반도체 8대 공정이란? 5. 증착&이온주입 공정 제대로 알기 (PVD, CVD, 증발법, 스퍼터링, LPCVD, PECVD, 이온주입공정)

증착공정이란?

증착 공정은 얇은 두께의 박막(thin film)을 형성하는 공정입니다. 이 때 박막(thin film)이란 0.1nm이하의 얇은 막을 의미합니다. 

 

증착 공정에는 크게 물리적 기상증착방법(PVD, Physical Vapor Deposition)과 화학적 기상증착방법(CVD, Chemical Vapor Deposition)으로 나뉩니다.

출처: 반도체 8대 공정 6탄. 반도체가 원하는 전기적 특성을 갖게 하려면? – 삼성반도체이야기 (samsungsemiconstory.com)

물리적 기상증착방법(PVD, Physical Vapor Deposition)

물리적 기상증착방법(PVD, Physical Vapor Deposition)은 금속 박막 증착에 쓰이며, 증착물질에 직접적인 물리적 힘을 가하여 증착하게 됩니다. 크게 증발법(Evaporation)과 스퍼터링(Sputtering)이 있습니다.

 

증발법(Evaporation)

증발법(Evaporation)은 열적 증발법과 E-beam 증발법이 있습니다.

 

열적 증발법은 챔버를 고진공으로 만들고 증착 물질을 가열함으로써 증착물질을 증발시켜 기판에 증착하는 방법입니다. MFP(Mean Free Path) 확보를 위해 고진공에서 이루어집니다. 또한 낮은 Step coverage를 가지게 됩니다. 도가니(Crucible) 안에 증착 물질을 담은 후 가열하여 증발시킵니다.

출처: Thermal Evaporation - an overview ScienceDirect Topics

 

E-beam 증발법은 고진공에서 필라멘트에서 나오는 전자빔을 에너지원으로 사용하여, 소스에 입사시켜 가열하는 방법입니다.

 

스퍼터링(sputtering)

스퍼터링법은 높은 에너지의 기체 양이온 입자를 증착하고자 하는 타겟 물질과 충돌시켜 이 때 충돌로 튀어나온 원자를 기판 표면에 증착시키는 방법을 말합니다.

 

- 진공 상태의 챔버에 Ar 가스를 채웁니다. 증착 기판에는 양극(anode)를 연결하고 시료가 있는 기판에는 음극(cathode)을 연결합니다.

- 챔버 내에 Ar 가스를 넣습니다.

- 고전압을 발생시켜 음극에서 양극으로 전자가 이동하게끔 합니다.

- 이 때 전자 이동으로 Ar과 전자가 충돌하여 Ar+로 이온화되고, 시료가 있는 음극에 충돌합니다.

- 이 때 Ar+과 충돌한 시료의 원자가 튀어나오고 이 원자들이 기판에 증착되면서 박막을 형성합니다.

출처: Fundamentals of sputtering (thfc.de)

 

화학적 기상증착방법(CVD, Chemical Vapor Deposition)

화학적 기상증착방법은 증착 물질의 화학적 반응을 통해 기판에 증착하는 방법을 의미합니다. 현재는 반도체 공정에서 화학적 기상증착방법을 주로 사용하고 있습니다. 대표적으로 LPCVD, PECVD에 대해 살펴보겠습니다.

 

LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)

LPCVD는, 대기압 수준에서 열에너지에 의존해서 반응하는 APCVD(Atmospheric CVD)와 다르게 저압에서 수행하는 화학적 기상증착방법입니다.

 

APCVD: 상압, 간단한 구조, 불순물이 많음, uniformity 안 좋음.

LPCVD: 저압, 불순물 감소, uniformity 좋음, 대량 생산이 가능.

 

기본적으로 LPCVD는 저압이기 때문에 불순물이 적습니다. 증착 속도는 APCVD에 비해 느리나, Batch process로 일괄 증착이 가능하기 때문에 생산성이 좋습니다.

 

PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)

PECVD는 교류전원 공급장치에 의해 생성된 플라즈마를 이용하는 화학적 기상증착방법입니다.

- 교류전원 공급장치에 의해 플라즈마 생성됨

- 플라즈마에 의한 높은 에너지의 전자가 중성 상태의 가스분자와 충돌하여 가스를 분해함

- 이온화된 가스가 박막을 형성

 

PECVD는 증착 속도가 빠르지만 LPCVD 대비 불순물이 많습니다.

 

이온주입공정이란?

이온 주입 공정은 반도체에 전기를 흐르게 하는 불순물 원소를 주입하는 공정입니다. 순수 반도체는 규소로 되어 있어 전기가 통하지 않지만, 불순물을 넣어 전류가 흐르게 전도성을 갖도록 합니다.

 

- 불순물 종류에 따라 N형 반도체와 P형 반도체를 만들 수 있습니다.

- 과거에는 확산(Diffusion) 공정을 통해 주입하였고, 고온 열처리와 장시간 소요, 등방성인 단점(형상 모양 생성에 어려움)이 있습니다.

- 이온 형태로 직접 주입하는 이온주입공정으로 바뀌었습니다.

출처: [반도체 8대 공정] 6탄, 반도체에 전기적 특성을 입히다! 증착&이온주입 공정 – 삼성반도체이야기 (samsungsemiconstory.com)