Thin-film Processes - Thin Film Deopsition (I) - Thin Film 이란? ; 열적성장이나물리적증착, 혹은화학반응에의해증착 (depositon) 되는금속, 반도체, 부도체의얇은층 ( 수나노 ~ 수백나노 ) Thin Film Process 란? ; thin film deposition ( 증착 ), photolithography ( 사진식각 ), plating ( 도금 ) 및 etching ( 에칭 ) 기술을이용하여원하는형상의회로를형성하는일련의과정 Thin Film Deposition Plating Etching Photolithography Thin Film Processes Deposition PVD CVD (Physical Vapor (Chemical Vapor Deposition) Deposition) Etc. Fig. Thin film processes Fig. Thin film deposition methods 1. Thin Film Deposition Deposition 이란? ; 진공중에서코팅시키고자하는물질을물리적 (physical) 방법또는화확적 (chemical) 방법으로기화또는승화시켜서원자또는분자단위로기판표면에응고되게함으로써피막을형성시키는방법. ; 증착은도금물질계및응고방법에따라물리기상증착 (physical vapor deposition ; PVD) 과화학기상증착 (chemical vapor deposition ; CVD) 으로나눈다. 1) Physical vapor deposition ; 원하는물질의박막물질의기판이나덩어리에에너지를가하여운동에너지를가지는해당물질이물리적으로분리되어다른 substrate에쌓이게하여박막을만드는방법 ; 크게 evaporation ( 증발법 ) 과 sputtering ( 스파터링 ) 으로나눌수있다. 1/18
1 Vacuum Evaporation ; 진공으로된용기내에서증착하고자하는물질을가열하여증기압을상승시켜기판위에증착되게하는방법 Fig. 진공증착장치의기본구조 증착률은증기압에비례 -> 충분히큰증기압을갖는상태에서증착 보통증기압이 10mTorr (1.33 10-2 mbar) 이상되어야함. ex) Al; 1000 이상, Mo; 2500 이상 용기내의가열되어증기상태로기체화된물질분자가이동하여기판에도달하는동안용기내의잔존하는다른물질분자들과충돌하지않고직진해야한다. -> 기체분자의자유행정거리 (mean free path) λ 을장치크기 m 보다훨씬크게하여분자흐름이되게함. λ = kt 2πd where d : 기체분자의직경, P : 압력, T : 절대온도 2 P Fig. 온도에따른증기압 2/18
< 진공증착의장점 > - 증착률을크게할수있다. (0.5 μm/min) - 고진공으로순수한박막을얻을수있다. - 기체분자및원자에너지가 0.1 ev 정도의낮은에너지로기판에손상을주지않는다. (1 ev = 1.60217733 10-19 J) < 단점 > - 정확한합금성분조절이어렵다. - 기판의 in-situ cleaning이불가능하다. - X-선손상이발생한다. (E-beam 사용경우 ) 박막두께예측 - 가정 ) 증착시키고자하는물질 Q가원점에있을때열에너지를받은물질이분자형태로원점위치에서떨어져나와모든방향으로동일한분포로이동 - 방법 ) 반경 4인구의면적은 2 O k = 4πr 이므로 do k 인구의표면에증착될양 dm은 do m k dm = m = 2 Ok 4πr do where do k = do cosβ 이므로 m dm = do cos β 4πr 2 또한, h 2 2 + x 0 = r 2, cosβ = h / (h 2 +x 2 0 ) 1/2 k dm m 4π h = 3 / 2 2 2 ( h + x ) 0 do 따라서, do 에증착되는질량 dm 의밀도가 ρ 라면증착되는박막의두께 t 는 dm t = ρ do = 4πρ h m x0 + h 2 1 2 3 / 2 - 같은높이에있는기판들은소스바로위의위치에있는기판에생성된박막두께에비해가장자리로갈수록박막두께가감소함. 따라서, 균일한박막두께를요할경우기판들을증착시킬물질원을중심으로하는구면에상응한위치에고정할필요가있다. 3/18
Vacuum Evaporation의종류 ; 증착시키고자하는물질을가열하는방법에따라구분 가 ) - 가장간단한증착방법 - 대체적으로의증착에유리 - 등의물질로보트를만들고증착시킬물질을얹어을일으킴. < 장점 > - 셋업이간단하고장비가저가 < 단점 > - 보트자체증발도동시에발생하여박막에불순물도첨가 - 두꺼운막을얻기힘듬 - 고융점금속 (W. Mo, etc) 의박막형성에는사용할수없다. - 낮은밀착강도코일히터증착재료 (W, Mo 등 ) 히터 ( 스파이럴 ) 증착재료 (Al, Cu 등 ) (a) 코일형증발원 (b) 스파이럴형증발원 증착 ( 벌크, 분발 ) 재료 보트 증착재료 도가니 히터 (c) 보트형증발원 (d) 도가니형증발원 Fig. 저항열증착법에사용되는증발원 나 ) - 고주파유도가열코일을 BN(boron nitride) 로만들어진도가니주위에감아고주파전류를흘려가열시키는방법 4/18
< 장점 > - BN은열에잘견디고가공하기쉬운부도체로증착시킬물질을담는용기제작에적합 < 단점 > - 장비및공정이복잡 Fig. 유도가열 Fig. e-beam evaporator 다 ) - Electron Beam Source인 hot filament에전류를공급하여나오는전자 beam(3 ~ 20 KeV) 을하여이전자빔을증착물질에집중적인시켜증착시키는방법 - 증착재료의융용점이높은경우 (W, Nb( 니오브 ), Si) 에주로사용 < 장점 > - 증착속도가빠르다 (5 nm/sec 가능 ) - 고융점재료의증착가능 - 기판이증착재료주위를회전하므로균일한증착막을얻을수있음 - 상대적으로많은증착재료를공급할수있으므로후막생성가능 - 도자기로부터불순물혼입이없음. - Multiple deposition 가능 - 높은밀착강도 ( 증발물질이비교적높은에너지를가짐 ) - 증착물질이국부적으로용융, 기화되므로도가니와접촉하지않음 < 단점 > - X-ray 발생 ( 가속전압 10 KV 이상 ) - 전자빔 source 위에원자의농도가크므로 discharge가심하다 5/18
Thin-film Processes - Thin Film Deopsition (II) - Sputtering 1) Physical vapor deposition ; 원하는물질의박막물질의기판이나덩어리에에너지를가하여운동에너지를가지는해당물질이물리적으로분리되어다른 substrate에쌓이게하여박막을만드는방법 ; 크게 evaporation ( 증발법 ) 과 sputtering ( 스파터링 ) 으로나눌수있다. 1 Vacuum Evaporation ; 진공으로된용기내에서증착하고자하는물질을가열하여증기압을상승시켜기판위에증착되게하는방법 2 Sputtering ; 시켜증착물질의원자와분자가떨어져나와다른 substrate에박막을만드는방법 What s sputtering? 고체의표면에고에너지의입자를충돌시키면 target 물질의원자가완전탄성충돌에의해운동량을교환하여표면에서밖으로튀어나오게된다. 이처럼 ion이물질의원자간결합에너지보다큰운동에너지로충돌할경우이 ion 충격에의해물질의격자간원자가다른위치로밀리게되며, 원자의표면탈출이발생하게되는현상을물리학에서 sputtering 이라고말한다. Substrates Plasma Generator Gas supply Target (Cathod) Fig. Sputter 원리 Vacuum pump Fig. Sputtering 장비 6/18
Source < 장점 > - 넓은면적에균일한박막두께증착가능 - 박막두께조절이비교적용이함 - 스텝커버리지 (step coverage) 가좋음 - 보통진공증착법으로형성불가능한 W, Mo등의고융점박막형성가능 - 뛰어난부착력 ; 입사이온의에너지가대개수 kev ~ 수십 kev 로상당히크며스퍼터된입자의평균에너지가수십 ev로상당히큼 Partially shadowed region Totally shadowed region < 단점 > - 고가장비 - 낮은증착률 - 불순물증착 표. Evaporation법과 Sputtering법의비교 Evaporation Sputtering Deposition rate Thousand atomic layer / s One atomic layer / s 증착물질 Limited Almost unlimited Surface damage Low Damage Alloy 조성 Difficult Easy 박막의균일성 Difficult Easy 박막의부착성 Poor Excellent Shadowing effect Large Small Cost Low Expensive 참고 ) Reactive sputtering ( 반응성스파터링 ) - 전통적인스파터링방법에서 Target은박막과똑같은물질로만들고순수아르곤을사용한다. - 반응성 Process로만드는박막은 Target물질과반응성가스의화학화합물로이가스 ( 즉산소, 질소 ) Process 중아르곤과섞이고 Plasma 속에서의물질반응과박막의원자또는분자는반응산출물에의해만들어진다. 그래서 TiN 또는 SiO 2 막을증착할수있다. 7/18
2) ; 원료로 해서기판표면에서 하는방법으로 박막을구성하는원소의화합물들은기체또는증기의상태로만들어서 가열된기판위에서반응이일어나도록하여필요한원소들만기판에 침착되도록하는방법 Fig. CVD process 2. 1) CVD의분류 ; 반응로내부의압력정도에따라크게 APCVD(Atmospheric Pressure CVD : 상압화학기상증착 ) LPCVD(Low Pressure CVD : 저압화학기상증착 ) 로구분하며 APCVD는수행온도영역에의해 LTCVD (Low Temperature CVD : 저온화학기상증착 ) 과 HTCVD ( 고온화학기상증착 ) 등으로나눈다. 그외에 PECVD (Plasma Enhanced CVD), PHCVD (Photo-assisted CVD) 등이있다. ; 기본적으로 1 반응가스와희석가스의주입과측정및시간조절가능, 2 박막이형성될기판의가열과자동온도조절 3 반응폐기가스배출및안전한제거기능을갖추어야함. Fig. CVD 시스템의종류 8/18
CVD 반응의종류 CVD 반응 화학반응식 열분해 SiH 4 Si +2H 2 환원 WF 6 + 3H 2 W + 6HF 산화 SiH 4 + O2 SiO 2 + 2H 2 질화 3SiH 4 + 4NH 3 Si3N4 + 12H 2 탄화 2SiH 4 + C 2 H 4 2SiC + 6H 2 합성반응 (CH) 3 Ga + AsH 3 GaAs+ 3CH 4 1 APCVD (Atmospheric Pressure CVD) ; 상압 or 대기압화학기상증착이라고하며반응으로안을일정한온도로유지시킨후, 특정한 Gas를넣어화학적반응을일으켜 Wafer 위에원하는재질의막을입히는공정 N 2 Gas N 2 - Microelectronics 에서가장먼저 Wafer 사용된 CVD 시스템 - 대기압분위기, 300 ~ 500 의온도 < 장점 > Conveyor Exhaust - 반응장비제작이용이 belt - 낮은온도와높은증착률 (1000 Å / min) Fig. APCVD 반응장치 < 단점 > - 스텝커버리지가나쁘다. - 박막균일도가상대적으로떨어짐 - 불순물오염 - 가스소비가큼 2 LPCVD (Low Pressure CVD) ; 저압화학기상증착 Fig. LPCVD 반응장치 - 0.2 ~ 2.0 torr의압력과 300 ~ 900 의온도 < 장점 > - 스텝커버리지와박막균일도가좋다. - 낮은불순물입자유입률 - 9/18
< 단점 > - 증착률이낮다 (100 ~ 500 Å / min - 높은온도 3 PECVD (Plasma Enhanced CVD) ; 플라즈마보강기상증착으로 source gas의분해를플라즈마를이용함으로써비교적낮은온도에서 gas를분해시킴으로써박막증착을하는방법 < 장점 > - 저온프로세스 - 스텝커버리지와박막균일도가좋다. Fig. Schematic diagram of - Good adhesion plasma CVD apparatus. - 적은동공 (pinhole) 밀도 < 단점 > - Films are not stoichiometric ( 즉, Si 3 N 4 경우각원자의구성비가화학량론적으로정확하지않다.) - Variety and complex parameters for optimization condition 표. 각 CVD 프로세스의장단점 Process Advantages Disadvantages Applications APCVD ( 저온 ) 간단한장치높은증착률낮은온도 나쁜 step coverage 낮은효율 Low temp. oxides LPCVD 양호한순도, 균일성, Step coverage 높은온도낮은증착률 High temp. oxides, Silicon Nitride, Poly-Si, W, WSi 2 PECVD 낮은온도높은증착률 불순물나쁜 step coverage Low temp. Insulators over metals, Passivation(Nitride) 10/18
Single crystal Poly-crystalline Poly-crystalline columnar Nano-crystalline amorphous Fig. Different thin film texture 2.2) 각종박막 1 Poly-Silicon 형성 - 다결정실리콘은일반적으로 580 ~ 650 에서 에의해얻어진다. - 보통균일성, 순수도및경제성으로 LPCVD방법에의해제조됨. 공정조건 ) 100% SiH 4, 기압 : 0.3 ~ 1 Torr 25% SiH 4 /N 2 기압 : 0.3 ~ 1 Torr 25% SiH 4 /H 2 기압 : 0.3 ~ 1 Torr 화학반응 ) SiH 4 + 웨이퍼표면 SiH 4 ( 흡착 ) SiH 4 ( 흡착 ) SiH 2 ( 흡착 ) + H 2 ( 흡착 ) SiH 2 ( 흡착 ) Si ( 고체 ) + H 2 ( 흡착 ) 2H 2 ( 흡착 ) 2H 2 ( 기체 ) SiH 4 ( 기체 ) Si ( 고체 ) + 2H 2 ( 기체 ) 열분해반응 3 SiO 2 박막형성 ; CVD법으로생성된 SiO 2 는금속층의로사용되며, 으로도사용됨. 저온영역 (300 ~ 450 ) - 실레인 (SiH 4 ) 과산소 (O 2 ) 를이용하여박막을형성 - APCVD, LPCVD ( 분산주입형 ), 또는 PECVD 등사용 11/18
화학반응 ) SiH 4 + O 2 SiO 2 ( 고체 ) + 2H 2 ( 기체 ) ; 증착률은온도가증가할수록 O 2 /SiH 4 비율이증가할수록증대되나비율이너무크면기판표면에과도하게흡착된 O 2 가 SiH 4 의분해를방해하여증착률이감소 - PECVD 법을이용한다른방법으로아산화질소 (nitrous oxide; N 2 O) 를이용 (200 ~ 400 ) 화학반응 ) SiH 4 + 2N 2 O SiO 2 ( 고체 ) + 2N 2 + 2H 2 ( 기체 ) 홀형성이적고금속에대한접착력이매우강함 중온영역 (450 ~ 800 ) - LPCVD를이용한 Tetraethylorthosilicate (TEOS) 라고부르는 tetraethosiloxane Si(C 2 H 2 O) 4 의열분해에의해실리콘산화층을형성화학반응 ) Si(C 2 H 2 O) 4 + 12O 2 SiO 2 ( 고체 ) + 8CO 2 +10H 2 O 많은양의물이발생하므로박막층의질저하 균일성이좋고 step coverage가양호 고온영역 (900 이상 ) - LPCVD를이용한이염화실레인 (dichlorosilane) SiH 2 Cl 2 와산화질소 (nitrous oxide) N 2 0에의해실리콘산화층을형성화학반응 ) SiH 2 Cl 2 + 2N 2 O SiO 2 ( 고체 ) + 2N 2 + HCl Poly-Si위에 SiO 2 막을형성할때잘사용 균일성이좋음 간혹 HCl과 Poly-Si이반응하여박막균열을유발 4 질화실리콘 Si 3 N 4 박막형성 ; 물이나나트륨의확산이잘되지않는좋은확산방지막으로실리콘소자의최종보호막으로사용 고온 LPCVD 법 - 이염화실레인 (dichlorosilane) SiH 2 Cl 2 (700 ~ 800 ) 화학반응 ) SiH 2 Cl 2 + 3NH 3 Si 3 N 4 ( 고체 ) + 6 HCl + 6H 2 12/18
- 실레인 (SiH 4 ) 을사용시는 APCVD도사용 (700 ~ 900 ) 화학반응 ) 3SiH 4 + 4NH 3 Si 3 N 4 ( 고체 ) + 12H 2 5 텅스텐 W 박막형성 ; 전기적신호및전력선연결을위한재료로알루미늄이광범위하게쓰이나고온공정에적합하지않으므로 W, Ti, Mo, Ta 등의고융점금속이중요시되고있고 LPCVD 방법에의해텅스텐박막을만듬화학반응 ) 2WF 6 + 3Si 2W ( 고체 ) + 3SiF 4 ( 기체 ) WF 6 + 3H 2 W + 6HF ( 기체 ) 처음 Si와반응된 WF 6 에의해 Si 소모가나타나나, 생성된텅스텐층으로인해 Si 소모가중단되고 WF 6 와 H 2 의연이은반응에의해 W박막이생성 실리콘 ( 약 3 ppm/k) 과근접한온도팽창계수 ( 약 4.5 ppm/k) step coverage 특성이좋고타물질에비해저항성분이낮아중요도선재료로취급 SiO2나 SiN4 층에약한접착력 400 이상에서산화층형성 600 이상에서 silicide 형성 13/18
Thin-film Processes - Thermal Oxidation 1. Silicon thermal oxidation Thermal Oxidation 이란? Si기판을고온 (800~1200 ) 하에서에노출시키면산소분자가표면에부착하여산화막 (SiO 2 ) 을형성한다. 또한 SiO 2 에부착된산소분자는 SiO 2 안으로확산에의해통과하여 Si와 SIO 2 의계면에도달하여 Si과반응하여 SiO 2 가형성 1.1 Si 산화막의역할 (1) ; 웨이퍼표면을외계로부터보호 (2) ; 예 ) MOSFET 게이트산화막참고 ) - active device : MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), 다이오드, 바이폴라접합트랜지스터 (BJT), JFET, 갈륨비소 (GaAs)FET 등 - passive device : 저항, 커패시턴스, 자기인덕턴스, 상호인덕턴스, 전송선로등 (3) ; LSI 다층배선의층간절연물, 불순물도입의마스크 SiO 2 Si wafer (a) passivation (b) MOSFET 게이트산화막 (c) 각종절연기능 (c) 불순물주입마스킹기능 Fig. Si 산화막의역할출처 ) 반도체공정교육및지원센터 14/18
열산화막의장점 - 안정한절연막 - 막질이우수 - Si과매우안정한 interface 1.2 산화막형성법 Fig. Schematic view of thermal oxidation (1) ; 순수한하여약 900~1250 온도로가열하여산화막을형성하는방법 Si (solid) + O 2 (gas) = SiO 2 (solid) 특징 - 산화막형성이느리다. - 조밀성이우수, 막질이우수 (2) ; 를산화기체로사용하여약 900~1000 온도로가열 Si (solid) + 2H 2 O (gas) = SiO 2 (solid) + 2H 2 (gas) 특징 - 산화막형성이빨라두꺼운산화막을형성하거나단시간산화가필요한경우유용 - 조밀성이상대적으로떨어지고, 막질이떨어짐 (3) 응용산화방법 1 Steam oxidation ( 수증기산화법 ) ; Wet 산화방식과같으나적당량의 O 2 와함께공정로관속에 H 2 가주입하여산화막을형성 2 High pressure oxidation ( 고압산화법 ) ; 산화온도를낮추어디바이스의열영향을감소시키고 wafer의휨이나변형등의발생을줄이고산화속도는증대시킬목적으로사용 15/18
방법 ) 가압용기내에 10기압정도의 N 2 가스를채우고석영관과히터를용기내에설치한후산화분위기는 N 2 가스와같은압력의건조된산소나산소와수소를동시에흘려 ( 수소연소방식 ) 산화막생성 (7기압 1000 1.8 μm/100 min) Fig. 수소연소방식의고압산화로 3 플라즈마산화법 ; Si기판양쪽에백금전극을설치하고이사이에전압을걸어 SiO 2 막속을이동하는산화제의속도를증가시켜산화속도를크게할목적으로사용 4 Fig. 플라즈마산화 Fig. 고온산화속도 4 양극산화 ; 상온에서전기화학적으로기판을산화하는방법. 방법 ) 전해조속에서양극과연결된전극에 Wafer를연결하고백금과같은귀금속을음극에연결하여일정한전압을흐르게하면 Si-SiO 2 계면을떠난 Si이온이 SiO 2 막속을전계에따라이동하여산화막의표면에서산소와반응하여산화막이생성. 화학반응 ) Si + 2h + Si 2+ Si 2+ + 2(OH) - Si(OH) 2 Si(OH) 2 SiO 2 + H 2 Fig. 양극산화장치도 16/18
1.3 산화막성장 (1) 산화막두께 O 2, 2H 2 O d Si wafer 0.44d Fig. 산화시의실리콘소모 실리콘 1mol의체적 Molecular weight of Si 28.09 g/mol 12.06 cm /mol Density of Si = 3 3 2.33 g/cm = 산화막 1mol의체적 Molecular weight of SiO 2 60.08 g/mol 3 = = 27.18 cm /mol 3 Density of SiO 2 2.21g/cm 실리콘 1 mol이산화막 1mol로바뀌므로 Thickness of Si Area Volume of 1mol of Si 12.06 = = = 0.44 Thickness of SiO Area Volume of 1mol of SiO 27.18 2 참고 ) 산화막두께측정 Deal-Grove 산화모델 : B. E. Deal and A. S. Grove, General Relationship for the Thermal Oxidation of Silicon, Journal of Applied Physics, 36 (1965), 3770 (2) 산화막성장 온도가높을수록 O 2, H 2 O 압력이높을수록빠름 2 Fig. 건식산화및습식산화의온도에따른산화막성장 17/18
1.4 산화막구조 - 용융실리카, 용융석영 (fused silica) 라고하며, 1710 이하에서는열역학적으로불안정하여투명한비정질에서불투명한결정체로변형 Fig. 산소다면체와 Si 원자로구성된 SiO 2 Fig. SIO 2 내의불순물 - Network former ( 망형성자 ) ; B 3+, P 5+ 등과같은실리콘자리에들어오는격자형불순물 - Network modifier ( 망수정물 ) ; 석영유리구조가약해지고많은기공이발생하여들어간다른종류의불순물 - 잔존의 H2O가가교 (bridging) 산소이온과결합하여비가교수산기 (OH-) 쌍을만들어실리콘망을약화 H 2 0 + Si O Si = Si OH + OH - Si 18/18