증착 공정 (Deposition)

증착 공정의 큰 분류

증착 공정은 ‘웨이퍼 위에 박막을 얹어 자라게 하는’ 모든 공정을 통칭한다.

같은 ‘증착’이라도 화학 반응으로 자라게 할 것인지, 물리적으로 입자를 떨어뜨려 쌓을 것인지, 한 원자층씩 차근차근 쌓을 것인지에 따라 방식이 갈린다.

양산 라인에서 사용되는 박막은 SiO₂(절연), Si3N4(절연·하드마스크), SiON·SiCN(저유전·확산방지), HfO₂(High-k 게이트), TiN·TaN(베리어), W(컨택·게이트), Cu(메탈 라인), Co·Ru(베리어/시드), Low-k(BEOL 절연막), 그리고 다양한 hard mask까지 매우 다양하다.

같은 SiO₂라도 게이트 산화막용, STI 라이너용, 인터레이어 절연막용, 패시베이션용으로 요구 조건이 모두 다르다.

스퍼터 증착 장비와 e-beam evaporator가 있는 클린룸 bay · 이미지 출처: NIST

박막 종류와 용도

CVD(Chemical Vapor Deposition)는 가장 보편적이다.

챔버에 전구체 가스(예: SiH4, TEOS, NH3, WF6, TaCl5)를 흘려 넣으면 가열 또는 플라즈마로 분해돼 박막이 자라게 된다.

PECVD(Plasma Enhanced CVD)는 플라즈마 도움으로 비교적 낮은 온도(300~400도)에서도 박막을 형성하고, LPCVD는 고온·저압에서 균일하고 치밀한 막을 만든다.

SACVD(Sub-Atmospheric CVD)·HDPCVD(High Density Plasma CVD)는 STI 갭필처럼 좁은 공간을 채울 때 사용된다.

CVD vs ALD의 차이

ALD(Atomic Layer Deposition)는 ‘한 원자층씩 자라게 하는’ 정밀 공정이다.

전구체 펄스 → 퍼지 → 반응체 펄스 → 퍼지의 사이클을 반복해 자기 제한 반응으로 막이 자란다.

사이클당 약 1Å 수준의 두께가 자라고, 종횡비가 수십 대 1인 깊은 구멍 안에도 균일한 박막을 형성할 수 있다.

High-k 게이트, D램 캐패시터, 3D NAND 채널, 베리어 메탈, 저열 예산 응용에 폭넓게 사용된다.

PVD와 메탈 박막

PVD(Physical Vapor Deposition)는 ‘물리적 증착’이라는 이름대로, 타깃에 이온을 충돌시켜 원자가 떨어져 나오게 한 뒤 그 원자를 웨이퍼에 쌓는다.

스퍼터링이 대표적이고, 메탈(Al, Ti, TiN, Ta, Cu 시드층 등)을 빠르게 두꺼운 막으로 형성하는 데 적합하다.

한 가지 단점은 깊은 홀이나 좁은 트렌치 안쪽에 박막을 균일하게 입히기가 어렵다는 점이다.

그래서 첨단 노드에서는 PVD가 메탈 시드층·베리어 일부에서 ALD에 자리를 양보하고 있다.

전기도금과 다마신

전기도금(electroplating)은 메탈 라인 형성에 결정적이다.

다마신(damascene) 공정에서 트렌치와 비아를 ALD/PVD로 베리어·시드층을 깔고, 그 위에 전기도금으로 Cu를 채운 뒤 CMP로 평탄화한다.

이 흐름이 90nm 이후 BEOL의 표준이 됐다.

스핀온(SOG, SOD)은 액체 형태의 절연·하드마스크 재료를 스핀 코팅으로 입히고 베이크해서 박막을 만드는 방식이며, 일부 절연막·하드마스크·평탄화 막에 사용된다.

스트레스·계면·신뢰성

박막의 스트레스·계면·신뢰성은 증착 결과의 핵심이다.

박막은 자라면서 압축 또는 인장 스트레스를 가지는데, 너무 크면 웨이퍼가 휘어지거나 박리(delamination)된다.

트랜지스터 구조에 따라서는 의도적으로 압축/인장 스트레스를 채널에 가해 이동도를 높이는 ‘stress engineering’도 사용한다.

계면 품질은 박막과 아래층 사이의 본딩 결함 밀도와 누설 특성을 결정한다.

신뢰성 시험에서는 TDDB, 전계 강도, 절연 파괴, 부식·마이그레이션 같은 항목으로 박막 품질을 평가한다.

증착 공정은 식각·CMP와 함께 ‘재료 사이클’의 한 축이다.

한 층의 메탈 라인을 만들려면 절연막을 증착하고, 트렌치/비아를 식각으로 만들고, 베리어/시드를 ALD/PVD로 입히고, 메탈을 전기도금하고, CMP로 평탄화한다.

한 노드에 이 사이클이 8~15회 반복되며, 공정 하나하나의 결함이 누적돼 수율을 결정한다.