[증착공정] 훈련 6 : "MOCVD에 대해서 설명하세요."

CVD는 보통 산화막을 증착합니다. 이때 성장한 산화막은 gate oxide로도 사용되며, PECVD와 같이 저온공정으로 성장된 산화막은 passivation layer, diffusion blocking layer, ILD, IMD 와 같은 용도로 사용됩니다. 이번 교육에서는 CVD을 이용한 금속박막 증착에 대해서 교육하겠습니다.

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[질문 1]. Metal Organic CVD, MOCVD에 대해서 설명해주세요.

CVD를 이용한 금속 박막 증착에 대표적인 방식은 MOCVD입니다. MOCVD는 금속 유기 원료를 소스로 사용하여 기판 위에 박막을 형성시키는 CVD 방식입니다. 유기금속화합물은 금속원자와 탄소원자의 결합물로, 불안정하고 분해되기 쉬운 유기금속화합물을 수소 등을 사용해 기판 위에 증기상태로 주입하면 열분해 반응이 일어나 금속 상태의 결정이 기판 위에 형성됩니다. 

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[꼬리 1-1].  MOCVD의 장점에 대해서 설명하세요. 

MOCVD는 우수한 박막을 형성할 수 있는 방법으로 반응 소스가 모두 기체 상태로 공급되므로 반응소스의 양을 쉽고 정확하게 제어할 수 있어 여러 층의 박막을 형성할 수 있습니다. 또한 일정 온도로 가열된 기판 외에 다른 열에너지는 불필요하기 때문에 설비 자체가 간단하고 대량생산이 가능합니다. 그리고 고순도로 정제된 반응원료를 사용하기에 우수한 박막특성을 가지며 Step coverage 또한 우수합니다. 
"고품격의 박막 에피성장과 불순물 도핑 등의 제어가 '가스 유량'과 '기판 온도'만으로 제어 가능함"

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[꼬리 1-2].  MOCVD의 단점에 대해서 설명하세요. 

MOCVD의 단점은 사용하는 금속유기원료가 대부분 독성을 가지는 전구체라는 것입니다. 또한 박막 증착 시 Hetero-epitaxy 성장에서 이종 물질 간의 서로 다른 격자상수 mismatch로 결함 유발 가능성이 있습니다. (Si 기판에서 단결정으로 성장) 또한 금속유기원료는 금속원자와 탄소원자의 결합으로 carbon이 있기 때문에 TiN(C) 같이 금속 박막에서 carbon을 상당히 함유한다는 단점이 있습니다. 또한 잔여 불순물이 많기 때문에 비교적 높은 비저항을 가지게 됩니다.

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[꼬리 1-3].  MOCVD의 증착 원리에 대해서 설명하세요. 

기능성 박막을 다층구조로 적층하는 공정은 MOCVD를 통해 이루어집니다. MOCVD는 Chamber 내부에 가열된 기판 표면에 금속유기 화합물 증기를 높은 압력으로 전달시켜 원하는 박막을 형성시키는 원리로 증착됩니다. MOCVD를 통한 박막 증착은 2가지의 Step으로 이루어져 있습니다. 우선 반응 가스에 의한 thermal decomposition으로 금속 박막을 증착하고 2번째 step으로 H2/N2 플라즈마 처리를 통해 박막의 비저항을 감소시킵니다. 플라즈마 처리에 따른 volume shrinkage를 발생하고, PVD 방식 보다 우수한 Step coverage 특징을 가집니다.
 따라서, MOCVD는 다성분계 화합물 증착에 관해서 최고의 증착 장비로, 각종 유전체, 금속, 화합물 반도체 등 다양한 박막에 적용되고 있습니다. 특히 화합물 반도체 막막 형성 시에 생산성이 가장 우수한 공정으로 손 꼽히고 있습니다.

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[꼬리 1-4]. 2번째 Step에서 플라즈마 처리는 왜 해주는 것인지 설명하세요. 

MOCVD의 증착 원리는 2가지의 Step을 가진다고 말씀드렸습니다. 금속 유기소스가 주입되면 열분해에 의해 thermal CVD 방식과 같이 기판에 박막이 형성됩니다. 그런데 MOCVD의 반응소스는 금속원자와 탄소원자의 결합으로 금속박막 내에 Carbon 함유량이 높은 단점이 있습니다. 이를 수십 A(Angs.) 깊이로 N2/H2 플라즈마 처리를 해줌으로써 Carbon이 제거되고 이로 인해 박막의 volume이 수축하게 됩니다. 

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[꼬리 1-5]. MOCVD 박막은 어느 박막을 주로 성장하는가. 

보통 박막들은 oxide 표면에서 adhesion 특성이 불량하고, WF6 같은 경우 반응성이 높아 Oxide 층으로 metal 원자가 diffusion 되는 문제가 발생합니다. 그래서 반드시 CVD or PVD를 통한 TiN 박막 같은 metal barrier를 증착해야 합니다. 이때 MOCVD를 통해 우수한 금속 박막을 형성합니다. W은 Plug나 wiring에서 사용됩니다. 

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■ 유기금속화합물 : 금속을 성분으로 하는 유기화합물로서, 금속과 탄소의 화학결합을 포함하는 화합물.
유기화합물 중의 산소, 질소, 인 원자가 금속과 결합한 것은 포함시키지 않습니다. 그리고 금속원자는 주기율표 상 전형원소와 전이원소를 말합니다.
■ 금속간 화합물 반도체 : 2개의 다른 금속 원소의 원자가 결합하여 금속결정을 구성한 반도체로, 2개의 금속이 하나로 되어서 가전자대를 충족시키는 데 충분한 전자를 공급하고 있음. 
'GaAs, InSb, InAs, GaP 등이 화합물 반도체임'

[꼬리 1-6]. MOCVD의 비전에 대해서 설명하세요. 

현재는 MOCVD로 가려하고 있습니다. 그 이유는 Ⅲ-Ⅴ 반도체 때문입니다. Si 기반 반도체는 scaling의 한계에 봉착했습니다. 반면, Si 기판 소자에 비해 Ge 소자는 정공의 이동도가 높고, Ⅲ-Ⅴ 반도체 소자는 전자의 이동도가 높은 특성을 갖습니다. 이는 NMOS 이동도는 25배, PMOS 이동도는 4.4배 향상되는 결과를 갖습니다. High mobility는 동작전압을 낮추고, 높은 전류밀도로 우수한 소자 performance를 달성할 수 있습니다. Ge을 이용하여 정공의 이동도를 높임으로써 PMOS를 대체하고, Ⅲ-Ⅴ 반도체 소재를 이용하여 전자의 이동도를 높여 NMOS로 대체할 수 있는 잠재력을 가지고 있기 때문입니다.

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[꼬리 1-7]. MOCVD의 장비구성에 대해서 설명하세요. 

MOCVD는 크게 챔버와 액체원료 공급장치인 LDS(Liquid Delivery System)으로 구분합니다. MOCVD에서 가장 중요한 것은 금속유기소스를 원활하게 공급함으로써 우수한 공정도를 구현하는냐인데, 이는 챔버구조와 LDS에 따라 달라집니다. 챔버는 원료가스를 분사하는 방식에 따라 분무식, 샤워식, 가스공급 구조, 가스 공급 배출 구조 등으로 나누어집니다. LDS는 액체 원료를 기화시키는 기화기와 액체원료 공급장치 일반 구조로 나누어집니다. 이외에도 박막 성장과 depo. rate은 압력과 증착 온도, 반응기를 통한 가스 flow에 따라 조정됩니다.