5.3 증착 공정) CVD 장비 종류, 각 장비 장단점

CVD Intro

CVD의 종류는 엄청 다양합니다. 지난 시간에 설명드린 내용이었죠.

관련 내용은 아래 링크 남겨놨습니다.

2022.11.30 - [전자공학/5. Deposition] - 5.2 증착 공정) CVD의 이해(CVD의 모든 것)

5.2 증착 공정) CVD의 이해(CVD의 모든 것)

 

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

 

이 세상엔 완벽한 게 없습니다. 빠른 증착 속도를 원한다면 박막의 quality는 안 좋아지는 법이지요. 

 

CVD 장비의 종류는 엄청 다양합니다. 이에 따라 장점과 단점이 극명하게 나뉘어 있습니다.

이 많고 많은 CVD 중 가장 원하는 특성의 박막을 증착할 수 있는 CVD 장비를 선택하게 되지요.

 

 

표를 한번 볼까요?

Process	장점	단점	응용
APCVD	- 단순 반응 - 빠른 증착 속도 - Gap fill 능력 우수	- 낮은 스텝커버리지 - Metal 오염	- STI Fill Layer - BPSG/PSG Layer
LPCVD	- 불순물이 적음 - 높은 두게 균일도 - 균일 스텝커버리지	- High Temp	- High Temp SiO2 - SiN - W-Silicate - W-plup dep
PECVD	- Low Temp - 빠른 증착속도	- Hydrogen content - Plasma 손상	- 금속 층간 절연막(IMD) - 소자보호막(Passivation) - 비반사막(DARC SiON)
SACVD	- Metal 오염, free - 긴 세정 주기	- Crack 발생	- STI Fill Layer - BPSG/PSG Layer
HDPCVD	- Gap fill 능력 우수 - 모든 절연 공정	- Plasma damage	- STI Fill - Stop etch Nitride - IMD(USG, FSG) - Passivation
SOG	- Gap fill 능력 우수 - Low K 구현가능	- Crack 발생 - Poisson Via 불량 - 낮은 신뢰성	- 금속 층간 절연막(IMD)

[1] 반도체 박막 성장법과 장비기술 논문(이병철)

 

이런 식으로 장점과 단점이 극명하죠.

오늘은 CVD 중 가장 대표적인 APCVD, LPCVD, PECVD, HDPCVD에 대해서 설명을 드리겠습니다. 

CVD 종류 4가지

먼저 개념 설명 전, 압력과 온도, 증착 속도의 관계에 대해서 말씀드리겠습니다.

- 온도, 압력이 높을수록 증착 속도가 빨라집니다. 

> 온도가 높을수록 반응에 필요한 에너지를 많이 공급할 수 있습니다. (반응)

> 온도가 높을수록 기판에 도달하는 기체 원자의 양이 많아집니다. (확산)

> 압력이 높을수록 기판에 도달하는 기체 원자의 양이 많아집니다. (확산)

반응 & 확산이 빨라지기 때문에 온도가 높을수록 증착 속도가 빨라지고, 확산이 빨라지기 때문에 압력이 높을수록 증착 속도가 빨라집니다. 

증착 속도 측면에서 압력을 1 atm 올리는 것과 온도를 30'C 올리는 것과 같은 효과를 얻습니다. 

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1. APCVD(Atomospheric Pressure CVD)

APCVD는 Atomosphere, 즉 대기압(1 atm = 760 Torr), 중온(4~500'C)에서 공정이 진행되는 CVD입니다. 

 

APCVD 장점

- 장비가 매우 저렴합니다.

공정 압력이 대기압이기 때문에 진공부품 등이 필요가 없기 때문입니다.

 

- 증착 속도가 매우 빠르다

압력이 높아 Source gas들이 꽉 차 기판 표면으로 확산하기 매우 용이해집니다.

 

- Gap fill이 우수합니다.

 

APCVD 단점

- Step coverage가 좋지 않습니다.

압력이 높아 Mean Free Path(MFP)가 매우 짧아 도달하는 원자의 에너지가 매우 작기 때문에 원자들이 이동을 하지 않고 바로 증착되어버립니다. 

 

- 박막의 quality가 매우 좋지 않다 

펌프가 없어 불순물을 빼고 공정을 진행할 수 없기 때문에, defect가 엄청 많습니다. 

 

- 대량 생산이 불가하다

Batch 방식이 불가능하기 때문에 대량 생산이 불가능합니다. 

 

- Uniformity가 안 좋다.

Chamber 내 gas가 너무 많아 기판 표면에서 반응을 하지 않고 공중에서 반응을 하여 3D로 성장되어 쌓이는 경우가 있습니다. 이를 Gas phase deposition이라고 하는데요, 큼지막한 덩어리들(powder)이 기판 표면에 흡착을 하여 증착이 되기 때문에 uniformity가 매우 낮습니다. 

CVD mechanism은 소스가 공중에서 분해되어 기판으로 도달 및 흡착, 반응하는 것이 목적입니다.

APCVD는 소스가 열 에너지로 분해 후 다양한 분자 형태로 다시 결합되는 문제가 생깁니다. 

 

- Thermal budget 현상

소스 가스 분해 / 반응을 하기 위해 에너지가 필요합니다. 에너지를 공급하는 방법은 크게 두 가지 있는데요, 열 에너지, 플라스마 에너지를 이용하여 공급을 합니다. APCVD는 진공을 못 만들기 때문에 플라스마 생성이 불가능합니다. 따라서 열로 에너지를 공급합니다. 

400~500도의 온도를 가하는데요, 이로 인해 Thermal budget 현상이 생길 수 있습니다. 

ex) 아래층 손상, 금속 녹음 현상, 열팽창 계수 차이로 인한 crack 등 다양한 문제가 있습니다. 

 

APCVD, 단점이 정말 너무 많죠. 

따라서 속도를 줄이고 가격을 높여 보다 좋은 quality의 박막을 만들고자 chamber의 압력을 낮추는 방법을 고안하였고, 이에 탄생한 장비가 LPCVD입니다. 

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2. LPCVD(Low Pressure CVD)

LPCVD 사용처

Polysilicon gate 전극, SiO2, Si3N4, Tungsten, Molybdenum, Tantalum

 

LPCVD는 mTorr ~ Torr 압력 하에 공정이 진행되는 CVD입니다. 

압력이 낮아짐에 따라 증착속도가 느려지기 때문에 이를 보완하고자 추가적인 열 에너지를 공급합니다. 

 

Hot wall LPCVD : 일반적인 LPCVD 방식으로 튜브(챔버) 전체가 600'C 이상으로 가열되어 열에너지에 의한 원료 기체의 분해가 일어나고 화학반응을 거쳐 기판 위에 박막이 증착됩니다. 하지만, Hot wall CVD는 튜브 내부 어디에서나 온도가 같고 기체의 분포가 같기 때문에 박막이 기판 위에만 증착되는 것이 아니라 튜브 전체에 코팅이 되지요. 따라서 튜브 전체를 주기적으로 cleaning 해줘야 합니다. [2]

Cold wall LPCVD : 기판에만 열이 가해져 Hot wall LPCVD의 단점을 보완한 장비입니다. 

 

 

LPCVD 장점

- 박막의 quality가 좋습니다.

Chamber 내의 압력을 낮추기 위해 진공 펌프를 구동시킵니다. 구동 중 많은 불순물들이 펌프 밖으로 나가기 때문에 defect가 적어 quality가 좋게 됩니다. 

 

- Step Coverage가 좋습니다.

압력이 작기 때문에 MFP가 높습니다. 따라서 기판에 도달하는 원자들의 에너지가 높아 빈자리를 찾아 이동하여 흡착 후 증착이 됩니다. 

 

- 두께 균일도가 좋습니다.

도달한 원자들의 에너지가 높고, ghase phase formation이 거의 없기 때문에 두께 균일도가 좋습니다. 

 

- 대량 생산이 가능합니다.

 

- 가스 소모량이 적습니다.

 

LPCVD 단점

- Thermal budget 현상이 커집니다. 

LPCVD는 700 ~ 1000도 정도에서 공정이 진행되기 때문에, APCVD와 급이 다른 thermal budget 현상이 일어납니다. 이로 인해 제약이 많이 붙습니다.

 

- 낮은 증착 속도

APCVD에 비해 압력이 매우 낮기 때문에 이를 보완하고자 온도를 높였음에도 불구하고 증착 속도가 느립니다.

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3. PECVD(Plasma Enhanced CVD)

PECVD 사용처 

Amorphous silicon (a-Si), Silicon nitride (SiNx), Silicon oxide (SiOx)

 

Thermal budget 현상으로 인해 많은 제약이 생겼고, 이를 보완하기 위해 에너지 공급 방식을 열 에너지가 아닌 plasma 에너지를 이용한 방식입니다. 0.1 ~ 5 Torr의 압력, 200~ 400도 정도의 저압, 저온에서 공정이 진행됩니다.

 

이 장비는 디스플레이 산업에서 특히 많이 사용되는데요, 디스플레이 산업에서 기판 재료로 실리콘이 아닌 유리, plastic을 사용됩니다. 온도가 600'C 이상만 돼도 바로 변형이 일어나기 때문에 저온에서 공정하는 PECVD를 선택하였습니다.

 

 

PECVD 장점

- 빠른 증착 속도

 

- Thermal budget x

이 부분은 PECVD의 최대 장점이라고 생각하시면 됩니다. 

 

- Unifomity가 적당합니다. 

PECVD의 가스 이동 형태는 압력이 비교적 높아 가스 원자간 충돌이 많아 뭉쳐서 이동하는 '점성 유동' 형태로 균일성이 좋지 않습니다. 이를 균일하게 만들기 위해 shower head를 도입합니다.  

Shower head를 이용하여 unifomity를 개선한 장비로, 디스플레이 산업에서는 웨이퍼의 면적이 매우 넓기 때문에 균일하게 박막을 증착해야 하는데, 이 부분에 있어서 매우 메리트가 있는 장비입니다. 

 

 

-비교적 저렴하다

PECVD 단점

- 비정질, 화학양론적 조성을 갖기 힘들다.

온도가 400'C 이하로 매우 낮기 때문에 surface mobility가 매우 낮아 원자 배열이 불규칙한 비정질 형태로 성장하며, 화합물의 경우에는 정확한 화학 양론적 조성을 갖기 힘듭니다. 

(비정질의 dangling bond들은 수소를 첨가하여 전기적으로 작용을 못하게 만듭니다. 이를 a-Si:H라고 합니다)

 

- Step coverage가 좋지 않습니다.

Uniformity는 제어했지만, 낮은 온도로 인해 surface mobility가 낮아 기판에 도달하는 원자의 에너지가 작기 때문에 step coverage가 좋지 않습니다. 

 

- 불순물 함유량이 많습니다.

플라즈마의 에너지로 소스 가스가 분해가 되고, 이 에너지가 너무 높다 보니 또 공중에서 Gas phase deposition이 일어날 수 있습니다. 

 

- Gap filling이 잘 되지 않습니다.

 

- Plasma Damage가 유발됩니다.

Plasma의 높은 에너지, sputter 작용으로 인해 기판이 손상될 수 있습니다.

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4. HDPCVD(High Density Plasma CVD)

PECVD의 플라스마 농도를 수십 배 이상 높인 CVD입니다.

PECVD의 step coverage 문제를 개선하기 위해 도입된 CVD입니다. 

HDPCVD 장점

- 박막의 quality가 좋습니다.

Ar plasma에 의한 Sputter 효과로 depo + etch를 같이 진행할 수 있어 void와 같은 defect를 줄이는 방식입니다.

 

- Step coverage가 좋습니다.

Ar plasma에 의한 Sputter 효과로 depo + etch를 같이 진행할 수 있어 step coverage가 좋습니다. 

 

- Gap filling이 좋습니다.

Ar plasma에 의한 Sputter 효과로 depo + etch를 같이 진행할 수 있어 gap fill이 좋습니다. 

 

- 모든 절연 공정이 가능합니다.

 

HDPCVD 단점

- 비쌉니다. 

 

- Plasma Damage

Plasma의 높은 에너지, sputter 작용으로 인해 기판이 손상될 수 있습니다.

 

- 공정 속도가 느립니다.

 

 

참고자료

[1] 반도체 박막 성장법과 장비기술 논문(이병철)

[2] 화학기상증착법을 이용한 진공 박막 공정기술(홍완식)