5.2 증착 공정) CVD의 이해(CVD의 모든 것)

CVD Intro

삼성전자 유튜브에서 'CVD, PVD'는 건물의 '벽돌'라고 비유했습니다.
이 말을 감히 바꿔보면 건물의 벽돌을 쌓아주고 '만들어주는 것'이 PVD, CVD 장비입니다.
벽돌은 우리가 저번 시간에 배웠던 ‘박막’입니다.

2022.11.29 - [전자공학/5. Deposition] - 5. 증착 공정) 반도체 증착 공정이란 (feat. 박막 증착)

5. 증착 공정) 반도체 증착 공정이란 (feat. 박막)

 

CVD는 반도체 공정 중 활용도가 가장 높습니다. 대부분의 FAB 공정은 CVD로 시작돼 CVD로 마무리하지요.

(공극을 채운다거나, DRAM의 커패시터 형성하거나, Gate Oxide를 증착합니다.) -출처 : SK하이닉스 뉴스룸

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CVD란?

CVD란, Chemical-Vapor Deposition의 약자로, 기체 상태의 화합물들이 기판 표면 상으로 이동, 반응하여 박막이 형성되게 만들어주는 장비를 말합니다. CVD 종류는 매우 다양합니다. 

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CVD 종류

CVD 종류는 LPCVD, MPCVD, MOCVD, HDPCVD, CVD, PECVD, APCVD 등으로 엄청 많습니다.

많고 많은 CVD 장비 중에 '성장 환경', '용도', '품질', '속도' 등에 따라 최대한 원하는 박막을 만들 수 있는 CVD를 선택하게 되지요. 

 

예를 들어볼까요?

나는 품질 필요 없고 최대한 빠르게 증착을 하고 싶어 = APCVD

나는 품질만 중요해! 높은 열 사용해도 돼! = LPCVD

나는 thermal budget이 싫어! 온도 낮추고 공정하고 싶어,  = PECVD

나는 GaN 등 질화물 반도체를 효율적으로 증착하고 싶어! = MOCVD

나는 탄소 기반 반도체를 효율적으로 증착하고 싶어! = MPCVD

나는 돈을 더 써도 좋으니까 PECVD보다 step coverage가 더 좋았으면 좋겠어! = HDPCVD

 

CVD 장비 종류는 매우 중요하므로 포스팅을 따로 하겠습니다. 

2022.12.08 - [전자공학/5. Deposition] - 5.3 증착 공정) CVD 장비 종류, 각 장비 장단점

5.3 증착 공정) CVD 장비 종류, 각 장비 장단점

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CVD 증착 Mechanism

Nature, Chemical Vapour Deposition(Luzhao sun)

1. 반응물(가스, 도판트)이 기판 영역으로 대류 혹은 확산되어 이동합니다. 

이때, 열, 빛, 플라스마 형태로 에너지를 공급하여 기체 분자를 이온화하거나, 높은 에너지 상태로 여기 시켜서 자발적으로 화학반응을 일으킬 수 있는 상태로 활성화합니다. 이러한 상태를 radical이라고 합니다. 

예를 들어, 대기에서 수소 H2는 매우 안정합니다. 단일 원자 H는 H2에 비해 불안정하기 때문에 안정해지려고 어떻게든 결합을 하려는 성질이 강합니다. 이런 식으로 분해 혹은 이온화를 시켜 자발적으로 화학반응이 일어나게 만듭니다. 

 

2. 기판 표면으로 운송된 radical은 물리적으로 흡착 후 잠시 이동하였다가 기판 표면의 원자와 화학 결합을 형성합니다. 

기판 표면의 원자 또한 결합이 부족하여 불안정한 상태에 있으므로, 화학 결합이 잘 형성됩니다.

 

3. 앞 포스트에서 배웠던 박막 형성 mechansim을 이용합니다. 

 

박막 형성 mechanism 요약

(1). 충분한 에너지를 가진 입자(원자, 분자, cluster)들이 기판 표면에 도달하여 물리적 흡착을 합니다.
(2). 운동 에너지가 남은 원자들은 에너지를 줄이고자 표면 확산을 하게 되고, 결국 서로 뭉치게 됩니다.
(이때, 만약 증착 가스가 여러 개라면 화학반응이 진행되게 됩니다.)
(3). 1-2번이 반복되어 원자들이 서로 뭉쳐져 ‘cluster’ 형태를 띠게 됩니다.
(4). 1-3번이 반복되어 cluster의 크기가 어느 정도 커졌으면 ‘핵’이 생성되게 됩니다.
(5). 1-4번이 반복되어 ‘핵’이 부분 부분 생기게 되고, 이 핵들이 모여 ‘섬’ 이 형성됩니다.(Volmer-Weber 법칙)
(6). 1-5번이 반복되어 섬 끼리 뭉치게 되어 박막이 형성되게 됩니다.

2022.11.29 - [전자공학/5. Deposition] - 5.1 증착 공정) 박막 증착 Mechanism (박막 성장 기구 6가지)

5.1 증착 공정) 박막 증착 Mechanism (박막 성장 기구 6가지)

 

 

4. 불안정하게 결합된 원자 혹은 부산물들은 다시 탈착 되어 진공펌프에 의해 외부로 배기됩니다. 

 

CVD 화합물 process도 마찬가지입니다. 제 블로그의 모든 내용을 응용하시면 이해가 되실 겁니다. 

https://www.youtube.com/watch?v=hkYb35e5JGo 이 영상 보시면 시각적으로 되게 이해가 잘 가실거에요.

 

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CVD의 이용 분야 with Dielectric

CVD는 반도체에 금속 박막을 만들거나 Dielectric 박막을 만들 때 사용합니다. CMOS에서 Dielectric 박막의 application은 다음과 같습니다.
1. Shallow Trench Isolation (STI) : USG(undoped silicate glass)  with APCVD, SACVD, HDPCVD

2. Sidewall Spacer : USG(undoped silicate glass) 
3. Pre-metal dielectric(PMD) : PSG, BPSG with SACVD, APCVD, LPCVD
4. Inter-metal dielectric(IMD) : USG, FSG with HDPCVD, PECVD, SOG
5. Anti-reflection coating : SION with PECVD
6. Passivation dielectric : Oxide, Nitride with PECVD, HDPCVD
7. Gate Oxide : HfO2

 

 

 

관련 내용(장비)은 바로 아래 포스팅을 참고해 주세요. 

2022.12.03 - [전자공학/2. Oxide] - 2.4 산화 공정) CMOS에서 사용되는 산화막, 유전체 (USG, PSG, BPSG), 증착 방식

2.4 산화 공정) CMOS에서 사용되는 산화막, 유전체 (USG, PSG, BPSG), 증착 방식