목적하는 공정과 사용되는 용어를 이러한 전체 분류 내에서 생각하게 되면 상당히 알기 쉽고 또 어떻게 발전할지도 생각 해볼 수 있기 때문이다. 반도체 제조의 기본공정은 크게 여섯 가지 정도로 나눌 수 있는데 이들 기본공정을 반복적으로 사용하여 원하는 반도체 소자를 제조 할 수 있는 것이다. 다음은 이러한 반도체 제조 기본 공정을 분류 정리한 그림이다. Cleaning 공정 Wet, Dry RTP 산화, Furnace 산화, Anneal 등 1 열처리 공정 이온 주입법, 열확산법, 이온 도핑법등 Doping 공정 에피택시얼 성장,CVD,PVD,SOG, 도금법 등박막형성 공정 레지스트 처리 - 도포, 베이크, 현상, 큐어, 제거 패턴에칭 - 드라이에칭, 웨트에칭 노광기술 - 자외선, 전자빔,X 선 등 리소그래피 공정 CMP, 에치백 등평탄화 공정 Fig.1 반도체 제조 공정기술의 분류

2 www.semistudy.com CVD(Chemical Vapor Deposition) 그림 1. 에서 알 수 있는 것과 같이 본 강좌에서 다루고자 하는 CVD 기술은 박막형성을 위한 공정 중 하나의 기술로서 반도체 공정 중에서도 가장 다양성이 풍부한 분야이다. 그리고 특히 CVD 등 박막형성기술이 다른 공정에 비해 비교적 중요한 이유는 형성된 막이 그대로 반도체소자의 구조 중에 남게 되고 그로 인해 그 소자의 특성, 신뢰성등에 커다란 영향을 주기 때문이다. 이러한 박막형성기술은 크게 두개의 근간 기술이 있는데 CVD (Chemical Vapor Deposition: 화학적기상증착 ) 과 PVD(Physical Vapor Deposition : 물리적 기상성장 ) 로 나눌 수 있다. 물론 이외에도 박막을 형성하는 기술로 회전도포에 의한 코팅, 최근에는 Cu( 구리 ) 박막의 형성을 위한 전기도금기술등이 기술 등이 있으나 큰 범주로 나누면 상기의 기술도 2 개의 근간 기술로 분류하여도 무방하다 할 것이다. 다음은 박막형성법, 즉 형성기술에 따른 분류를 나타낸 것이다. Fig.2 박막형성법에 따른 분류 CVD 법 상압 CVD 감압 CVD 프라즈마 여기 CVD 광 여기 CVD PVD 법 Sputtering Evaporation Ion Plating 박막형성법의종류박막형성법의종류 2 Al,Al 합금,Silcide, 고융점 금속등 Al,Al 합금 APCVD LPCVD PECVD Photo CVD

3 www.semistudy.com CVD(Chemical Vapor Deposition) 위와 같은 박막 형성법으로 형성할 수 있는 박막의 종류를 알아보는 것 역시 CVD 기술의 가능성과 미래, 그리고 다른 박막형성기술과의 차이, 특징등을 이해하는 데에도 도움이 된다. 박막의 재질에 의한 분류는 Fig.3 에 나타내었다. 박막의 종류 즉, 재질적으로는 절연막, 금속 ( 도체막 ), 반도체막의 큰 세가지 범주로 나뉘며 세분하면 더욱 여러 가지 재료로 분류 된다. 특히 절연막 재료에서는 최근에 새로운 반도체 소자의 구조와 고성능화를 위한 많은 새로운 재료가 개발 되고 있다. CVD 기술은 이와 같은 다양한 박막뿐만 아니라 강유전체 메모리 (FRAM) 와 같은 차세대 메모리에 사용되는 Capacitor 유전막과 전극재료등 거의 모든 신재료 박막형성을 위한 기반 기술이라 해도 과언이 아니다. 도포. 코팅법 표면중합법 졸. 겔법 전기도금법 3 ~ 폴리머 막 형성 ~SOG, 강유전체 등의 형성 Cu 막

4 www.semistudy.com CVD(Chemical Vapor Deposition) 4 Fig.3 박막 종류에 따른 분류 Si 산화막 Si 질화막 박막의종류박막의종류 Si3N4 Undoped 산화막 (SiO2~USG) 절연막절연막 Low k 유전율막 Doped 산화막 (PSG,BSG,BPSG) 불소 Doped 산화막 (FSG) Si3Nx( 플라즈마 CVD 에 의한 막 ) SiON( 옥시 나이트라이드 ) 폴리머 필름, H 함유 SiO2. Porus Sio2 등 Low k 유전율막 Ta2O5 BST( 티탄산 바륨. 스트론티움 0 STO( 티탄산 스트론티움 ) 강유전체 막 PZT,PLZT 등

5 www.semistudy.com CVD(Chemical Vapor Deposition) 5 알루미늄. 알루미늄 합금막 고융점 금속막 금속.도체막금속.도체막 실리사이드 막 도전성 질화막 Cu 박막 기타 Al-Si,Al-Si-Cu,Al-Cu 등 W,Mo,Ti,Co 등 WSi2,MoSi2,TiSi2,CoSi2,TaSi2 등 TiN,TaN 등 Cu FRAM 용의 신전극 재료 - Ir,Pt,Ru2O 등 반도체막반도체막 에피택시얼 막 폴리실리콘막 아모퍼스 Si 막 Doped 및 Undoped 막 다음시간은 CVD 기술외의 박막형성기술을 간단히 알아보고 본격적으로 CVD 의 원리, 원리에 따른 CVD 의 분류에 대해 공부 하도록 하겠다.

6 www.semistudy.com CVD(Chemical Vapor Deposition) 2. CVD 의 정의 및 원리 CVD 는 다음 과 같이 정의할 수 있다. 즉 기판 위에서 형성 시키고자 하는 박막의 구성 성분들을 가진 기상상태의 가스들을 반응시켜 기판의 성질을 변화 시키지 않고 불휘발성 고체박막을 형성하는 방법을 말한다. 이것을 반응식으로 표현해 보면 다음과 같다. α (Gas) + β (Gas) + … A (Solid) + B (Gas) + … Gas 공급부반응실배기부 Energy 부 반응 Energy ( 열, 플라즈마, 빛 (UV or LASER), 또는 임의의 에너지 ) 즉, 외부와 차단된 반응실 안에 Substrate( 기판 ) 을 넣어 놓고 Gas 공급부를 통하여 원료로 Gas 를 공급하고 Energy 부에서 공급된 Energy( 열, 플라즈마, 빛 (UV or LASER), 또는 임의의 에너지 ) 에 의하여 분해, 반응시켜 기판에 박막을 형성하는 방법으로 기판의 성질을 변화시키지 않는 것이다. 이때 “ 기판 위에서 ” 라는 말은 중요한 의미를 갖는데 기판위가 아닌 기상상태에서 서로 반응하여 기판위에 박막이 형성 되는 것은 소위 기상반응 (Gas Phase Reaction) 이라 하여 형성하고자 하는 박막의 균일한 조성비 제어가 힘들 뿐만 아니라 일반적으로 형성된 산물박막 역시 기판에 눈이 쌓이는 것과 같이 분진으로서의 형태밖에 되지 않는다. 또한 “ 기판의 성질을 변화시키지 않고 ” 라는 말도 CVD 와 산화 (Oxidation) 과 같이 기판이 반응하여 기판과 다른 박막층을 형성하는 방법과 구별 짓는 중요한 의미를 갖는다. By-Product 6

7 www.semistudy.com 3. CVD 법의 장점 1) 적용대상의 다양성 : 세라믹, 금속, 반도체, 유기 고분자등 합성할 수 있는 물질이 다양. 또한 박막, 섬유, 분체,Bulk 등 다양한 재료형태를 얻을 수 있으며, 반도체 레이저용 다층박막과 같은 소량생산에서 세라믹재료로서의 분체와 같은 대량생산에 이르기 까지 서로 다른 생산규모에서 대응이 가능. 2) 고순도 재료의 합성에 적합 : 고순도 기체의 사용이 가능하며 수요가 충분한 크기로 되면 고순도 기체의 가격이 낮아지므로 고품질박막을 경제적으로 대량생산 가능. 3) 정밀한 공정제어 가능 : 공정변수에 따라 반응장치가 달라지며 용도에 따라 다양한 형태의 박막을 고도의 공정제어를 통하여 형성가능. 4) 복잡한 형태 위에 균일한 박막형성가능 4. CVD 법의 단점 1) Coating 반응에 대한 substrate 안정도를 고려해야 함. 2) 기판과 증착 재료간의 열팽창계수 차이를 고려해야 함. 3) 부산물 ; toxic, corrosive → 중성화 → 비용이 비쌈. 7 첫 강좌에서 설명된 것처럼 박막형성기술은 CVD 법외에도 PVD, 회전 도포에 의한 코팅, 전기도금 등의 기술이 있는데 다음으로는 이러한 다른 박막형성법과 비교한 CVD 법의 장점과 단점을 알아보자.

8 www.semistudy.com 8 CVD 장비 시료 운송부 반응실 Gas 공급부 Energy 공급부 ( 균일가열, 정밀제어 ) 저항가열 매엽식 연속 방식 주요방식 Hot Wall 시료 운송부 고주파 가열 Lamp 가열 Cold Wall ◎△○ ○◎◎ ○△○ ○△○ Batch Type * 원료 공급부 * MFC (Mass Flow Controller) Cylinder / Tank / 유량계 * 가열 전원부 * Energy 공급부 * 온도검출 제어부 * 가열 전원부 : 저항가열, 고주파 가열, 램프가열 고주파 전원 (13.56MHz 등 ), 자외광 배기부 * 배기관 * 진공펌프 * 스크러버 * (Rotary Pump,Dry Pump) *( 유해성분 제거 ) 5. CVD 장비의 기본구성

9 www.semistudy.com 6. CVD System 의 분류 반응실의 생성압력에 따라 LPCVD ( Low Pressure CVD ) 와 APCVD (Atmospheric Pressure CVD ) 로 분류 할 수 있으며, 고속전자나 여기 에너지에 따라 Thermal, Plasma, Photon, Laser CVD 로 분류되며, 또한 반응실의 벽이 가열 되는 Hot Wall, 반응기와 기판만 선택적으로 가열되는 Cold Wall 방식으로 분류 할 수 있으며, 반응실의 형에 따라는 수직형, 수평형, Barrel 형, 회전형, 연속형 등으로, 형성된 박막의 용도에 따라는 DCVD(Dielectric CVD),MCVD(Metal CVD) 등으로, 반응재료에 따른 분류로 MOCVD(Metal Organic CVD),MICVD(Metal Inorganic CVD) 로, 또 최근에는 증착 박막의 미세두께 특징을 나타내는 ALD(Atomic Layer Deposition) 등으로 그야말로 보는 관점에 따라 다양하게 분류 할 수 있다. 9 ParametersVariations Temperature range Deposition Pressure Reactor geometry / Wall temp. Energy Source Deposition film Reactant / Carrier gases Low, Medium, High ATM, Low Hot wall, Cold wall Temp., R.F, UV-light Dielectric, Metal Metal Organic, Inorganic CVD Reactor Parameters

10 www.semistudy.com 10 CVD APCVDLPCVD Thermal CVDPECVD Hot WallCold Wall 수평형연속형 Photon CVD Hot Wall 수평형수직형수평형배럴형매엽형 Thermal CVD Cold Wall Fig. 4 CVD System 의 분류

11 www.semistudy.com 11 분류 Parameter CVD 법의 분류 예 반응 설명 Thermal CVD Reactor 에 주입된 반응기체의 분해 및 박막 증착에 열에너지를 사용 PE CVD Plasma Enhanced CVD 로 Reactor 내 혼합기체에 전장을 걸어서 Plasma 상태를 형성하고 박막을 증착하는 방법으로 Thermal CVD 보다 저온에서 박막증착이 가능함. Photo CVD Laser 또는 자외선과 같은 광에너지를 반응기체의 분해 및 박막을 증착에 사용 AP CVDAtmospheric Pressure CVD LP CVDLow Pressure CVD 원료물질 MOCVD Metal Organic CVD 의 약어로서 반응원료가 Metal 원자및 Carbon, 산소등과 결합하여 유기물을 형성하고 있다. 반응원료가 실온에서 대부분 액체이기 때문에 기화과정을 거쳐 Reactor 에 주입된다. Ex) 2Ta(OC2H5)5 + O2 -> Ta2O5(s) + Others 에너지원 공정 압력

12 www.semistudy.com 12 ProcessAdvantagesDisadvantagesApplications APCVD (Low Temp) - Simple reactor - Fast deposition - Low temperature - Poor step coverage - Particle contamination - Low temp oxides, both doped and undoped LPCVD - Excellent purity & uniformity - Conformal step coverage - Large wafer capacity - High temperature - Low deposition rate - High temp oxide - Silicon nitride - Poly-Si - W, WSi2 PECVD - Low temperature - Fast deposition - Good step coverage - Chemical and particle contamination - PMD(pre metal dielectric) - Passivation nitride 각종 CVD 법의 장단점 및 응용박막