PVD (Physical Vapor Deposition)

PVD의 원리: 스퍼터링

PVD의 본질은 ‘물리적으로 원자를 떼어 내서 웨이퍼에 쌓는다’는 것이다.

가장 보편적인 형태는 스퍼터링이다.

진공 챔버에 Ar 같은 비활성 가스를 넣고 RF/DC를 인가해 플라즈마를 만들면, Ar+ 이온이 타깃(Al, Ti, Ta, Cu 등)에 충돌해 타깃 원자를 떼어 낸다.

이 떼어진 원자가 웨이퍼 표면으로 날아가 쌓이며 박막을 형성한다.

CVD/ALD가 ‘화학 반응’이라면 PVD는 거의 ‘물리적 도료 칠’에 가깝다.

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

마그네트론 스퍼터링과 변형

마그네트론 스퍼터링은 타깃 뒤에 자석을 두어 플라즈마를 타깃 표면 근처로 가둔다.

그 결과 플라즈마 밀도가 높아지고, 같은 전력으로도 더 빠른 증착 속도를 낼 수 있다.

또 같은 타깃에서 더 균일하게 원자를 떼어 낼 수 있어 양산용으로 표준이 됐다.

이외에도 IMP(Ionized Metal Plasma)·HiPIMS(High Power Impulse Magnetron Sputtering)·Long Throw Sputter 같은 변형이 있어, 깊은 구조의 등각성·이온화율을 높인다.

박막 종류와 응용

박막은 거의 모두 메탈/메탈 질화물 계열이다.

Al(BEOL 메탈), Ti(접합층), TiN(베리어·게이트 메탈), Ta·TaN(Cu 베리어), Cu(다마신 시드층), W·WSi, Ru·Mo(차세대 베리어) 등이 대표적이다.

메탈 외에도 일부 산화물·질화물(MTJ 자성 박막의 CoFeB, MgO 등)도 PVD로 만든다.

디스플레이의 ITO(투명전극) 같은 박막도 스퍼터링으로 형성된다.

등각성 한계와 PVD+ALD 조합

PVD의 약점은 ‘등각성’이다.

떼어진 원자는 거의 직선으로 날아가기 때문에 깊은 트렌치 바닥, 좁은 홀 안쪽에 도달하기 어렵다.

그래서 종횡비가 큰 구조의 베리어/시드층은 PVD만으로 충분히 입히기 어렵고, 종종 ALD로 라이너를 깔거나 후속 CVD로 보완한다.

첨단 노드에서는 베리어·시드의 일부 영역이 PVD에서 ALD로 옮겨 갔고, 일부에서는 PVD+ALD 하이브리드(예: PVD로 시작, ALD로 등각 보완)가 사용된다.

메탈리제이션과 BEOL에서의 위치

메탈리제이션(metallization)과 BEOL에서 PVD의 위치는 여전히 중요하다.

다마신 흐름에서 트렌치를 식각한 뒤 Ta/TaN 베리어를 PVD로 깔고, 그 위에 Cu 시드층을 PVD로 형성하고, 전기도금으로 Cu를 채운 뒤 CMP로 평탄화한다.

Ta/TaN의 두께·결정성·균일도가 Cu 마이그레이션 신뢰성을 좌우하고, Cu 시드의 연속성이 전기도금 품질에 직결된다.

일부 신소재(코발트 캡, 루테늄 라이너)는 PVD/ALD 모두로 검토되며, 노드별로 선택이 달라진다.

한계와 진화

장비는 AMAT의 Endura 시리즈가 글로벌 1위로 매우 강한 점유율을 가진다.

그 외 EUVA·울박·울빅·캐논 ANELVA 등 일본·유럽 회사가 일부 라인업을 가지고 있다.

한국에서는 AVACO·아이씨디·테스 같은 회사가 디스플레이·반도체 PVD 장비를 다룬다.

PVD의 진화는 ‘이온화율을 어떻게 더 높여 등각성을 끌어올리느냐’에 집중돼 있다.

HiPIMS는 짧은 펄스 동안 매우 높은 전력을 인가해 타깃 원자의 이온화율을 크게 높이고, 그 결과 깊은 구조에서도 비교적 균일한 박막을 만든다.

ALD와의 경계가 흐려지는 영역도 있지만, 처리 속도·비용 면에서 PVD가 여전히 양산 친화적이라 메탈 박막의 핵심으로 남아 있다.