5.5) PVD의 이해

Intro

Physical Vapor Deposition, PVD는 CVD와 같이 반도체에 막을 증착해주는 장치입니다.

Target에 물리적인 힘으로 증착하고자 하는 target 금속을 기화시킨 후, 기화된 target 금속 원자들을 기판에 떨어트려 응결시켜 고체 박막이 증착되게 만드는 장치를 PVD라고 합니다. 

PVD는 주로 ‘금속 관련 박막 증착’에 사용되고 있으며, 이 마저도 CVD로 대체되는 중입니다.. 안녕 PVD

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PVD 특징

PVD는 대체적으로 고온, 고진공 공정입니다. 

하지만 Uniformity, Step coverage가 매우 안 좋기 때문에 Sputter 공정 제외하고 잘 사용되지 않습니다. 

(Sputter는 그나마 Step coverage가 괜찮습니다.) 

 

고온, 고진공인데 왜 Uniformity가 안 좋아요? CVD에선 안 그랬잖아요.

PVD는 주로 타겟을 담는 그릇 정도에만 매우 높은 열을 가합니다. 즉, 타겟 원자의 결합을 끊을 때만 에너지가 공급됩니다. 이 튀어나온 원자들은 쭉 직진으로 내려와 기판에 부착합니다. 이 내려오는 과정에서 에너지가 거의 다 없어지게 되지요. 기판 표면에서 움직이지 못하고 도착한 그 자리에 부착, 결합되는 것입니다. 

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PVD 종류

1. Thermal Evaporation

Source가 담긴 그릇(crucible)에 고열을 가하여 source를 기화시키고, 이 기화된 증기들이 wafer 표면으로 달라붙어 에너지를 잃고 고체 박막으로 증착이 됩니다.

 

분해된 소스가 직진성을 가지기 때문에 MFP가 낮으면 전자, 불순물 등과 자주 부딪혀서 다른 곳으로 도망가게 됩니다. 고진공이 필요한 이유이지요. 

 

Thermal Evaporation 장점

- 장치가 매우 단순하다

 

.- Sputter에 비해 빠른 증착 속도를 갖고 있습니다.

 

- 고순도의 박막을 얻을 수 있습니다.

 

Thermal Evaporation 단점

- 10^-5 ~ 10^-7 Torr의 고진공 환경이 필요하므로, 장비 가격이 비싸며 펌프 구동 시간도 많이 걸립니다.

 

- 펌프의 오일 역류 현상 등 고진공 환경 구축 시 문제가 생기기도 합니다.

 

- Step coverage가 매우 좋지 않습니다.

기판에 도달한 원자들의 에너지가 매우 없기 때문입니다. 

 

- 밀착력이 매우 낮다.

기판에 도달한 원자들의 에너지가 매우 없기 때문입니다. 

 

- Target 재료의 한계

고온으로 target을 녹여야 하므로, crucible보다 녹는점이 높으면 source로 사용할 수 없습니다. 

 

- 한계

Step coverage를 높이기 위해 rotation 및 온도를 증가시켜도 종횡비가 1 이상이면 적용이 불가능하여 거의 사용하지 않는 공정입니다. 

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2. E-beam Evaporation

Crucible에 열 에너지가 아닌 전자빔을 통해 기화를 시키는 것으로, thermal evaporation의 단점 중 target 재료 한계 부분을 커버한 장비입니다. 따라서 고융점 금속을 source로 사용할 수 있지요. 

 

E-Beam evaporation 방법

1. 고 전압을 필라멘트에 인가하여 열 전자가 방출됩니다.

2. 열 전자를 자기장으로 유도하여 전자 빔 방향 control을 합니다.

3. 열 전자와 Source(Crucible에 담긴 금속) 간 충돌합니다. 이 충돌 에너지는 열 에너지로 바뀌어 타겟 금속은 증기가 됩니다.

4. Vapor 상태의 Source가 Sample에 응축되어 증착됩니다.

 

E-Beam evaporator 장점

1. 다른 pvd에 비해 분당 0.1nm ~ 100nm의 빠른 증착 속도를 가집니다.

2. 소스의 이용 효율이 좋아 내마모성, 내부식성 코팅에 쓰입니다. ex) AR coating : 무반사 코팅

3. 레이저, 렌즈 및 태양 전지 판 등 광학 박막에 사용됩니다.

 

E-Beam Evaporation 단점

Target 재료 이외의 단점은 Thermal evaporation과 같습니다.

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3. Sputter

현대 반도체 공정에서 유일하게 살아남은 PVD 공정입니다. 

배선으로 사용할 Al, Cu 및 TiN(합금), Silicide, 확산 방지층 등을 증착합니다.

 

Step coverage가 좋아야 하는 금속 박막(예를 들어 W)의 경우 CVD 공정을 사용하지만, 원가가 상대적으로 낮은 PVD 공정을 선호하고 있어 여러 가지 step coverage를 올리는 기술이 개발되고 있습니다. 

 

Sputter의 Step coverage가 다른 PVD에 비해 우세한 이유

1. Ar을 통해 압력을 적당히 올려 기체의 직진성을 완화시켜 shadowing 효과를 줄여줄 수 있습니다.

2. 금속 입자의 에너지가 단순 증발보다 크기 때문에 웨이퍼에 도달한 후 입자의 이동도, 에너지가 높습니다. 

 

보다 더 높게 Step coverage 높게 하는 방법

1. 타겟의 크기를 wafer 직경보다 크게 만듭니다. 

2. 기판을 가열시켜 웨이퍼에 도달한 입자의 에너지를 키웁니다.

3. 기판 바이어스 방식을 통해 Step coverage를 높힙니다. 

 

Sputter 방법

1. 고진공 chamber 내에 Ar 등의 inert gas를 통해 chamber을 작업 압력(10^-3 Torr 정도)으로 맞추고 cathode에 음 전압을 인가합니다.

 

2. Cathode로부터 방출된 전자(1차 전자)들이 중성 Ar 기체 원자와 충돌하여 Ar 이온화시킵니다.

- Ar ion Energy가 높음(파워 높음) > sputter yield 높아짐(증착 속도 빠름, 표면특성은 별로)

- Ar ion Energy가 낮음(파워 낮음) > sputter yield 낮아짐(증착 속도 느림, 표면특성은 좋음)

 

3. Ar이 이온화되면서 전자(2차 전자)가 방출하면 glow discharge가 발생하여 plasma가 나타납니다.

 

4. Ar 입사 입자가 큰 전위차(시스전위) target 표면으로 충돌합니다.

충격 에너지는 target 물질을 증발시키는데 필요한 열에너지의 약 4배 이상의 에너지를 가져야 물질에서 원자를 때려 탈출시킬 수 있습니다.

- collision Cascade : target을 때리면 주변의 원자에게 운동량 전달, 내부의 target 원자가 연속적인 운동량으로 인해 산란이 되어 표면에 있는 원자에게도 운동량이 전달이 되고, 그 전달된 에너지가 원자 간의 결합 E보다 크면 표면으로부터 이탈하는 현상. Energy가 너무 크면 타겟에 묻힐 수 있음.

 

5. 중성의 target 원자들이 튀어나와(90% 중성, 10% 이온) 기판에 박막을 형성합니다.

 

Sputter 장점 

- 금속, 금속 화합물, 절연체 등 만들 수 있는 박막이 다양합니다.

 

- 큰 면적의 target을 이용할 수 있습니다.

 

- 박막의 밀착력이 우수합니다.

 

- RF Sputter시, 모든 물질을 target으로 사용 가능합니다.

 

- CVD에 비핸 아니지만, 고 에너지 공정으로 step coverage가 우수하다는 장점이 있습니다. 

이유 1 - Ar을 통해 압력을 적당히 올려 기체의 직진성을 완화시켜 shadowing 효과를 줄여줄 수 있습니다.

이유 2 - 금속 입자의 에너지가 단순 증발보다 크기 때문에 웨이퍼에 도달한 후 입자의 이동도가 높아 step coverage가 높아집니다.

 

Sputter 단점

- 증착 속도가 느립니다. 

 

- 성장 조건이 민감하고 서로 영향을 끼칩니다.

 

- 박막이 플라즈마 등에 노출되어 가열됩니다. 

 

Sputter는 DC Sputter, RF Sputter, Magnetron Sputter, Reactive Sputter 등이 있습니다. 

 

DC sputtering 장점

1. RF sputtering에 비해 성장 속도가 큽니다.

2. 박막의 균일도가 큽니다.

3. 구조가 간단합니다.

4. 여러 가지 금속에 대해 성장 속도가 거의 일정합니다.

5. 높은 에너지 공정으로 인해 밀착 강도가 높습니다.

 

DC sputtering 단점

1. Target 재료가 금속에 한정(부도체 박막은 형성 가능) ▶ Ar 양이온이 target에 붙어 방전이 깨진다.

2. 높은 Ar 압력이 필요(10~15 mTorr)

3. 기판이 과열되기 쉬움

 

RF sputtering 장점

1. 상대적으로 낮은 Ar 압력(2~5 mTorr)에서 구동 가능합니다.

2. 전도체, 절연체, 비금속, 유전체 다 증착 가능합니다.

3. Reactive Sputtering에 특화되어 있습니다.

 

RF sputtering 단점

1. 성장 속도가 느립니다.

 

Magnetron sputtering

높은 증착 속도와 양호한 막질 및 균일도, 공정 제어의 용이성이 높아 가장 널리 사용하는 PVD 방식입니다.

음극인 타겟 뒤쪽으로 회전하는 자석이 위치하여 로렌츠 힘을 받아 전자가 구속되어 이온과 충돌 확률이 높아져 고밀도의 플라즈마를 얻을 수 있습니다.

즉, 가운데 자석의 극을 다르게 주어 자기장을 형성시켜 수직인 전기장에 의해 로렌츠 힘이 발생되고, 이 로렌츠 힘이 전자의 운동방향을 바꿔줘 부딪히는 gas가 많아 이온화 효율이 높아져 고밀도 플라즈마가 형성됩니다.

하지만, target 표면에 고리 모양으로 소모되어 타겟의 소모량이 커지게 됩니다.

Reactive Sputtering

TiN 증착 시 Ti와 N의 결합력이 너무 강하여 스퍼터 수율이 낮은 문제가 직면했습니다.

증착 공정 중 반응성 가스를 챔버 내로 주입시켜서 타겟에서 떨어져 나온 금속 원자가 반응 가스의 라디칼과 결합해 화학적 화합물 박막을 형성함으로써 문제를 해결하였습니다.