ALD (Atomic Layer Deposition)

ALD의 원리: 자기 제한 반응

ALD는 1970년대 핀란드의 Tuomo Suntola가 ‘ALE(Atomic Layer Epitaxy)’라는 이름으로 처음 제시했다.

핵심 아이디어는 단순하다.

두 가지 전구체(또는 전구체와 반응체)를 같이 챔버에 흘리지 않고, 시간 차이를 두고 ‘교대로’ 흘린다.

첫 번째 전구체 펄스가 표면에 흡착해 한 단층을 채우고, 더 흡착할 자리가 없어지면 반응이 멈춘다(자기 제한).

그 다음 퍼지로 가스를 깨끗이 빼내고, 반응체(예: 물, 산소 플라즈마, 오존)를 펄스해 표면 단층을 박막으로 변환한다.

다시 퍼지를 거치면 한 사이클이 끝난다.

이 사이클을 반복해 박막이 자라며, 한 사이클당 두께는 약 0.5~1.5Å 수준이다.

사이클 구성과 박막 두께

이 ‘자기 제한’ 덕분에 ALD는 두 가지 강력한 특성을 가진다.

첫째, 두께 제어가 매우 정밀하다.

한 사이클이 곧 한 단계의 두께이므로, 사이클 수만 정확히 세면 ±수 % 이내로 박막 두께가 결정된다.

둘째, 등각성(conformality)이 매우 높다.

종횡비 50:1, 100:1의 깊은 구멍 안쪽까지 입구와 거의 같은 두께로 박막이 자라며, 이 점은 D램 캐패시터(고종횡비 실린더), 3D NAND 채널, 핀/시트 GAA 트랜지스터 형성에 결정적이다.

단점은 ‘느리다’는 것이다.

사이클당 1Å 정도라, 100Å을 만들려면 100사이클이 필요하고, 한 사이클이 수 초 이상 걸리면 수 분에서 수 시간이 소요된다.

ALD의 전구체 주입-퍼지-반응-퍼지 사이클 · 이미지 출처: Wikimedia Commons

대표 박막과 용도

박막 종류는 다양하지만, 양산 사용량이 가장 많은 것은 HfO₂(High-k 게이트), Al₂O₃(D램 캐패시터·게이트 인터페이스·패시베이션), ZrO₂(D램 캐패시터), TiN(베리어, 게이트), TaN(Cu 베리어), Ru/Mo(차세대 베리어/시드), SiO₂·Si3N4(절연·하드마스크) 등이다.

High-k 게이트 산화막이 양산에 들어간 45nm 이후, ALD는 첨단 노드의 사실상 ‘없어서는 안 될’ 공정이 됐다.

D램에서도 1z·1a·1b nm 노드의 캐패시터 구조는 ALD 없이는 불가능하다.

ALD 장비와 국내외 공급사

ALD 장비는 글로벌 공급사 중 ASM(네덜란드)이 첨단 High-k ALD에 강하고, AMAT·LAM·TEL이 다양한 ALD 라인업을 가진다.

한국에서는 주성엔지니어링·원익IPS·유진테크·테스·NCD·EUGENE·LAB Cluster 같은 회사가 ALD 장비 시장에서 활동한다.

국산 ALD 장비는 D램·3D NAND·디스플레이의 일부 양산 라인에 폭넓게 도입돼 있다.

ALD vs CVD: 언제 ALD를 쓰는가

ALD vs CVD의 선택은 응용에 따라 다르다.

CVD는 빠르고 두껍게 입히는 데 좋고, ALD는 얇고 균일하게 입히는 데 강하다.

같은 SiO₂라도 두꺼운 절연막은 CVD로, 게이트 산화막의 인터페이스 층은 ALD로 만들 수 있다.

같은 TiN이라도 후막 베리어는 CVD/PVD로, 얇은 게이트 워크함수 메탈은 ALD로 한다.

둘은 경쟁이 아니라 ‘분업’ 관계다.

첨단 노드에서의 ALD 비중

첨단 노드에서 ALD의 비중은 빠르게 늘고 있다.

GAA 트랜지스터의 시트 사이 절연막·게이트 메탈은 ALD가 사실상 유일한 후보고, D램 EUV 도입과 1c 노드의 캐패시터 구조도 ALD 비중을 키운다. 3D NAND는 단수가 늘어날수록 깊은 채널홀과 워드라인 메탈 채움에서 ALD 의존도가 높아진다.

차세대 인터커넥트 베리어로 코발트(Co)·루테늄(Ru) ALD가 도입되고 있다.

그래서 ALD 장비 매출은 CVD·PVD 대비 훨씬 빠르게 성장하는 추세고, 글로벌 장비 회사 모두 ALD 라인업을 강화하고 있다.