5.7 증착 공정) ALD 공정

ALD 공정이란

CVD 공정의 변형으로 반응 기체와 웨이퍼 기판 표면과의 화학 흡착을 통해 원자층 수준으로 한 층 한 층 박막을 쌓아 올라가는 증착 방법입니다.

통상 2개의 전구체를 서로 중첩되지 않게 순차적으로 주입하여 화학반응을 시키지요.

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Why ALD?

산업에서는 반도체 기술이 고도화됨에 따라 높은 종횡비를 요구하기 시작하였습니다.

Gate Oxide, Capacitor 또한 얇은 박막을 선호하지요.

이에, 균일하고 얇게 증착할 수 있는 박막 증착 기술인 ALD를 도입하였습니다. 

 

ALD 공정 기술의 예

Nand flash의 터널 산화막, 블로킹 산화막, DRAM의 CAP 유전막, FINFET의 고 유전 율 게이트 산화막, 금속 워드라인에 응용됩니다. 

- High- K dielectric : Al2O3, HfO2, ZrO2, Ta2O5, La2O3

Transistor gate와 DRAM Capacitors를 만드는데 ALD가 사용됩니다.

 

- Conductive gate electordes : Ir, Pt, Ru, TiN

금속 증착에 있어 ALD가 사용됩니다.

 

- Metal interconnects and liners : Cu, WN, TaN, WNC, Ru, Ir

 

- OLED passivation layer : Al2O3

 

- Transparent Electrical Conductors : ITO

 

- MEMS Nanostructures

등등 거의 모든 반도체 부분에서 ALD 공정을 응용하려고 노력하고 있습니다.

 

 

ALD의 장점

1. 원자 단위로 증착을 진행하기 때문에, 두께를 정교하게 조절할 수 있습니다.

2. Step coverage 한계를 극복하였습니다. 

3. 한 층 이상 증착이 안되기 때문에 모든 면적에서 균일도를 가집니다.

4. 낮은 온도(200~400도)에서 공정을 진행하여 다른 막 영향을 최소화시킬 수 있습니다. 즉 thermal budget 현상이 적습니다. 

5. 상이한 박막의 연속 증착이 가능합니다.

 

ALD의 단점

낮은 증착 속도로 인해 생산성이 매우 낮습니다.. 

 

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ALD Mechanism

ALD는 '증착 방식'이 아닌 '화학적 흡착 방식'을 이용하여 공정이 진행됩니다. 

이 공정은 표면 화학 흡착 공법, 자기 제한적 흡착 공법을 사용하여 박막을 형성시킵니다.

 

표면 화학 흡착 공법 : 오직 표면에서만 반응이 일어나는 공법입니다.

자기 제한적 흡착 공법 : 일정 반응이 진행되면 더 이상 흡착이 불가능해지는 공법입니다. 

위 내용은 바로 아래 주기별 ALD 작동 방식에서 설명해 드리겠습니다. 

 

주기 별 ALD 작동 방식

1/4 주기 : 전구체 A 가스를 펄스 형태로 진공 상태(0.1 ~10 Torr)의 반응기에 주입하여 기판 표면의 화학종과 흡착되도록 합니다.

- 오랜 시간 주입하여도 흡착할 수 있는 자리가 모두 차게 되면 더 이상의 흡착 및 증착이 일어나지 않음> 자기 제한적 반응

 

2/4 주기 : 질소, 아르곤 등 반응성이 낮은 가스를 흘려 전 단계에서 기판의 화학종과 반응하여 생성된 반응 부산물과 과잉 전구체 A를 깨끗이 배기시키는 퍼지 단계를 거칩니다.

- 이 공정을 진행하지 않으면 반응물과 남아있는 전구체와 반응하여 원하지 않은 박막이 나옵니다.

 

3/4 주기 : 반응체 B(전구체)를 반응기로 주입시킵니다. 첫 번째 단계에서 기판에 흡착된 전구체 A에 의해 만들어진 반응물과 흡착 반응을 일으키고 원하는 박막의 한 층을 쌓을 수 있게 합니다.

- 이때도 자기 제한적 흡착 반응이 일어납니다.

 

4/4 주기 : 마지막으로 퍼지 하여 과잉 전구체를 배기시킵니다.

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ALD vs CVD

ALD	CVD
전구체 가스가 시간 순차적으로 반응기에 주입됨	모든 전구체가 동시에 주입됨
열 분해 일어나면 안됨	공정 온도에서 열분해를 일으켜야함
전구체의 반응성이 매우 높아야함	온도만 올리면 되므로 전구체 반응성 필요x
유량 세밀하게 제어할 필요 x	유량 세밀하게 제어해야함
표면에서의 화학 흡착에 의해 반응 일어남	열 분해, 산화, 환원 등 다양한 반응을 통해 박막이 증착됨
chamber 크기 작아야(퍼지 시간 단축)	chamber 크기 큼

ALD와 Temperature 관계 

 

 

 

Incompletion Reaction : 전구체의 활성화 E 부족으로 인해 전구체와 표면 사이에 반응이 되지 않아 박막 형성이 불가능합니다. 

Condensation : 전구체가 표면과 반응하지 않고 전구체끼리 붙어 wafer표면에 증착하여 원하지 않은 박막이 형성됩니다. 

Decomposition : 열 에너지가 커 표면 반응 및 기체 상태에서도 반응하여 원치 않는 원자 덩어리, 분자 덩어리들이 기판에 도달합니다. 

Desorption : 표면에 흡착된 면이 결합을 끊고 탈착 됩니다. 

따라서 ALD에서 적당한 온도를 책정하는 것이 매우 중요합니다. 

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PEALD

PEALD : 세 번째 반응체 공급 단계에서 플라스마를 발생시켜 반응성을 향상해 화학반응의 온도가 낮아집니다.

즉, 기존 ALD 대비 저온에서 증착이 가능하고 증착 속도 가 빠르며 전구체와의 완전한 반응을 유도할 수 있어 박막의 품질이 우수하고 기존 ALD 대비 접착력이 좋아집니다.