반도체 증착 기술에는 무엇이 있습니까? 칩 제조를 위한 CVD, PVD 및 ALD 마스터하기

반도체 제조에서 증착 기술은 크게 화학 기상 증착(CVD)과 물리 기상 증착(PVD)의 두 가지 주요 범주로 나뉩니다. 이러한 공정은 다양한 재료의 박막을 실리콘 웨이퍼 위에 도포하여 현대 집적 회로를 구성하는 절연체, 전도체 및 반도체 재료의 복잡한 층을 형성하는 데 사용됩니다. 원자층 증착(ALD)이라는 매우 정밀한 세 번째 방법도 고급 칩 설계에 중요합니다.

핵심 과제는 단순히 증착 기술의 이름을 아는 것이 아니라 특정 방법이 선택되는 이유를 이해하는 것입니다. 결정은 증착 속도, 박막의 품질, 그리고 웨이퍼 위의 복잡하고 미세한 3D 구조를 균일하게 덮을 수 있는 능력 사이의 근본적인 상충 관계에 달려 있습니다.

증착의 두 기둥: PVD와 CVD

최고 수준에서 증착 방법은 재료를 소스에서 웨이퍼 표면으로 전달하는 방식에 따라 구별됩니다. 하나는 화학 반응을 사용하고 다른 하나는 물리적 공정을 사용합니다.

화학 기상 증착 (CVD)

CVD는 업계에서 가장 널리 사용되는 증착 기술입니다. 여기에는 반응성 기체(전구체라고 함)를 반응 챔버로 도입하는 과정이 포함됩니다.

이러한 기체는 뜨거운 웨이퍼 표면 근처 또는 위에서 화학적으로 반응하여 새로운 고체 재료를 형성하고 박막으로 증착됩니다.

물리 기상 증착 (PVD)

대조적으로 PVD는 박막 재료를 생성하기 위해 화학 반응을 포함하지 않습니다. 대신 물리적 수단을 사용하여 고체 소스 또는 타겟에서 웨이퍼로 재료를 운반합니다.

이것은 일반적으로 진공 상태에서 수행됩니다. A 지점(소스)에서 B 지점(웨이퍼)으로 원자를 물리적으로 이동시키는 것이라고 생각할 수 있습니다.

화학 기상 증착(CVD) 심층 분석

CVD는 화학 반응에 의존하므로 매우 고품질의 순수한 균일한 박막을 생성할 수 있습니다. 반응의 특정 조건에 따라 여러 CVD 변형이 발생하며 각각 다른 목적을 가집니다.

압력과 플라즈마의 역할

저압 CVD (LPCVD): 매우 낮은 압력에서 작동함으로써 LPCVD는 기체 분자가 더 자유롭게 움직이도록 하여 복잡한 구조를 균일하게 덮을 수 있는 매우 균일한 박막을 생성합니다. 고품질 절연 및 폴리실리콘 층에 자주 사용됩니다.

대기압 CVD (APCVD): 이 방법은 정상 대기압에서 작동하므로 더 빠르고 처리량이 높은 공정입니다. 그러나 박막 품질과 균일도는 일반적으로 LPCVD보다 낮습니다.

플라즈마 강화 CVD (PECVD): 이 기술은 전기 플라즈마를 사용하여 전구체 기체에 에너지를 공급합니다. 이 추가 에너지는 훨씬 낮은 온도에서 화학 반응이 일어나도록 하여 웨이퍼 위에 이미 형성된 민감한 구조의 손상을 방지하는 데 중요합니다.

에피택시의 특수한 경우

에피택셜 증착 (Epi): 이는 단결정 실리콘 웨이퍼 위에 단결정 실리콘 층을 성장시키는 데 사용되는 고도로 전문화된 CVD 형태입니다. 새로운 층은 기판의 결정 구조를 완벽하게 모방하여 우수한 전자적 특성을 가진 흠잡을 데 없는 박막을 생성합니다.

물리 기상 증착(PVD) 이해하기

PVD는 본질적으로 가시선 공정(line-of-sight process)이므로 평평한 표면에 박막을 빠르게 증착하는 데 탁월합니다. 반도체 제조에서 가장 일반적인 PVD 기술은 스퍼터링입니다.

스퍼터링 설명

스퍼터링에서는 원하는 증착 재료로 만들어진 타겟이 진공 챔버 내에서 고에너지 이온(일반적으로 아르곤)으로 폭격됩니다.

이 폭격은 타겟에서 원자를 물리적으로 튕겨내고, 이 원자들은 웨이퍼로 이동하여 증착됩니다. 이는 알루미늄, 구리, 티타늄과 같은 금속을 배선용으로 증착하는 데 사용되는 매우 다재다능한 방법입니다.

기타 PVD 방법

또 다른 PVD 기술은 증발(evaporation)로, 소스 재료를 진공에서 가열하여 증발시킵니다. 기체 상태의 원자는 웨이퍼로 이동하여 응축되어 박막을 형성합니다. 고급 로직 칩에는 덜 일반적이지만 다른 전자 제조 분야에서는 여전히 사용됩니다.

원자층 증착(ALD)의 부상

미세한 3차원 트랜지스터를 가진 가장 진보된 칩에는 궁극의 정밀도를 가진 기술이 필요합니다. 바로 여기서 원자층 증착(ALD)이 등장합니다.

층별 접근 방식

ALD는 증착 공정을 순차적이고 자기 제한적인 단계로 나누는 CVD의 하위 유형입니다. 웨이퍼를 하나의 전구체 기체에 노출시켜 정확히 하나의 원자층을 형성한 다음 챔버를 퍼지합니다. 그런 다음 두 번째 전구체를 도입하여 첫 번째 층과 반응시켜 박막을 원자층 단위로 완성합니다.

ALD가 중요한 이유

극도로 느리지만 ALD는 박막 두께와 순응도(conformality)—즉, 믿을 수 없을 정도로 복잡하고 깊은 트렌치형 구조 위에 완벽하게 균일한 박막을 증착하는 능력—에 대해 탁월한 제어력을 제공합니다. 이는 현대의 FinFET 트랜지스터 및 고급 메모리 장치에 필수적입니다.

상충 관계 이해하기

증착 기술을 선택하려면 상충되는 우선순위의 균형을 맞춰야 합니다.

순응도 대 속도

CVD, 특히 ALD는 순응도에서 뛰어납니다. 전구체 기체가 복잡한 표면의 모든 부분에 도달할 수 있기 때문에 결과 박막은 매우 균일합니다.

PVD는 가시선 기술입니다. 스프레이 페인트 캔처럼 "볼 수 있는" 부분을 덮기 때문에 깊은 트렌치의 바닥과 측벽을 고르게 덮기가 어렵습니다. 그러나 PVD는 일반적으로 ALD보다 훨씬 빠릅니다.

온도 대 박막 품질

LPCVD와 같은 고온 공정은 종종 매우 고품질의 박막을 생성합니다. 그러나 고온은 이전에 증착된 층을 손상시키거나 변형시킬 수 있습니다.

PECVD는 여기서 해결책으로, 플라즈마를 사용하여 낮은 온도에서 고품질 증착을 가능하게 합니다. PVD 역시 저온 공정일 수 있습니다.

비용 대 정밀도

APCVD 또는 PVD와 같은 간단하고 빠른 공정이 운영 비용이 저렴합니다. ALD는 느리고 다단계적인 특성과 복잡한 툴링으로 인해 가장 비싸지만 다른 방법으로는 얻을 수 없는 수준의 정밀도를 제공합니다.

올바른 증착 전략 선택

기술 선택은 생성하려는 특정 박막 층의 요구 사항에 따라 전적으로 결정됩니다.

• 상대적으로 평평한 표면 위의 대량 금속 배선에 중점을 두는 경우: PVD(스퍼터링)가 효율적이고 비용 효율적인 선택입니다.
• 완만한 지형 위에서 고품질 절연 박막을 만드는 데 중점을 두는 경우: LPCVD 또는 PECVD와 같은 표준 CVD 방법이 품질과 처리량의 적절한 균형을 제공합니다.
• 최첨단 3D 트랜지스터의 게이트에 흠잡을 데 없는 박막을 만드는 데 중점을 두는 경우: 비용과 느린 속도에도 불구하고 ALD는 요구되는 정밀도와 순응도를 제공하는 유일한 옵션입니다.

궁극적으로 각 기술의 기본 원리를 이해하면 복잡한 반도체 제조 세계에서 올바른 작업에 올바른 도구를 선택할 수 있는 역량을 갖추게 됩니다.

요약표:

기술	주요 방법	주요 특징	일반적인 응용 분야
CVD (화학 기상 증착)	전구체 기체의 화학 반응	높은 박막 품질, 우수한 순응도, 다양한 압력/온도 옵션	절연층, 폴리실리콘, 에피택셜 성장
PVD (물리 기상 증착)	고체 타겟으로부터의 물리적 이동	가시선, 빠른 증착, 낮은 온도	금속 배선(Al, Cu, Ti), 접촉
ALD (원자층 증착)	순차적, 자기 제한적 화학 반응	궁극의 정밀도, 완벽한 순응도, 매우 느림	첨단 3D 트랜지스터, 하이-k 게이트 유전체

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