1. 소개
물리적 또는 화학적 방법으로 기판재료의 표면에 물질(원료)을 부착시키는 과정을 박막성장이라고 합니다.
다양한 작동 원리에 따라 집적 회로 박막 증착은 다음과 같이 나눌 수 있습니다.
-물리적 기상 증착(PVD);
-화학 기상 증착(CVD);
-확대.
2. 박막 성장 과정
2.1 물리기상증착 및 스퍼터링 공정
PVD(물리기상증착) 공정은 진공증착, 스퍼터링, 플라즈마 코팅, 분자빔 에피택시 등의 물리적 방법을 사용해 웨이퍼 표면에 얇은 막을 형성하는 공정을 말한다.
VLSI 업계에서 가장 널리 사용되는 PVD 기술은 스퍼터링으로 주로 집적회로의 전극 및 금속 상호 연결에 사용됩니다. 스퍼터링은 고진공 조건에서 외부 전기장의 작용으로 희가스(예: 아르곤(Ar))가 이온(예: Ar+)으로 이온화되고, 고전압 환경에서 재료 타겟 소스에 충격을 가하는 과정입니다. 타겟 물질의 원자나 분자를 녹아웃시킨 뒤, 무충돌 비행 과정을 거쳐 웨이퍼 표면에 도착해 얇은 막을 형성하는 방식이다. Ar은 안정적인 화학적 특성을 가지며, 그 이온은 타겟 물질 및 필름과 화학적으로 반응하지 않습니다. 집적회로 칩이 0.13μm 구리 인터커넥트 시대에 진입함에 따라 구리 장벽 재료층에는 질화티타늄(TiN) 또는 질화탄탈륨(TaN) 필름이 사용됩니다. 산업 기술에 대한 수요로 인해 화학 반응 스퍼터링 기술의 연구 개발이 촉진되었습니다. 즉, 스퍼터링 챔버에는 Ar 외에 반응성 가스인 질소(N2)도 존재하므로 Ti 또는 Ta가 포격됩니다. 타겟 물질 Ti 또는 Ta는 N2와 반응하여 필요한 TiN 또는 TaN 필름을 생성합니다.
일반적으로 사용되는 스퍼터링 방법에는 DC 스퍼터링, RF 스퍼터링 및 마그네트론 스퍼터링의 세 가지가 있습니다. 집적회로의 집적이 계속 증가함에 따라 다층 금속 배선의 층수가 증가하고 있으며 PVD 기술의 적용이 점점 더 광범위해지고 있습니다. PVD 재료에는 Al-Si, Al-Cu, Al-Si-Cu, Ti, Ta, Co, TiN, TaN, Ni, WSi2 등이 포함됩니다.
PVD 및 스퍼터링 공정은 일반적으로 반응 중 가스의 순도를 보장할 수 있는 1×10-7 ~ 9×10-9 Torr의 진공도를 갖는 고도로 밀봉된 반응 챔버에서 완료됩니다. 동시에, 희가스를 이온화하여 목표물에 충격을 가할 만큼 충분히 높은 전압을 생성하려면 외부 고전압이 필요합니다. PVD 및 스퍼터링 공정을 평가하기 위한 주요 매개변수에는 먼지의 양뿐만 아니라 저항값, 균일성, 반사율 두께 및 형성된 필름의 응력이 포함됩니다.
2.2 화학 기상 증착 및 스퍼터링 공정
화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)은 분압이 서로 다른 다양한 기체 반응물을 일정한 온도와 압력에서 화학적으로 반응시켜 생성된 고체 물질을 기판 소재 표면에 증착시켜 원하는 두께를 얻는 공정 기술을 말한다. 영화. 전통적인 집적 회로 제조 공정에서 얻어지는 박막 재료는 일반적으로 산화물, 질화물, 탄화물과 같은 화합물이거나 다결정 실리콘 및 비정질 실리콘과 같은 재료입니다. 소스 및 드레인 SiGe 또는 Si 선택적 에피택셜 성장과 같이 45nm 노드 이후에 더 일반적으로 사용되는 선택적 에피택셜 성장도 CVD 기술입니다.
이 기술은 원래 격자를 따라 실리콘 또는 기타 재료의 단결정 기판 위에 원래 격자와 동일하거나 유사한 단결정 재료를 계속 형성할 수 있습니다. CVD는 절연 유전체막(예: SiO2, Si3N4, SiON 등) 및 금속막(예: 텅스텐 등)의 성장에 널리 사용됩니다.
일반적으로 CVD는 압력 분류에 따라 대기압 화학 기상 증착(APCVD), 부압 화학 기상 증착(SAPCVD), 저압 화학 기상 증착(LPCVD)으로 나눌 수 있습니다.
CVD는 온도 분류에 따라 고온/저온 산화막 화학 기상 증착(HTO/LTO CVD)과 급속 열화학 기상 증착(Rapid Thermal CVD, RTCVD)으로 나눌 수 있습니다.
CVD는 반응원에 따라 실란 기반 CVD, 폴리에스테르 기반 CVD(TEOS 기반 CVD), 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD)으로 나눌 수 있으며,
에너지 분류에 따라 CVD는 열화학기상증착(Thermal CVD), 플라즈마 강화 화학기상증착(Plasma Enhanced CVD, PECVD), 고밀도 플라즈마 화학기상증착(High Density Plasma CVD, HDPCVD)으로 나눌 수 있습니다. 최근에는 갭필 능력이 뛰어난 유동성 화학기상증착법(Flowable CVD, FCVD)도 개발됐다.
서로 다른 CVD 성장 필름은 서로 다른 특성(예: 화학 조성, 유전 상수, 장력, 응력 및 항복 전압)을 가지며 다양한 공정 요구 사항(예: 온도, 단계 적용 범위, 충전 요구 사항 등)에 따라 별도로 사용할 수 있습니다.
2.3 원자층 증착 공정
원자층 증착(ALD)은 단일 원자막을 층별로 성장시켜 기판 물질에 원자를 층층이 증착하는 것을 말합니다. 일반적인 ALD는 교번 펄스 방식으로 기체 전구체를 반응기에 투입하는 방식을 채택합니다.
예를 들어, 먼저, 반응 전구체(1)를 기판 표면에 도입하고, 화학 흡착 후, 단일 원자층이 기판 표면에 형성되고; 그런 다음 기판 표면과 반응 챔버에 남아 있는 전구체(1)는 공기 펌프에 의해 펌핑되고; 그런 다음 반응 전구체(2)가 기판 표면에 도입되고, 기판 표면에 흡착된 전구체(1)와 화학적으로 반응하여 기판 표면에 상응하는 박막 물질 및 상응하는 부산물을 생성하고; 전구체 1이 완전히 반응하면 반응이 자동으로 종료되는데, 이는 ALD의 자기 제한적 특성이며, 나머지 반응물과 부산물은 추출되어 다음 단계의 성장을 준비합니다. 위의 과정을 연속적으로 반복함으로써 단일 원자로 층층이 성장한 박막재료를 증착할 수 있다.
ALD와 CVD 모두 기체 화학 반응 소스를 도입하여 기판 표면에서 화학적으로 반응하는 방식이지만, CVD의 기체 반응 소스는 자기 제한적 성장 특성을 갖지 않는다는 점에서 차이점이 있습니다. ALD 기술 개발의 핵심은 자기 제한적 반응 특성을 갖는 전구체를 찾는 것임을 알 수 있습니다.
2.4 에피택셜 공정
에피택셜 공정은 기판 위에 완전히 규칙적인 단결정층을 성장시키는 공정을 말한다. 일반적으로 에피택셜 공정은 단결정 기판 위에 원래 기판과 동일한 격자 방향으로 결정층을 성장시키는 공정이다. 에피택셜 공정은 집적 회로 산업의 에피택셜 실리콘 웨이퍼, MOS 트랜지스터의 임베디드 소스 및 드레인 에피택셜 성장, LED 기판의 에피택셜 성장 등과 같은 반도체 제조에 널리 사용됩니다.
성장원의 다양한 상 상태에 따라 에피택셜 성장 방법은 고체상 에피택시, 액체상 에피택시, 기상 에피택시로 나눌 수 있습니다. 집적 회로 제조에서 일반적으로 사용되는 에피택시 방법은 고체상 에피택시와 기상 에피택시입니다.
고체상 에피택시(Solid Phase Epitaxy): 고체 소스를 사용하여 기판 위에 단결정 층을 성장시키는 것을 말합니다. 예를 들어, 이온 주입 후 열 어닐링은 실제로 고체상 에피택시 공정입니다. 이온 주입 중에 실리콘 웨이퍼의 실리콘 원자는 주입된 고에너지 이온에 의해 충격을 받아 원래의 격자 위치를 떠나 비정질이 되어 표면 비정질 실리콘 층을 형성합니다. 고온 열 어닐링 후, 비정질 원자는 격자 위치로 돌아가 기판 내부의 원자 결정 방향과 일관되게 유지됩니다.
기상 에피택시 성장 방법에는 화학적 기상 에피택시, 분자빔 에피택시, 원자층 에피택시 등이 있습니다. 집적 회로 제조에서는 화학적 기상 에피택시가 가장 일반적으로 사용됩니다. 화학 기상 에피택시의 원리는 기본적으로 화학 기상 증착의 원리와 동일합니다. 둘 다 가스 혼합 후 웨이퍼 표면에서 화학적 반응을 통해 박막을 증착하는 공정이다.
차이점은 화학적 기상 에피택시는 단결정층을 성장시키기 때문에 장비의 불순물 함량과 웨이퍼 표면의 청결도에 대한 요구 사항이 더 높다는 것입니다. 초기 화학 기상 에피택셜 실리콘 공정은 고온 조건(1000°C 이상)에서 수행되어야 합니다. 공정 장비의 개선, 특히 진공 교환 챔버 기술의 채택으로 장비 캐비티와 실리콘 웨이퍼 표면의 청결도가 크게 향상되었으며 실리콘 에피택시는 더 낮은 온도(600-700°C)에서 수행될 수 있습니다. 기음). 에피택셜 실리콘 웨이퍼 공정은 실리콘 웨이퍼 표면에 단결정 실리콘 층을 성장시키는 것입니다.
원래의 실리콘 기판과 비교하여 에피택셜 실리콘층은 순도가 높고 격자 결함이 적어 반도체 제조 수율이 향상됩니다. 또한, 실리콘 웨이퍼 위에 성장하는 에피택셜 실리콘층의 성장 두께와 도핑 농도를 유연하게 설계할 수 있어 기판 저항을 줄이고 기판 분리도를 높이는 등 소자 설계에 유연성을 제공한다. 임베디드 소스-드레인 에피택셜 프로세스는 고급 로직 기술 노드에서 널리 사용되는 기술입니다.
MOS 트랜지스터의 소스 및 드레인 영역에 도핑된 게르마늄 실리콘이나 실리콘을 에피택셜 성장시키는 공정을 말합니다. 임베디드 소스-드레인 에피택시 프로세스 도입의 주요 이점은 다음과 같습니다: 격자 적응으로 인한 응력을 포함하는 유사 결정층 성장, 채널 캐리어 이동성 향상; 소스와 드레인의 인시츄 도핑은 소스-드레인 접합의 기생 저항을 줄이고 고에너지 이온 주입의 결함을 줄일 수 있습니다.
3. 박막 성장 장비
3.1 진공 증발 장비
진공증착법은 고체재료를 진공챔버 내에서 가열하여 이를 증발, 기화 또는 승화시킨 후 일정 온도에서 기판 재료의 표면에 응축, 증착시키는 코팅법이다.
일반적으로 진공 시스템, 증발 시스템 및 가열 시스템의 세 부분으로 구성됩니다. 진공 시스템은 진공 파이프와 진공 펌프로 구성되며 주요 기능은 증발에 적합한 진공 환경을 제공하는 것입니다. 증발 시스템은 증발 테이블, 가열 구성 요소 및 온도 측정 구성 요소로 구성됩니다.
증발할 타겟 물질(Ag, Al 등)을 증발 테이블 위에 놓습니다. 가열 및 온도 측정 구성 요소는 증발 온도를 제어하여 원활한 증발을 보장하는 데 사용되는 폐쇄 루프 시스템입니다. 가열 시스템은 웨이퍼 스테이지와 가열 구성요소로 구성됩니다. 웨이퍼 스테이지는 박막을 증발시켜야 하는 기판을 배치하는 데 사용되며 가열 구성 요소는 기판 가열 및 온도 측정 피드백 제어를 구현하는 데 사용됩니다.
진공 환경은 진공증착 공정에서 매우 중요한 조건으로, 증발속도 및 필름의 품질과 관련이 있습니다. 진공도가 요구 사항을 충족하지 않으면 기화된 원자 또는 분자가 잔류 가스 분자와 자주 충돌하여 평균 자유 경로가 작아지고 원자 또는 분자가 심하게 분산되어 이동 방향이 바뀌고 필름이 감소합니다. 형성률.
또한 잔류 불순물 가스 분자의 존재로 인해 증착된 필름이 심각하게 오염되고 품질이 좋지 않습니다. 특히 챔버의 압력 상승률이 표준을 충족하지 못하고 누출이 있는 경우 공기가 진공 챔버로 누출됩니다. , 이는 필름 품질에 심각한 영향을 미칩니다.
진공증착 장비의 구조적 특성으로 인해 대형 기판의 코팅 균일성이 좋지 않습니다. 균일성을 높이기 위해 소스-기판 거리를 늘리고 기판을 회전시키는 방법이 일반적으로 채택되지만, 소스-기판 거리를 늘리면 필름의 성장 속도와 순도가 희생됩니다. 동시에 진공 공간의 증가로 인해 증발된 물질의 이용률이 감소합니다.
3.2 DC 물리기상증착 장비
DCPVD(직류 물리 기상 증착)는 음극 스퍼터링 또는 진공 DC 2단계 스퍼터링으로도 알려져 있습니다. 진공 DC 스퍼터링의 타겟 물질은 음극으로 사용되며 기판은 양극으로 사용됩니다. 진공 스퍼터링은 공정 가스를 이온화하여 플라즈마를 형성하는 것입니다.
플라즈마의 하전 입자는 전기장에서 가속되어 일정량의 에너지를 얻습니다. 충분한 에너지를 가진 입자는 표적 물질의 표면에 충격을 가하여 표적 원자가 스퍼터링됩니다. 스퍼터링된 원자는 일정한 운동에너지를 가지고 기판 쪽으로 이동하여 기판 표면에 얇은 막을 형성합니다. 스퍼터링에 사용되는 가스는 일반적으로 아르곤(Ar)과 같은 희가스이므로 스퍼터링으로 형성된 필름이 오염되지 않습니다. 또한 아르곤의 원자 반경은 스퍼터링에 더 적합합니다.
스퍼터링 입자의 크기는 스퍼터링할 대상 원자의 크기에 가까워야 합니다. 입자가 너무 크거나 너무 작으면 효과적인 스퍼터링이 형성될 수 없습니다. 원자의 크기 인자 외에도 원자의 질량 인자도 스퍼터링 품질에 영향을 미칩니다. 스퍼터링 입자 소스가 너무 가볍다면 타겟 원자가 스퍼터링되지 않습니다. 스퍼터링 입자가 너무 무거우면 타겟이 "구부러지고" 타겟이 스퍼터링되지 않습니다.
DCPVD에 사용되는 타겟 물질은 반드시 도체이어야 합니다. 이는 프로세스 가스의 아르곤 이온이 타겟 물질에 충돌할 때 타겟 물질 표면의 전자와 재결합하기 때문입니다. 표적물질이 금속과 같은 전도체인 경우, 이러한 재결합에 의해 소모된 전자는 전기전도를 통해 전원공급장치와 표적물질의 다른 부분에 있는 자유전자에 의해 보다 쉽게 보충되므로 표적물질의 표면은 전체가 음전하를 띠고 스퍼터링이 유지됩니다.
반대로 타겟물질이 절연체인 경우 타겟물질 표면의 전자들이 재결합한 후 타겟물질의 다른 부분에 있는 자유전자가 전기전도에 의해 보충되지 못하고 양전하마저도 타겟물질 표면에 쌓이게 됩니다. 타겟물질의 표면에 스퍼터링이 발생하여 타겟물질의 전위가 상승하고, 타겟물질의 음전하가 약해져서 사라지게 되어 결국 스퍼터링이 종료됩니다.
따라서, 절연재료를 스퍼터링에도 사용할 수 있도록 하기 위해서는 다른 스퍼터링 방법을 찾는 것이 필요하다. 무선 주파수 스퍼터링은 전도성 및 비전도성 타겟 모두에 적합한 스퍼터링 방법입니다.
DCPVD의 또 다른 단점은 점화 전압이 높고 기판에 대한 전자 충격이 강하다는 것입니다. 이 문제를 해결하는 효과적인 방법은 마그네트론 스퍼터링을 사용하는 것이므로 마그네트론 스퍼터링은 집적 회로 분야에서 실제로 실용적인 가치가 있습니다.
3.3 RF 물리 기상 증착 장비
RFPVD(Radio Frequency Physical Vapor Deposition)는 무선 주파수 전력을 여기원으로 사용하며 다양한 금속 및 비금속 재료에 적합한 PVD 방법입니다.
RFPVD에 사용되는 RF 전원 공급 장치의 공통 주파수는 13.56MHz, 20MHz, 60MHz입니다. RF 전원 공급 장치의 양극 및 음극 사이클이 교대로 나타납니다. PVD 타겟이 양의 반주기에 있을 때 타겟 표면이 양의 전위에 있기 때문에 프로세스 분위기의 전자가 타겟 표면으로 흘러 표면에 축적된 양전하를 중화시키고 전자를 계속 축적합니다. 표면을 부정적으로 편향되게 만드는 것; 스퍼터링 타겟이 음의 반주기에 있을 때 양이온은 타겟을 향해 이동하고 타겟 표면에서 부분적으로 중화됩니다.
가장 중요한 것은 RF 전기장에서 전자의 이동 속도가 양이온의 이동 속도보다 훨씬 빠르며, 양극 및 음극 반주기의 시간은 동일하므로 완전한 주기 후에 타겟 표면은 "순"은 음전하를 띠고 있습니다. 따라서 처음 몇 사이클 동안 대상 표면의 음전하는 증가하는 경향을 보입니다. 그 후, 목표 표면은 안정적인 음전위에 도달합니다. 그 후, 타겟의 음전하는 전자에 반발력을 가지기 때문에 타겟 전극에 수용된 양전하와 음전하의 양은 균형을 이루는 경향이 있고 타겟은 안정적인 음전하를 나타냅니다.
위의 과정에서 음전압을 형성하는 과정은 타겟 물질 자체의 특성과는 아무런 관련이 없으므로 RFPVD 방법은 절연 타겟의 스퍼터링 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라 호환성도 좋다는 것을 알 수 있습니다. 기존의 금속 도체 타겟을 사용합니다.
3.4 마그네트론 스퍼터링 장비
마그네트론 스퍼터링은 타겟 뒷면에 자석을 추가하는 PVD 방식입니다. 추가된 자석과 DC 전원(또는 AC 전원) 시스템이 마그네트론 스퍼터링 소스를 형성합니다. 스퍼터링 소스는 챔버 내에 상호작용 전자기장을 형성하고, 챔버 내부의 플라즈마에서 전자의 이동 범위를 포착하여 제한하며, 전자의 이동 경로를 확장하여 플라즈마의 농도를 증가시켜 궁극적으로 더 많은 것을 달성하는 데 사용됩니다. 침적.
또한, 타겟 표면 근처에 더 많은 전자가 결합되어 있기 때문에 전자에 의한 기판의 충격이 줄어들고 기판의 온도가 감소합니다. 평판 DCPVD 기술과 비교할 때 마그네트론 물리 기상 증착 기술의 가장 분명한 특징 중 하나는 점화 방전 전압이 더 낮고 안정적이라는 것입니다.
플라즈마 농도가 높고 스퍼터링 수율이 높기 때문에 우수한 증착 효율, 넓은 크기 범위의 증착 두께 제어, 정밀한 조성 제어 및 낮은 점화 전압을 달성할 수 있습니다. 따라서 현재의 금속막 PVD에서는 마그네트론 스퍼터링이 지배적인 위치를 차지하고 있다. 가장 간단한 마그네트론 스퍼터링 소스 설계는 평평한 타겟 뒷면(진공 시스템 외부)에 자석 그룹을 배치하여 타겟 표면의 국지적 영역에서 타겟 표면과 평행한 자기장을 생성하는 것입니다.
영구 자석을 배치하면 자기장이 상대적으로 고정되어 챔버의 대상 표면에 상대적으로 고정된 자기장 분포가 발생합니다. 타겟의 특정 영역의 물질만 스퍼터링되어 타겟 활용률이 낮고 제조된 필름의 균일성이 좋지 않습니다.
스퍼터링된 금속 또는 기타 재료 입자가 타겟 표면에 다시 퇴적되어 입자로 응집되어 결함 오염을 형성할 가능성이 있습니다. 따라서 상업용 마그네트론 스퍼터링 소스는 대부분 회전 자석 설계를 사용하여 필름 균일성, 타겟 활용률 및 전체 타겟 스퍼터링을 향상시킵니다.
이 세 가지 요소의 균형을 맞추는 것이 중요합니다. 밸런스를 잘 관리하지 않으면 타겟 가동률이 크게 감소(타겟 수명 단축)하면서 좋은 막 균일성을 얻을 수 있거나, 전체 타겟 스퍼터링 또는 전체 타겟 부식을 달성하지 못해 스퍼터링 중 파티클 문제가 발생할 수 있습니다. 프로세스.
마그네트론 PVD 기술에서는 회전하는 자석 이동 메커니즘, 타겟 형상, 타겟 냉각 시스템 및 마그네트론 스퍼터링 소스는 물론 웨이퍼 흡착 및 온도 제어와 같이 웨이퍼를 운반하는 베이스의 기능적 구성도 고려해야 합니다. PVD 공정에서는 웨이퍼의 온도를 제어하여 필요한 결정 구조, 입자 크기 및 방향은 물론 성능 안정성을 얻습니다.
웨이퍼 뒷면과 베이스 표면 사이의 열전도에는 보통 수 Torr 정도의 일정한 압력이 필요하고, 챔버의 작동 압력은 대개 수 mTorr 정도이므로 뒷면에 가해지는 압력은 웨이퍼의 압력은 웨이퍼 상부 표면의 압력보다 훨씬 크기 때문에 웨이퍼 위치를 지정하고 제한하려면 기계식 척이나 정전 척이 필요합니다.
기계식 척은 이 기능을 달성하기 위해 자체 무게와 웨이퍼 가장자리에 의존합니다. 구조가 간단하고 웨이퍼 재료에 민감하지 않다는 장점이 있지만 웨이퍼의 가장자리 효과가 뚜렷하여 입자를 엄격하게 제어하는 데 도움이 되지 않습니다. 따라서 IC 제조 공정에서는 점차 정전 척으로 대체되어 왔습니다.
온도에 특별히 민감하지 않은 공정의 경우 비흡착, 비엣지 접촉 선반 방식(웨이퍼의 상부 표면과 하부 표면 사이에 압력 차이가 없음)도 사용할 수 있습니다. PVD 공정 중에 챔버 라이닝과 플라즈마와 접촉하는 부품의 표면이 증착되고 덮여집니다. 증착된 필름 두께가 한계를 초과하면 필름이 갈라지고 벗겨져 파티클 문제가 발생합니다.
따라서 라이닝과 같은 부품의 표면 처리가 이 한계를 확장하는 열쇠입니다. 표면 샌드블라스팅과 알루미늄 스프레이는 일반적으로 사용되는 두 가지 방법으로, 그 목적은 표면 거칠기를 증가시켜 필름과 라이닝 표면 사이의 결합을 강화하는 것입니다.
3.5 이온화 물리기상증착 장비
마이크로전자공학 기술의 지속적인 발전으로 피처 크기는 점점 작아지고 있습니다. PVD 기술은 입자의 증착 방향을 제어할 수 없기 때문에 PVD가 구멍과 종횡비가 높은 좁은 채널을 통과하는 능력이 제한되어 기존 PVD 기술의 확장 적용이 점점 더 어려워지고 있습니다. PVD 공정에서는 기공 홈의 종횡비가 증가할수록 하단의 Coverage가 감소하여 상단 모서리에 처마 모양의 돌출 구조가 형성되고 하단 모서리에 가장 취약한 Coverage가 형성됩니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 이온화 물리기상증착(Ionized Physical Vapor Deposition) 기술이 개발됐다. 먼저 타겟에서 스퍼터링된 금속 원자를 다양한 방식으로 플라즈마화한 후, 웨이퍼에 가해지는 바이어스 전압을 조절하여 금속 이온의 방향과 에너지를 제어함으로써 안정적인 방향성 금속 이온 흐름을 얻어 박막을 제조함으로써 향상된 성능을 제공합니다. 구멍과 좁은 채널을 통해 높은 종횡비의 계단 바닥을 덮습니다.
이온화된 금속 플라즈마 기술의 일반적인 특징은 챔버에 무선 주파수 코일을 추가하는 것입니다. 공정 중 챔버의 작동 압력은 상대적으로 높은 상태(정상 작동 압력의 5~10배)로 유지됩니다. PVD 동안 무선 주파수 코일은 두 번째 플라즈마 영역을 생성하는 데 사용되며, 여기서 무선 주파수 전력 및 가스 압력이 증가함에 따라 아르곤 플라즈마 농도가 증가합니다. 타겟에서 스퍼터링된 금속 원자가 이 영역을 통과할 때 고밀도 아르곤 플라즈마와 상호 작용하여 금속 이온을 형성합니다.
웨이퍼 캐리어(예: 정전기 척)에 RF 소스를 적용하면 웨이퍼의 음의 바이어스를 증가시켜 금속 양이온을 기공 홈 바닥으로 끌어당길 수 있습니다. 웨이퍼 표면에 수직인 이러한 방향성 금속 이온 흐름은 높은 종횡비 기공과 좁은 채널의 스텝 바닥 적용 범위를 향상시킵니다.
웨이퍼에 적용된 음의 바이어스는 또한 이온이 웨이퍼 표면에 충격을 가하게 하여(역 스퍼터링), 이는 기공 홈 입구의 돌출 구조를 약화시키고 바닥에 증착된 필름을 기공 바닥 모서리의 측벽으로 스퍼터링시킵니다. 홈을 만들어 모서리의 계단 커버력을 향상시킵니다.
3.6 대기압 화학증착 장비
대기압 화학 기상 증착(APCVD) 장비는 대기압에 가까운 압력의 환경에서 가열된 고체 기판의 표면에 기체 반응원을 일정한 속도로 분사하여 반응원이 화학적으로 반응하도록 하는 장치를 말합니다. 기판 표면에 반응 생성물이 증착되어 얇은 필름을 형성합니다.
APCVD 장비는 최초의 CVD 장비이며 여전히 산업 생산 및 과학 연구에 널리 사용되고 있습니다. APCVD 장비는 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 이산화규소, 산화아연, 이산화티탄, 인규산염 유리, 붕인규산염 유리 등의 박막을 제조하는 데 사용할 수 있습니다.
3.7 저압 화학 기상 증착 장비
저압화학기상증착(LPCVD) 장비는 기체 상태의 원료를 이용해 가열(350~1100°C), 저압(10~100mTorr) 환경에서 고체 기판 표면에 화학적으로 반응하는 장비를 말한다. 반응물은 기판 표면에 증착되어 박막을 형성합니다. LPCVD 장비는 APCVD를 기반으로 개발되어 박막의 품질을 향상시키고, 막두께, 비저항 등 특성변수의 분포균일성을 향상시키며, 생산효율을 향상시킵니다.
주요 특징은 저압 열장 환경에서 공정 가스가 웨이퍼 기판 표면에서 화학적으로 반응하고, 반응 생성물이 기판 표면에 증착되어 박막을 형성한다는 것입니다. LPCVD 장비는 고품질의 박막을 제조하는데 장점이 있으며 산화규소, 질화규소, 폴리실리콘, 탄화규소, 질화갈륨, 그래핀 등의 박막 제조에 활용될 수 있다.
APCVD와 비교하여 LPCVD 장비의 저압 반응 환경은 반응 챔버 내 가스의 평균 자유 경로와 확산 계수를 증가시킵니다.
반응 챔버 내의 반응 가스 및 캐리어 가스 분자는 단시간에 고르게 분포될 수 있으므로 필름 두께의 균일성, 저항률 균일성 및 필름의 스텝 커버리지가 크게 향상되고 반응 가스의 소비도 적습니다. 또한, 저압 환경에서는 가스 물질의 전달 속도도 빨라집니다. 기판에서 확산된 불순물과 반응 부산물은 경계층을 통해 반응영역 밖으로 신속하게 빠져나올 수 있고, 반응가스는 경계층을 빠르게 통과하여 기판 표면에 도달하여 반응함으로써 셀프 도핑을 효과적으로 억제하여, 가파른 전환 영역을 갖춘 고품질 필름을 생산하고 생산 효율성도 향상시킵니다.
3.8 플라즈마 강화 화학 기상 증착 장비
플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)은 널리 사용되는 기술입니다.힌 필름 증착 기술. 플라즈마 프로세스 동안 가스 전구체는 플라즈마 작용에 따라 이온화되어 여기된 활성 그룹을 형성하며, 이 활성 그룹은 기판 표면으로 확산된 다음 화학 반응을 거쳐 필름 성장을 완료합니다.
PECVD에 사용되는 플라즈마는 플라즈마 발생 빈도에 따라 고주파 플라즈마(RF 플라즈마)와 마이크로파 플라즈마(마이크로파 플라즈마)의 두 가지 유형으로 나눌 수 있다. 현재 업계에서 사용되는 무선 주파수는 일반적으로 13.56MHz입니다.
고주파 플라즈마의 도입은 일반적으로 용량성 결합(CCP)과 유도성 결합(ICP)의 두 가지 유형으로 구분됩니다. 용량성 결합 방법은 일반적으로 직접 플라즈마 반응 방법입니다. 유도 결합 방식은 직접 플라즈마 방식 또는 원격 플라즈마 방식이 될 수 있습니다.
반도체 제조 공정에서 PECVD는 금속이나 기타 온도에 민감한 구조를 포함하는 기판에 박막을 성장시키는 데 종종 사용됩니다. 예를 들어 집적회로의 후공정 금속배선 분야에서는 소자의 소스, 게이트, 드레인 구조가 전공정에서 형성되기 때문에 금속배선 분야에서는 박막 성장이 제약을 받는다. 매우 엄격한 열 예산 제약이 있으므로 일반적으로 플라즈마 지원으로 완료됩니다. 플라즈마 공정 매개변수를 조정함으로써 PECVD로 성장한 박막의 밀도, 화학적 조성, 불순물 함량, 기계적 인성 및 응력 매개변수를 조정하고 특정 범위 내에서 최적화할 수 있습니다.
3.9 원자층 증착 장비
원자층증착(ALD)은 준단원자층 형태로 주기적으로 성장하는 박막증착 기술이다. 성장주기 수를 조절해 증착막 두께를 정밀하게 조절할 수 있는 것이 특징이다. 화학 기상 증착(CVD) 공정과 달리 ALD 공정의 두 개 이상의 전구체는 기판 표면을 교대로 통과하며 희가스 퍼지에 의해 효과적으로 격리됩니다.
두 전구체는 화학적으로 반응하기 위해 기상에서 혼합되거나 만나지 않고 기판 표면의 화학적 흡착을 통해서만 반응합니다. 각 ALD 사이클에서 기판 표면에 흡착된 전구체의 양은 기판 표면의 활성 그룹 밀도와 관련됩니다. 기판 표면의 반응기가 소진되면 과량의 전구체를 도입하더라도 기판 표면에 화학 흡착이 일어나지 않습니다.
이 반응 과정을 표면 자기 제한 반응이라고 합니다. 이러한 공정 메커니즘은 ALD 공정의 각 사이클에서 성장하는 필름의 두께를 일정하게 만들어 주기 때문에 ALD 공정은 정밀한 두께 제어와 우수한 필름 스텝 커버리지라는 장점이 있습니다.
3.10 분자빔 에피택시 장비
MBE(Molecular Beam Epitaxy) 시스템은 하나 이상의 열 에너지 원자빔 또는 분자빔을 사용하여 초고진공 조건에서 특정 속도로 가열된 기판 표면에 분사하고 기판 표면에 흡착 및 이동하는 에피택시 장치를 말합니다. 기판재료의 결정축 방향을 따라 단결정박막을 에피택셜 성장시키는 것이다. 일반적으로 차열 장치가 있는 제트로에서 가열하면 빔 소스가 원자선이나 분자선을 형성하고, 기판 재료의 결정축 방향을 따라 층층이 막이 성장한다.
에피택셜 성장 온도가 낮은 것이 특징이며, 두께, 계면, 화학 조성, 불순물 농도를 원자 수준에서 정밀하게 제어할 수 있습니다. MBE는 반도체 초박막 단결정막 제조에서 유래되었으나 현재는 금속, 절연유전체 등 다양한 재료계로 그 응용이 확대되어 III-V, II-VI, 실리콘, 실리콘 게르마늄(SiGe) 등을 제조할 수 있다. ), 그래핀, 산화물 및 유기 필름.
분자선 에피택시(MBE) 시스템은 주로 초고진공 시스템, 분자선 소스, 기판 고정 및 가열 시스템, 시료 이송 시스템, 현장 모니터링 시스템, 제어 시스템, 테스트로 구성됩니다. 체계.
진공 시스템에는 진공 펌프(기계식 펌프, 분자 펌프, 이온 펌프, 응축 펌프 등)와 다양한 밸브가 포함되어 있어 초고진공 성장 환경을 조성할 수 있습니다. 일반적으로 달성 가능한 진공도는 10-8 ~ 10-11 Torr입니다. 진공 시스템은 주로 시료 주입 챔버, 전처리 및 표면 분석 챔버, 성장 챔버 등 3개의 진공 작업 챔버로 구성됩니다.
샘플 주입 챔버는 다른 챔버의 고진공 조건을 보장하기 위해 샘플을 외부 세계로 옮기는 데 사용됩니다. 전처리 및 표면 분석실은 시료 주입실과 성장실을 연결하며, 주요 기능은 시료 전처리(기판 표면의 완전한 청정도를 보장하기 위한 고온 탈기) 및 예비 표면 분석을 수행하는 것입니다. 세척된 샘플; 성장 챔버는 MBE 시스템의 핵심 부분으로 주로 소스 퍼니스와 해당 셔터 어셈블리, 샘플 제어 콘솔, 냉각 시스템, 반사 고에너지 전자 회절(RHEED) 및 현장 모니터링 시스템으로 구성됩니다. . 일부 생산 MBE 장비에는 여러 성장 챔버 구성이 있습니다. MBE 장비 구조의 개략도는 다음과 같습니다.
실리콘 소재의 MBE는 고순도 실리콘을 원료로 사용하며, 초고진공(10-10~10-11Torr) 조건에서 성장하며, 성장 온도는 600~900℃이며, Ga(P형)과 Sb( N-type)을 도핑 소스로 사용합니다. P, As, B 등 일반적으로 사용되는 도핑 소스는 증발하기 어렵기 때문에 빔 소스로 거의 사용되지 않습니다.
MBE의 반응 챔버는 초고진공 환경을 갖추고 있어 분자의 평균 자유 경로를 증가시키고 성장 물질 표면의 오염과 산화를 줄입니다. 제조된 에피택셜 물질은 우수한 표면 형태와 균일성을 가지며, 서로 다른 도핑이나 서로 다른 재료 성분을 사용하여 다층 구조로 만들 수 있습니다.
MBE 기술은 단일 원자층 두께의 초박형 에피택시층의 반복 성장을 달성하며, 에피택시층 사이의 경계면은 가파르다. III-V 반도체 및 기타 다성분 이종 재료의 성장을 촉진합니다. 현재 MBE 시스템은 차세대 마이크로파 장치 및 광전자 장치 생산을 위한 고급 공정 장비가 되었습니다. MBE 기술의 단점은 느린 필름 성장 속도, 높은 진공 요구 사항, 높은 장비 및 장비 사용 비용입니다.
3.11 증기상 에피택시 시스템
기상 에피택시(VPE) 시스템은 기체 화합물을 기판으로 수송하고, 화학 반응을 통해 기판과 동일한 격자 배열을 갖는 단결정 물질층을 얻는 에피택시 성장 장치를 말한다. 에피택셜 층은 호모에피택셜 층(Si/Si) 또는 헤테로에피택셜 층(SiGe/Si, SiC/Si, GaN/Al2O3 등)일 수 있다. 현재 VPE 기술은 나노재료 제조, 전력소자, 반도체 광전자소자, 태양광 발전, 집적회로 분야에서 널리 사용되고 있다.
일반적인 VPE에는 대기압 에피택시와 감압 에피택시, 초고진공 화학 기상 증착, 금속 유기 화학 기상 증착 등이 포함됩니다. VPE 기술의 핵심은 반응 챔버 설계, 가스 흐름 모드 및 균일성, 온도 균일성 및 정밀 제어이며, 압력 제어 및 안정성, 파티클 및 결함 제어 등
현재 주류 상업용 VPE 시스템의 개발 방향은 대형 웨이퍼 로딩, 완전 자동 제어, 온도 및 성장 과정의 실시간 모니터링입니다. VPE 시스템은 수직, 수평, 원통형의 세 가지 구조를 가지고 있습니다. 가열 방법에는 저항 가열, 고주파 유도 가열 및 적외선 복사 가열이 포함됩니다.
현재 VPE 시스템은 대부분 수평 디스크 구조를 사용하는데, 이는 에피택셜 필름 성장의 균일성이 우수하고 웨이퍼 로딩이 크다는 특징을 가지고 있습니다. VPE 시스템은 일반적으로 반응기, 가열 시스템, 가스 경로 시스템 및 제어 시스템의 네 부분으로 구성됩니다. GaAs 및 GaN 에피택시막의 성장시간이 상대적으로 길기 때문에 유도가열과 저항가열이 주로 사용된다. 실리콘 VPE에서 두꺼운 에피택셜 필름 성장은 주로 유도 가열을 사용합니다. 얇은 에피택셜 필름 성장은 빠른 온도 상승/하강 목적을 달성하기 위해 주로 적외선 가열을 사용합니다.
3.12 액상 에피택시 시스템
LPE(Liquid Phase Epitaxy) 시스템은 성장하고자 하는 물질(Si, Ga, As, Al 등)과 불순물(Zn, Te, Sn 등)을 유기층에 용해시키는 에피택시 성장 장비를 말합니다. 녹는 점이 낮은 금속 (예 : Ga, In 등)을 사용하여 용질을 용매에 포화 또는 과포화시킨 다음 단결정 기판을 용액과 접촉시키고 용질이 용매에서 침전됩니다. 점차 냉각되어 기판과 유사한 결정 구조와 격자 상수를 갖는 결정 물질 층이 기판 표면에 성장합니다.
LPE 방법은 Nelson 등이 제안했습니다. Si박막 및 단결정 재료는 물론 III-IV족, 수은카드뮴텔루라이드 등의 반도체 재료를 성장시키는데 사용되며, 각종 광전자소자, 마이크로파소자, 반도체소자, 태양전지 등을 만드는 데 사용할 수 있다. .
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게시 시간: 2024년 8월 31일