[증착공정] 훈련 5 : "Evolution of Chemical Vapor Deposition, CVD"

이번 장에서는 증착공정의 기술발전 history에 대해서 간략하게 교육하는 시간을 가져보겠습니다. 각 공정마다 어떤 이슈가 발생했고 상응하는 솔루션이 무엇인지 논리를 갖추는 것이 중요합니다.

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• "APCVD는 틀렸어! LPCVD로 가즈아!"
  APCVD는 CVD 공정 초기 상태로 상압에서 열에너지로 박막을 증착합니다. 상압에서 진행하다 보니, 반응소스의 전달속도가 표면 반응속도보다 느립니다. 그래서 주입된 반응가스의 확산속도가 전체 반응속도를 지배합니다. 그래서 반응가스를 주입하는 족족 반응이 일어나기 때문에 높은 Throughput을 가지는 장점이 있습니다.
  
  
• 하지만, 상압에서 공정을 진행하다 보니 particle에 대한 오염에 매우 취약합니다. 그리고 Mean Free Path, MFP가 짧아 Step coverage 특성이 매우 저조하다는 이슈를 가지고 있습니다. 그래서 우수한 막질을 요구하는 반도체 산업에서는 사용하지 않는 추세입니다.
• "Mean Free Path, MFP를 높이고, 반응소스의 전달속도를 높이자!"
  APCVD에 이러한 단점을 보완하기 위해 APCVD보다 약 1/100가량 Low pressure에서 공정을 진행하는 LPCVD가 도입되었습니다. 저압에서 진행하다보니 Mean Free Path, MFP가 길어지고, 진공펌프에 의해 반응소스의 전달속도가 매우 빨라졌습니다. 그로 인해 전달속도가 표면반응속도보다 빨라지면서, 전체 반응속도는 표면반응속도에 의해 지배적이게 됐습니다.
  
  
• "반응소스의 전달속도 = 표면반응속도"
  표면반응속도가 낮다 보니, APCVD보다 초기에는 Throughput이 낮다는 이슈가 존재했습니다. 표면반응속도는 공정온도에 의해 결정됩니다. 그래서 공정온도를 APCVD의 2배 이상 높게함으로써 표면반응속도를 높였고, Throughput 문제를 해결했습니다. 그래서 저압공정인 LPCVD는 600-900℃의 고온공정이 요구되는 것입니다. 또한 APCVD에 비해 저압 공정이기 때문에 MFP가 길어지면서, 우수한 Step coverage 특성을 확보할 수 있게 되었습니다. 
  
  
• "어떻게! Metal Line 다 녹아버렸어"
  반도체의 집적도가 높아지면서 1,000도에 달하는 LPCVD의 공정온도는 상부막에 위치한 IMD와 ILD 층 하부에 존재하는 Metal line을 녹일 만큼 높은 온도입니다. 그래서 저압에서 우수한 step coverage를 유지하면서 저온공정이 가능한 공정이 요구됐습니다. LPCVD는 저압공정으로 우수한 Step coverage 특성을 가지지만, 저온에서는 표면반응속도가 낮아, 아무리 반응 가스를 공급하더라도 Conformal한 박막을 형성하기 어렵고 Throughput이 낮습니다. 그래서 도입한 방법이 플라즈마를 이용한 PECVD 방법입니다.
  
  
• "저온에서도 높은 Throughput 박막을 구현하는 PECVD"
  PECVD는 가스를 Chamber 내부로 주입하고 플라즈마를 형성하기 위해 높은 바이어스를 인가해줍니다. 플라즈마 상탤호 이온화된 기체들은 서로 화학반응을 하여 원하는 물질을 Deposition하고 나머지는 결합하여 chamber 외부로 배기 됩니다. PECVD의 장점은 저온 공정임에도 불구하고 Throughput이 높다는 장점이 있습니다. 하지만 PECVD는 플라즈마를 형성시키기 위해 주입되는 가스에 의해 챔버 내부가 저압임에도 Mean Free Path, MFP가 짧아 높은 Aspect ratio의 depth profile에 박막을 증착하기에는 Step coverage가 낮고, 저온공정이다 보니 LPCVD에 비해 막질이 떨어지는 단점이 있습니다. 
  
  
• "저압에서의 Plasma density를 높여라, HDPCVD"
  PECVD의 MFP를 높임으로써, 좁고 깊은 Depth profile에서 우수한 step coverage를 갖기 위해서는 저압이 요구됐습니다. 하지만 저압 환경에서는 플라즈마를 형성하기 위한 가스의 양이 적기 때문에 플라즈마 형성이 어렵고, 반응가스를 활성화시키기 위한 plasma의 density가 낮아진다는 이슈가 발생합니다. 그래서 PECVD의 낮은 Step coverage 특성을 개선시키기 위해, 더욱 저압이 요구됐고, 저압에서의 높은 plasma density를 형성하는 방식인 High Density Plasma CVD, HDPCVD가 도입됐습니다.
  
  
• "HDPCVD는 Depo-Etch-Depo 반복!"
  HDPCVD는 높은 plasma density를 형성하기 위해 CCP type에서 ICP type의 플라즈마 source를 사용하여 높은 plasma density를 구현했습니다. plasma density는 기존 PECVD 공정에 비해 100배 이상으로 증가됩니다. 저압에서 공정이 가능해졌기 때문에 MFP가 길어지고 우수한 step coverage 특성을 가집니다. 뿐만 아니라 기판 아래 back side에서 RF bias를 인가할 수 있어, 플라즈마 내 이온을 이용하여 sputtering이 가능해지면서 depo-etch-depo를 여러 step으로 in-situ에서 반복적으로 진행함으로써 Step coverage를 극대화시켰습니다.