드디어, Atomic Layer Deposition, ALD 까지 왔습니다. ALD 장비를 이해하면 왜 ALD 장비가 EUV와 함께 미세화 트랜드에 반드시 필요한 공정인지 알 수 있을 것입니다.
[질문 1]. Atomic Layer Deposition, ALD 에 대해서 설명해주세요.
ALD는 Atomic Layer Deposition으로 CVD 방식의 advanced 형태로 reaction time으로 depo. rate을 조절하는 CVD와 달리 cycle로 depo. rate을 조절합니다. ALD는 반응가스를 동시에 주입하는 CVD와 달리 반응소스를 독립적으로 주입함으로써 완벽한 표면반응제어 방식의 deposition이 가능합니다. 막질 내의 불순물을 최소화 할 수 있으며, 거의 ~100%의 우수한 step coverage를 가지며 우수한 막질을 형성할 수 있습니다. 그리고 ALD는 저온 공정이 가능하므로 공정간의 열확산을 최소화 시킬 수 있습니다.
Schematic diagram of ALD system
[꼬리 1-1]. ALD의 장점에 대해서 설명하세요.
ALD는 CVD 대비 반응원료를 각각 분리하여 독립적으로 공급하기 때문에 자기포화반응(Self-Saturated Reaction)에 의해 100% 표면반응이 일어납니다. 그 결과, 100%에 달하는 우수한 Step coverage 특성과 원자층 수 옹스트롱 단위로 증착 가능하기 때문에 박막 thickness 제어능력이 매우 우수합니다. CVD 대비 Chamber volume이 작고 저온 공정으로 dopant 확산을 억제하여 우수한 막질을 형성할 수 있습니다.
[꼬리 1-2]. ALD의 증착메커니즘에 대해서 설명하세요.
ALD의 박막 증착 메커니즘은 4단계로 이루어져 있습니다. 첫 번째로 반응소스인 전구체의 주입단계 입니다. 주입된 전구체는 기판 표면으로 이동하여 기판 전면에 흡착됩니다. 두 번째는 기판에 흡착하지 않은 잔여 반응소스를 제거해주는 Purge 단계입니다. purge 단계를 거친 후, 기판에 흡착된 전구체와 반응할 reactant를 주입해줍니다. 주입된 reactant는 기판 표면에 흡착된 전구체와 반응을 하여 박막을 형성하고, 반응하지 않은 잔여 reactant는 마지막 purge 단계에서 제거됩니다. ('Purge 과정은 잔여 반응소스를 제거해주기 위해, Ar or N gas를 주입해줍니다.)
[꼬리 1-3]. CVD와 ALD의 차이점에 대해서 설명하세요.
CVD 또한 반응소스가 주입되고, 표면에서 화학반응을 수반하여 막질을 형성하는 메커니즘을 가집니다. CVD와 ALD의 가장 큰 차이점은 반응소스를 주입하는 방식과 자기포화반응(Self-Saturated Reaction)이라고 생각합니다. ALD는 반응소스를 각각 독립적으로 챔버 내로 공급하고, 잔여 gas를 purge 과정에서 제거하기 때문에 표면에서 100% 반응이 일어납니다. CVD 또한 ALD처럼 표면에서 100% 반응이 일어나는 것이 이상적이지만, 아무래도 고온환경에서 반응가스를 동시에 주입하기 때문에, 기판 표면 혹은 gas phase 상에서 화학반응이 일어나 particle을 형성하는 등 막질에 영향을 미칩니다. 그 외에도 ALD는 CVD에 대비 저온 환경에서 공정 가능하며, 우수한 Step coverage 특성을 가지고 있습니다.
[꼬리 1-4]. 자기포화반응 (Self-Saturated Reaction)에 대해서 설명하세요.
Self-saturated reaction, 자기포화반응 혹은 자기제한적 흡착이라고도 표현합니다. ALD는 일정 반응이 진행되면 더이상 증착이 되지 않는다는 것을 의미합니다. ALD는 Precursor와 reactant를 독립적으로 공급하기 때문에, 오직 표면에서만 화학반응이 일어납니다. 그로 인해 전구체가 기판 전면에 흡착되면 다른 잔여 반응소스는 기판에 흡착되지 못하는 자기제한적 흡착이 일어납니다. 그 다음 purge를 통해 잔여반응소스는 제거되고 reactant가 주입되어 표면 전체에 흡착되어 있는 전구체와 반응을 하고, 잔여 reactant 역시 반응에 참여하지 않습니다. 따라서 ALD는 100% 표면 반응과 자기포화반응에 의해 원자층 수준으로 박막을 성장시킬 수 있습니다.
[꼬리 1-5]. ALD 박막 최적화를 위한 ALD Window에 대해서 설명하세요.
ALD의 공정변수는 Precursor와 reactant의 feeding time과 그리고 purge time, 공정압력, 그리고 공정온도가 있습니다. 그 중 ALD는 공정온도가 박막성장의 critical한 변수입니다. ALD 공정이 이루어지기 위한 적합한 공정 온도의 범위를 'ALD Window'라고 합니다. ALD window는 공정온도에 따른 Growth per Cycle, 1 cycle 당 박막 성장률의 관계를 나타냅니다. ALD를 이용한 박막 조건을 최적화 하기 위해서는 ALD Window를 기반으로 적절한 공정온도 범위를 찾는 것이 우선되어야 합니다.
[세부설명] "ALD Window"
ALD Window는 위와 같이 공정온도에 따른 Growth per cycle, 1 사이클 당 박막성장률의 관계를 나타냅니다. ALD window는 저온, ALD window, 고온의 영역으로 나뉘고 저온과 고온일 때, 각각 2가지씩 총 4가지의 거동을 보입니다. ■ Low temperature 일 경우. ① Activation energy/steric hindrance limited -이 경우는 공정온도가 낮아 전구체의 활성화 에너지가 부족해서 '불완전한 반응'이 일어나는 상황입니다. 전구체가 표면에 흡착한 뒤 purge 이후, reactant gas가 주입돼었는데, 활성화에너지가 낮아 표면과의 반응이 일어나지 않으면서, 박막 성장이 이루어지지 않는 경우를 말합니다. ② Condensation limited - 이 또한 전구체가 반응물과 반응하지 않고 기존에 주입한 전구체 막에 그대로 쌓이는 경우입니다. 반응원료들이 덩어리채로 엉켜있다고 보면 되겠습니다. ■ High temperature 일 경우. ① Decomposition limited -이 부분은 ALD로서의 장점을 잃어버리는 단계입니다. 보통 CVD의 거동을 보인다해서 CVD Window라고도 합니다. ALD는 100% 표면에서 반응이 일어난다는 장점이 있습니다. 하지만 너무 높은 온도로 인해 열에너지가 커져서 표면뿐 아니라 CVD처럼 Gas phase 상에서 화학반응이 일어나게 되면서, 1 layer 반응 이후에는 반응이 일어나지 않는 '자기포화반응'이 일어나지 않고, precursor와 reactant가 주입되는 대로 모두 분해되어 증착되는 현상입니다. ② Desorption limited - 이 경우는 높은 온도에 의해 이미 증착된 막질의 원자들이 결합을 끊고 탈착되는 경우입니다. 공정온도가 너무 높은 경우, 원자 혹은 분자 사이의 결합을 끊을 수 있을 정도의 열에너지가 주어지게 되면 충분히 결합을 끊고 탈착되어 purge 단계에서 제거되는 경우를 의미합니다.
따라서, 이와 같이 ALD Window의 적절한 온도 범위를 찾지 못 한다면, 균일한 막질 성장에 어려움을 겪을 것입니다.
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