박막 증착이란 반도체의 주 기판 재료 위에 막 층을 코팅하는 공정입니다. 이 막은 절연 화합물인 이산화규소, 반도체 폴리실리콘, 금속인 구리 등 다양한 재료로 만들 수 있습니다. 이러한 코팅 공정에 사용되는 장비를 박막 증착 장비라고 합니다.
반도체 칩 제조 공정의 관점에서 보면, 이는 프런트엔드 공정에 해당합니다.
박막 제조 공정은 박막 형성 방법에 따라 물리적 증착(PVD)과 화학적 증착의 두 가지 범주로 나눌 수 있다.(CVD)그중에서도 CVD 공정 장비가 더 높은 비중을 차지합니다.
물리적 증착(PVD)은 증발, 스퍼터링, 이온 빔 등을 포함하여 저압 가스/플라즈마를 통해 재료 소스 표면을 기화시켜 기판 표면에 증착하는 것을 말합니다.
화학 기상 증착(심혈관계 질환증착 공정은 기체 혼합물의 화학 반응을 통해 실리콘 웨이퍼 표면에 고체 박막을 증착하는 공정을 말합니다. 반응 조건(압력, 전구체)에 따라 대기압 증착과 대기압 증착으로 나뉩니다.심혈관계 질환(APCVD), 저압심혈관계 질환(LPCVD), 플라즈마 강화 CVD(PECVD), 고밀도 플라즈마 CVD(HDPCVD) 및 원자층 증착(ALD).
LPCVD는 우수한 스텝 커버리지, 뛰어난 조성 및 구조 제어, 높은 증착 속도 및 생산량을 제공하며, 입자 오염 발생원을 크게 줄입니다. 반응을 유지하기 위해 가열 장비를 열원으로 사용하므로 온도 제어 및 가스 압력 조절이 매우 중요합니다. 탑콘 셀의 폴리층 제조에 널리 사용됩니다.
PECVD는 고주파 유도에 의해 생성된 플라즈마를 이용하여 박막 증착 공정을 저온(450도 미만)에서 구현하는 기술입니다. 저온 증착은 PECVD의 주요 장점으로, 에너지 절감, 비용 절감, 생산 능력 증대, 그리고 고온으로 인한 실리콘 웨이퍼 내 소수 캐리어 수명 감소를 방지하는 효과를 가져옵니다. PERC, TOPCON, HJT 등 다양한 셀 공정에 적용 가능합니다.
ALD(원자층 증착)는 박막 균일성이 우수하고, 밀도가 높으며 기공이 없고, 계단형 피복 특성이 우수하며, 저온(상온~400℃)에서 공정이 가능하고, 박막 두께를 간단하고 정확하게 제어할 수 있으며, 다양한 형상의 기판에 폭넓게 적용 가능하고, 반응물 유량의 균일성을 제어할 필요가 없다는 장점이 있습니다. 하지만 단점은 박막 형성 속도가 느리다는 것입니다. 예를 들어, 나노구조 절연체(Al2O3/TiO2) 및 박막 전계발광 디스플레이(TFEL) 제작에 사용되는 황화아연(ZnS) 발광층이 그 예입니다.
원자층 증착(ALD)은 진공 코팅 공정으로, 기판 표면에 단일 원자층 형태로 얇은 막을 층층이 형성하는 기술입니다. 이 기술은 1974년 핀란드의 재료 물리학자 투오모 순톨라(Tuomo Suntola)가 개발하여 100만 유로의 밀레니엄 기술상을 수상했습니다. ALD 기술은 원래 평면형 전계발광 디스플레이에 사용되었지만, 널리 보급되지는 않았습니다. 21세기 초에 이르러서야 반도체 산업에 본격적으로 도입되기 시작했습니다. 기존의 산화규소를 대체하는 초박형 고유전율 소재를 제조함으로써, 전계 효과 트랜지스터의 선폭 축소로 인해 발생하던 누설 전류 문제를 해결하여 무어의 법칙에 따라 선폭을 더욱 줄이는 데 기여했습니다. 투오모 순톨라 박사는 ALD 기술이 부품의 집적도를 획기적으로 향상시킬 수 있다고 언급한 바 있습니다.
공개된 자료에 따르면 ALD 기술은 1974년 핀란드 PICOSUN의 투오모 순톨라 박사가 발명했으며, 인텔이 개발한 45/32나노미터 칩의 고유전율 박막처럼 해외에서 산업화되었습니다. 중국은 해외보다 30년 이상 늦게 ALD 기술을 도입했습니다. 2010년 10월, 핀란드 PICOSUN과 푸단대학교는 제1회 국내 ALD 학술 교류회를 개최하여 중국에 ALD 기술을 처음으로 소개했습니다.
기존의 화학 기상 증착법과 비교했을 때 (심혈관계 질환적층 제조(ALD)는 물리적 증착(PVD)과 비교했을 때, 뛰어난 3차원 적합성, 넓은 면적의 균일한 박막 형성, 그리고 정밀한 두께 제어라는 장점을 가지고 있어 복잡한 표면 형상이나 높은 종횡비 구조에 초박막을 성장시키는 데 적합합니다.
—데이터 출처: 칭화대학교 마이크로-나노 가공 플랫폼—
무어의 법칙 이후 시대에는 웨이퍼 제조의 복잡성과 공정 규모가 크게 향상되었습니다. 로직 칩을 예로 들면, 45nm 이하 공정, 특히 28nm 이하 공정을 사용하는 생산 라인이 증가함에 따라 코팅 두께와 정밀도 제어에 대한 요구 사항이 더욱 높아졌습니다. 다중 노광 기술 도입 이후 ALD 공정 단계 수와 필요한 장비가 크게 증가했으며, 메모리 칩 분야에서는 주류 제조 공정이 2D NAND에서 3D NAND 구조로 진화하고 내부 레이어 수가 지속적으로 증가하면서 부품들이 점차 고밀도, 고종횡비 구조를 나타내기 시작했고, 이에 따라 ALD 기술의 중요성이 부각되기 시작했습니다. 향후 반도체 발전 방향을 고려할 때, ALD 기술은 무어의 법칙 이후 시대에 더욱 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다.
예를 들어, ALD는 복잡한 3D 적층 구조(예: 3D-NAND)의 커버리지 및 박막 성능 요구 사항을 충족할 수 있는 유일한 증착 기술입니다. 이는 아래 그림에서 확연히 확인할 수 있습니다. CVD A(파란색)로 증착된 박막은 구조의 하단부를 완전히 덮지 못합니다. CVD 공정을 일부 조정하여 커버리지를 확보하더라도(CVD B), 하단부의 박막 성능과 화학적 조성은 매우 불량합니다(그림의 흰색 영역). 반면, ALD 기술을 사용하면 박막이 구조 전체를 완벽하게 덮고, 구조의 모든 영역에서 고품질의 균일한 박막 특성을 얻을 수 있습니다.
—-ALD 기술의 CVD 기술 대비 장점 (출처: ASM)--
단기적으로는 CVD가 여전히 가장 큰 시장 점유율을 차지하고 있지만, ALD는 웨이퍼 제조 장비 시장에서 가장 빠르게 성장하는 분야 중 하나로 떠오르고 있습니다. 반도체 제조에서 핵심적인 역할을 하며 큰 성장 잠재력을 지닌 이 ALD 시장에서 ASM은 ALD 장비 분야를 선도하는 기업입니다.
게시 시간: 2024년 6월 12일