반도체 공정 #7 Deposition - CVD

이번에는 지난 시간에 이어 Depo 그 두번째 CVD(Chemical Vapor Deposition)을 공부 할 생각이다.

 

CVD(Chemical Vapor Deposition)

 

기체 상태의 source를 공급하여, 기판 또는 표면에서의 화학반응에 의하여 박막을 형성하는 기술

열 인가 혹은 Plasma를 형성하여 높은 반응성의Radical 생성 기판에서 화학 반응을 일으켜 박막을 형성한다.

 

CVD 반응 Mechanism

CVD process

①~② : 가스의 유입 확산

Reactant Gas가 들어오고 확산을 통해서 기판 근처 까지 유입 된다. 이때 가스의 Flow는 크게 2가지인 난기류라고 불리는 Turbulance flow와 부드럽게 유입되는 laminar flow가 있고, CVD는 박막의 conformity를 위해서 Gas가 부드럽게 유입이 되는 laminar flow를 유도해야 한다.

 

③,④,⑤ : Adsorption, Surface Reaction, Nucleation Desorption of product

기판과 접촉한 Gas들이 반응을 하는 과정이다.

2AB(Gas) → 2A(Solid) + B2(Gas)

 

⑥~⑦ : by-product delete

반응 중에 기판과 떨어져 나온 (desorption) by-product가 빠져 나가는 과정.

 

CVD 조건

Gas의 반응으로 고체 상태의 박막을 형성하기 위한 조건

<CVD condition>

1. 반응 기체와 반응 생성물의 free E 차이가 커서 자발적 반응 가능

2. Film은 고체, 나머지 반응 생성물은 volatile 해야함

3. Activation E 가 존재

 

CVD 성장 매커니즘

 

CVD를 통한 증착은 두가지 step으로 이루어져있다.

step1: Mass transfer(diffusion) 온도비례 상승

step2: Reaction 온도비례 하락

 

반응 속도 결정 단계

 

어떤 반응이 여러 단계를 거칠 때 그중 가장 느린 단계가 전체 반응 속도를 결정한다.

반도체 공정은 Batch process균일성을위해 Reaction limited 가 되도록 해야한다.

즉 Diffusion이 빠르고 Reaction이 느린 공정으로 진행해야한다.

 

 

 

오른쪽으로 갈수록 저온이고, 고온으로 갈수록 Mass transfer 영역이되는데, 반도체 소자 공정에서 고온일 경우 재료가 녹을 수 있다는 문제점 때문에 Reaction 영역으로 유도해야한다.

 

CVD 장비의 종류

 

① APCVD(atmospheric pressure chemical vapor deposition) - 상압에서 진행하는 CVD

장점: 장비가 단순하고 저렴하며 공정이 빠르다.

단점: 증착이 불균일하게 되고 stepcoverage가 나쁘다.

종류: rotary vertical , plenum, nozzle type 등

② LPCVD(Low pressure Chemical Vapor Deposition) - 압력을 낮춘 상태에서 진행하는 CVD

온도를 낮추면 속도가 느려지고 온도를 높이면 균일한 증착이 어려워진다. 이때 압력을 낮추면 Diffusion이 증가해서 온도 증가의 부담이 줄어든다. 

장점: Batch Process 용이, conformal Growth 좋음, 더 높은 온도에서 surface reaction limited가 가능

 

③ PECVD (plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) - 챔버내 혼합 기체에 전자기E 인가하여 plasma 상태 형성 후 박막 증착.

LPCVD의 경우 열을 통해 E를 제공하여 아무리 온도가 낮춰도 어느정도의 값은 필요하다. 따라서 소자가 작을수록 열이 미치는게 많아지는 공정에서는 열팽창에 의한 Damage가 있을수 있기 때문에 LPCVD의 경우 소형화에는 불리한 점이 존재한다. 

장점: 저온 증착(약 400도)이 가능해서 열팽창에 의한 피해를 줄일 수 있다.

단점: plasama 농도가 낮아서 impurity가 많고, Step coverage는 여전히 낮다.

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④ HDPCVD (High density plasama CVD) - PECVD의 플라즈마 농도를 수십배 이상 높인 CVD

ICP방식 등을 통해서 플라즈마 밀도를 높인다.

장점: 낮은 온도로 증착이 가능, 높은 박막 퀄리티, Good step coverage

Deposition + Sputter(에칭) 두 방법이 돌아가면서 진행되는 장비이다.

 

 

 

 

오늘은 시간이 없어서 간단하게 여기까지만 하는걸로 ^^

다음 시간에는 ALD를 소개하고 세가지 depo를 비교할 예정~~~

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