박막 증착은 반도체의 주요 기판 재료 위에 박막 층을 코팅하는 것입니다. 이 박막은 절연 화합물인 이산화규소, 반도체 폴리실리콘, 금속 구리 등 다양한 재료로 만들어질 수 있습니다. 코팅에 사용되는 장비를 박막 증착 장비라고 합니다.
반도체 칩 제조 공정의 관점에서 보면 이는 전단 공정에 위치합니다.
박막 제조 공정은 박막 형성 방법에 따라 물리 기상 증착(PVD)과 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition)의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다.(CVD)그 중에서도 CVD 공정 장비가 차지하는 비중이 더 크다.
물리 기상 증착(PVD)은 증발, 스퍼터링, 이온빔 등을 포함한 저압 가스/플라즈마를 통해 물질 소스 표면을 증발시키고 기판 표면에 증착하는 것을 말합니다.
화학 기상 증착(CVD)은 가스 혼합물의 화학 반응을 통해 실리콘 웨이퍼 표면에 고체 박막을 증착하는 공정을 말합니다. 반응 조건(압력, 전구체)에 따라 대기압과CVD(APCVD), 저압CVD(LPCVD), 플라즈마 강화 CVD(PECVD), 고밀도 플라즈마 CVD(HDPCVD) 및 원자층 증착(ALD)이 있습니다.
LPCVD: LPCVD는 더 나은 스텝 커버리지, 우수한 조성 및 구조 제어, 높은 증착 속도 및 출력을 제공하며, 입자 오염원을 크게 줄입니다. 반응 유지를 위한 열원으로 가열 장비를 사용하므로 온도 제어 및 가스 압력이 매우 중요합니다. TopCon 셀의 폴리층 제조에 널리 사용됩니다.
PECVD: PECVD는 고주파 유도로 생성된 플라즈마를 이용하여 박막 증착 공정의 저온(450도 미만)을 달성합니다. 저온 증착은 PECVD의 주요 장점으로, 에너지 절감, 비용 절감, 생산 용량 증가, 그리고 고온으로 인한 실리콘 웨이퍼 내 소수 캐리어의 수명 감소를 줄입니다. PERC, TOPCON, HJT 등 다양한 셀 공정에 적용될 수 있습니다.
ALD: 우수한 박막 균일성, 치밀하고 기공 없는 구조, 우수한 스텝 커버리지 특성을 가지며, 저온(실온~400℃)에서 수행 가능하고, 박막 두께를 간단하고 정확하게 제어할 수 있으며, 다양한 형상의 기판에 널리 적용 가능하고, 반응물 흐름의 균일성을 제어할 필요가 없습니다. 하지만 박막 형성 속도가 느리다는 단점이 있습니다. 나노구조 절연체(Al2O3/TiO2) 및 박막 전계 발광 디스플레이(TFEL) 제조에 사용되는 황화아연(ZnS) 발광층이 그 예입니다.
원자층 증착(ALD)은 기판 표면에 단일 원자층 형태로 층층이 박막을 형성하는 진공 코팅 공정입니다. 1974년 초 핀란드의 재료 물리학자 투오모 순톨라가 이 기술을 개발하여 100만 유로의 밀레니엄 기술상을 수상했습니다. ALD 기술은 원래 평판 전계 발광 디스플레이에 사용되었지만 널리 사용되지는 않았습니다. ALD 기술이 반도체 산업에 도입되기 시작한 것은 21세기 초였습니다. 기존의 실리콘 산화물을 대체하는 초박형 고유전체 재료를 제조함으로써 전계 효과 트랜지스터의 선폭 감소로 인한 누설 전류 문제를 성공적으로 해결하여 무어의 법칙이 더 작은 선폭을 향해 발전하도록 했습니다. 투오모 순톨라 박사는 ALD가 부품의 집적도를 크게 높일 수 있다고 말한 적이 있습니다.
공개 자료에 따르면 ALD 기술은 1974년 핀란드 PICOSUN의 투오모 순톨라 박사가 발명했으며, 인텔이 개발한 45/32나노미터 칩의 고유전막과 같이 해외에서 산업화되었습니다. 중국에서는 외국보다 30년 이상 늦게 ALD 기술을 도입했습니다. 2010년 10월, 핀란드 PICOSUN과 푸단대학교는 국내 최초의 ALD 학술 교류회를 개최하여 중국에 ALD 기술을 처음으로 소개했습니다.
기존의 화학 기상 증착과 비교해서 (CVD) 및 물리 기상 증착(PVD)과 달리 ALD는 뛰어난 3차원적 적응성, 대면적 필름 균일성, 정밀한 두께 제어 등의 장점을 가지고 있어 복잡한 표면 형상이나 높은 종횡비 구조에서 초박막을 성장시키는 데 적합합니다.
—데이터 출처: 청화대학교 마이크로나노 가공 플랫폼—
포스트 무어 시대에 웨이퍼 제조의 복잡성과 공정량이 크게 향상되었습니다. 로직 칩을 예로 들면, 45nm 미만 공정을 가진 생산 라인, 특히 28nm 이하 공정을 가진 생산 라인이 증가함에 따라 코팅 두께와 정밀 제어에 대한 요구 사항이 높아졌습니다. 다중 노광 기술이 도입된 후, ALD 공정 단계 수와 필요한 장비가 크게 증가했습니다. 메모리 칩 분야에서 주류 제조 공정은 2D NAND에서 3D NAND 구조로 발전했으며, 내부 레이어 수가 계속 증가했고, 부품은 점차 고밀도, 고종횡비 구조를 나타내면서 ALD의 중요한 역할이 부각되기 시작했습니다. 반도체의 미래 발전 관점에서 볼 때, ALD 기술은 포스트 무어 시대에 점점 더 중요한 역할을 할 것입니다.
예를 들어, ALD는 복잡한 3D 적층 구조(예: 3D-NAND)의 피복률 및 박막 성능 요건을 충족할 수 있는 유일한 증착 기술입니다. 이는 아래 그림에서 생생하게 확인할 수 있습니다. CVD A(파란색)에서 증착된 박막은 구조 하부를 완전히 덮지 못합니다. CVD 공정을 일부 조정하여 피복률을 확보하더라도(CVD B), 하부 영역의 박막 성능과 화학 조성은 매우 열악합니다(그림의 흰색 영역). 반면, ALD 기술을 사용하면 박막이 완벽하게 피복되며 구조의 모든 영역에서 고품질의 균일한 박막 특성을 얻을 수 있습니다.
—-그림 CVD에 비해 ALD 기술의 장점 (출처: ASM)—-
CVD가 단기적으로는 여전히 가장 큰 시장 점유율을 차지하고 있지만, ALD는 웨이퍼 팹 장비 시장에서 가장 빠르게 성장하는 분야 중 하나로 자리 잡았습니다. 높은 성장 잠재력과 칩 제조에서 핵심적인 역할을 하는 ALD 시장에서 ASM은 ALD 장비 분야를 선도하는 기업입니다.
게시 시간: 2024년 6월 12일