CVD (Chemical Vapor Deposition)

CVD의 원리와 분류

CVD는 ‘화학 반응으로 박막을 자라게 하는’ 가장 보편적인 증착 방식이다.

챔버에 SiH4·NH3·N2O·TEOS·WF6·DCS·BTBAS 같은 전구체 가스를 흘리면, 열 또는 플라즈마가 가스를 활성화시켜 표면에서 분해·반응이 일어나고 박막이 자란다.

박막 종류와 두께가 매우 다양해 양산 라인의 ‘기둥’ 역할을 한다.

PECVD 장비의 기본 구조 · 이미지 출처: Wikimedia Commons

LPCVD, PECVD, HDPCVD, MOCVD

분류는 보통 압력과 활성화 방식으로 한다.

APCVD는 거의 상압에서 동작해 대량 처리에 유리하지만 입자·균일도 관리가 어렵고, LPCVD는 저압(수백 mTorr)에서 고온(600~900도)으로 동작해 매우 균일하고 치밀한 막(예: 폴리실리콘, 질화막)을 만든다.

PECVD는 RF 플라즈마로 가스를 활성화해 비교적 낮은 온도(200~400도)에서도 박막을 형성한다.

BEOL 절연막, 저열 예산 응용에서 주로 사용된다.

HDPCVD는 고밀도 플라즈마와 동시 식각 효과를 결합해 좁은 트렌치 안쪽까지 빈틈없이 채운다.

SACVD/HARP(High Aspect Ratio Process)는 STI 갭필 같은 깊은 구멍 채움에 사용된다.

MOCVD는 유기금속 전구체로 GaAs·GaN·LED 같은 화합물 반도체 성장에 사용된다.

주요 박막과 응용

박막은 응용별로 매우 다양하다.

SiO₂는 STI 채움·인터레이어 절연·캡핑·패시베이션에, Si3N4는 하드마스크·스페이서·확산 방지·보호막에, SiON·SiCN은 저유전·확산방지·식각 정지층에, polysilicon은 게이트·로컬 인터커넥트에, W는 컨택·게이트·BCAT·3D NAND 워드라인 메탈에, TiN은 베리어·게이트 메탈에, low-k는 BEOL 절연막에 사용된다.

같은 SiO₂라도 BPSG, USG, TEOS 기반, HDP 등 다양한 변종이 있고, 각각의 응력과 조성, 식각 특성이 다르다.

갭필과 STI 채움

갭필 능력은 CVD의 큰 차별 포인트다.

STI 트렌치, 컨택홀 사이의 좁은 공간을 빈틈없이 채우는 것은 매우 어렵다.

단순 LPCVD는 갭 입구가 먼저 막혀 보이드(void)가 만들어진다.

HDPCVD는 동시에 일어나는 식각이 입구를 깎아 주어 깊은 곳까지 채울 수 있고, HARP는 오존 기반 화학으로 좁은 갭에서도 균일하게 자라는 특성을 활용한다.

첨단 노드에서는 ALD로 라이너를 깔고 CVD로 채우는 ‘ALD+CVD 하이브리드’가 일반적이다.

ALD와의 분업 관계

ALD와의 분업은 분명하다.

ALD는 13nm짜리 정밀 박막, CVD는 10100nm 이상의 두꺼운 박막에서 강하다.

게이트 산화막의 인터페이스는 ALD가, 그 위 메탈 게이트 후속 두꺼운 폴리/메탈은 CVD가 만든다.

D램 캐패시터는 ALD로 정밀한 절연막을 입히고, 메탈/실리콘 매립은 CVD로 채운다. 3D NAND는 채널 라이너는 ALD, 채널 폴리실리콘은 CVD, 워드라인 메탈은 ALD/CVD 조합이다.

즉 CVD는 ALD가 강한 곳을 빼앗기는 게 아니라, ‘각자의 잘하는 영역’으로 분담된다.

결함과 챔버 관리

결함은 보이드, 핀홀, 입자, 박리, 비균일 두께, 비균일 굴절률(조성 불균일), 표면 거칠기 등이 흔하다.

결함은 챔버 컨디션·전구체 라인 막힘·MFC 오작동·웨이퍼 표면 사전 조건과 직결된다.

챔버 관리는 PECVD에서 특히 중요하다.

챔버 내부에 박막 부산물이 누적되면 입자 결함이 증가하고, in-situ 클린(예: NF3 플라즈마 클린)을 정기적으로 수행해야 한다.

양산 라인은 챔버별로 누적 박막 두께를 모니터링해 클린 주기를 관리한다.

CVD 장비는 AMAT(Centura, Producer 시리즈), LAM(Vector, Sense.i), TEL(Trias, Tactras), ASM(Eagle XP), 그리고 한국의 원익IPS·주성·테스·테크엘·NEW POWER PLASMA 같은 회사가 공급한다.

디스플레이용 PECVD에는 한국 회사들이 강한 점유율을 가진다.