[반도체] 8대공정 면접준비_Thin Film(Deposition) 공정

◆ 8대공정 - Thin Film(Deposition) 공정

 

＊ Thin Film 공정을 설명하시오.

 

① Wafer 위에 원하는 분자 또는 원자 단위의 물질을 박막의 형태로, 목표하는 특성을 갖게 하는 공정을 말합니다. 

 

② 화학적 기상 증착 방식인 CVD 공정과 물리적 기상 증착 방식인 PVD 공정으로 분류할 수 있습니다. 

CVD는 가스의 양 조절을 통해 두께 조절이 용이하며, Uniformity가 상대적으로 좋지만, 화학반응 후 부산물이 발생하기

때문에 박막의 순도, 오염 측면에서 불리합니다. 

PVD는 대부분 금속물질의 증착에 많이 이용하며 Sputtering 방식과 Evaporation 방식이 있습니다.

 

③ 증착 능력을 평가하는 척도로는 Quality, Uniformity, Step Coverage 3가지를 들 수 있습니다. 

첫째, Quality는 박막이 저희가 원하는 전기적 특성, 물리적 특성을 가지고 있는지를 뜻합니다. 전기적 특성을 분석하기

위해 4 단자 측정을 이용하기도 하며, 물리적 특성 분석을 위해서는 SEM을 활용하기도 합니다. 

 

둘째, Uniformity는 박막의 두께나 품질의 균일도를 말하며, 웨이퍼 안에서, 웨이퍼 간, Lot 간 균일도를 분석합니다.

각 균일도가 모두 원하는 스펙 이내에 들어갈 수 있는 공정 Recipe를 확보해야 합니다.

 

셋째, Step Coverage는 평판이 아닌 특정 Aspect Ratio를 가지는 홈 구조에서 위치에 따른 박막 두께의 비율을

의미합니다. 상부 박막 두께와 측벽 박막 두께의 비를 Side Step Coverage, 상부 박막 두께와 바닥 박막 두께의 비를

Bottom Step Coverage라고 합니다. Step Coverage가 100%에 가까울수록 우수한 박막 증착이 이루어졌다고 할 수

있습니다.

 

＊ Step Coverage에 영향을 끼치는 요인에 대해서 설명해보세요.

① Step Coverage에 영향을 끼치는 요인은 압력과 Sticking Coefficient 함수, 증착 원자의 방향성, 증착 면적을 요인으로

들 수 있습니다. Aspect Ratio가 커지면서 점점 더 Depth가 깊어지기 때문에, Deposition하기 어려운 조건이 됩니다.

 

＊ Sticking Coefficient 함수에 대해서 설명해보세요.

① Sticking Coefficient 함수는 반응가스가 외부로부터 주입된 후 얼마나 표면에 움직이지 않고 붙어있는지에 대한

지표입니다. High Sticking Coefficient는 Migration이나 Diffusion 없이 그 자리에 원자가 위치하고 있습니다.

즉, 원자가 Gap 안으로 이동하거나 확산하는 현상이 미비하여 높은 Aspect Ratio를 채우는 Gap Filling 효과가 저하됩니다.

이러한 경우, 표면에 원자가 점점 증착이 되면서 하부 Gap에 Void가 생기는 이슈가 발생합니다. 

 

② 반대로, 도달한 가스원자가 표면에서 충분히 Migration 되면 우수한 Step Coverage를 얻을 수 있습니다.

 

＊ Step Coverage와 압력 사이의 관계에 대해서 설명해보세요.

① Deposition 공정에서 압력은 Mean Free Path, MFP와 관련이 있습니다. 기체 입자가 다른 입자와 충돌하지 않고

움직이는 평균 거리를 의미하며, 온도에 비례하고 압력에 반비례합니다. Mean Free Path가 길면,

높은 Aspect Ratio를 가지는 깊은 홈 안쪽까지 Precursor가 충분히 도달해서 Step Coverage를 향상시킬 수 있습니다.

 

＊ TEOS에 대해서 설명해보세요.

① 공식 명칭은 테트라에톡시실란으로 표면이동도가 높아 SiH4(실란)보다 높은 Step Coverage를 얻을 수 있다.

그러나 650℃라는 비교적 높은 온도에서 공정을 진행하게 되므로 도핑된 영역이 Diffusion 되거나 녹는점이 낮은 메탈에

영향을 줄 수 있다는 단점이 있습니다. 

 

＊ 박막의 Stress에 대해서 설명해보세요.

① 박막의 Stress는 Wafer와 Film 간의 재료의 기계적 물성의 불일치에 의해서 발생합니다. 열팽창계수의 차이에 의해

밖으로 박막을 잡아당기는 인장강도(Tensile Stress)를 견디지 못하면 박막에 Crack이 발생할 수 있고, 반대로 박막을

안으로 밀어 누르는 압축강도(Compressive Stress)를 견디지 못하면 박막에 주름이 발생하여 박막의 불량을 유발하거나

품질이 나빠지게 됩니다. 

 

② 이런 문제를 사전에 예방하기 위해, 박막의 응력을 고려한 소재와 박막 증착 기법을 선정하고 최적의 증착 공정

Recipe를 선정해야 합니다.    

 

＊ CVD에 대해서 설명해보세요.

① Chemical Vapor Deposition의 약자로, 형성하고자 하는 박막의 구성 성분을 가진 기상 상태의 반응 가스들을 주입하여

Wafer 표면에 화학적 반응을 일으켜 고체 박막을 형성하는 방법입니다.

 

② 반응가스인 전구체가 챔버 내부로 주입된 후 대류와 확산에 의해 기판 표면으로 이동하고, 기판 표면에 흡착됩니다.

흡착된 반응 물질들은 기판 표면에서 표면 확산되어 표면 전체로 이동합니다. 표면에서 화학적 반응에 의해 박막이

형성되고 휘발성 부산물들은 가스의 형태로 배기 되는 과정을 거칩니다.

 

③ CVD 공정은 다양한 재료에 적용 가능하다는 장점이 있습니다. HDPCVD, ALD 등 다양한 방식의 CVD 공정을 통해 높은

Aspect Ratio를 가지는 Profile에 우수한 막질의 균일한 Coating이 가능합니다. 하지만, 화학반응 후 생기는 부산물로 인해

박막의 순도, 오염 측면에서 불리하다는 단점이 있습니다.

 

＊ APCVD에 대해서 설명해보세요.

① Atmospheric Pressure CVD의 약자로, 대기압과 같은 상압(760 Torr)에서 열 에너지에 의한 화학 반응을 이용하여

박막을 증착하는 방식입니다. 반응 챔버의 구조가 단순하고, 상압에서 진행하기 때문에 진공펌프나, RF Generator가

필요하지 않다는 장점이 있습니다.

 

② 하지만 Step Coverage가 우수하지 않고, 생산성이 낮으며 가스 소모량이 많다는 단점이 있습니다.

 

③ 주로 소자 내의 층간 절연막(PSG)을 형성하는데 사용했으나 현재는 우수한 품질의 박막이 요구되므로 잘 사용하지

않는 방식입니다.

 

＊ LPCVD에 대해서 설명해보세요.

① Low Pressure CVD의 약자로, 상압보다 낮은 압력(0.1~1 Torr)에서 증착하는 방식입니다. 순도와 Step Coverage가 좋고

Throughput이 높다는 장점이 있습니다.

 

② 하지만 고온 공정으로 공정속도가 느리다는 단점이 있습니다.

 

③ Pre-matal Dielectric Oxide, Nitride, W을 증착하기 위한 용도로 사용됩니다.

 

＊ PECVD에 대해서 설명해보세요.

① Plasma Enhanced CVD의 약자로, 낮은 압력(1~10 Torr)에서 반응기 내 전기장을 이용한 Plasma를 형성시켜 박막을

증착시키는 방법입니다. 저온 공정이며 두께 균일도가 좋다는 장점이 있습니다. 

 

② 하지만 플라즈마로 인한 웨이퍼 손상이 발생할 수 있고 Particle 오염이 발생할 수 있다는 단점이 있습니다.

 

③ Intermetal Dielctric 증착 시에 사용합니다.

 

＊ ALD에 대해서 설명해보세요.

① Atomic Layer Deposition의 약자로 원자층 두께의 박막을 증착하는 기법을 의미합니다.

 

② ALD의 박막 증착 메커니즘은 4단계로 이루어져 있습니다. 첫 번째로 반응소스인 전구체의 주입단계입니다. 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.

 

③ 매우 얇고 균일도 좋은 박막을 증착할 수 있다는 장점이 있지만, 박막 성장 속도가 느려 생산성이 떨어진다는 단점이

있습니다.

 

④ FinFET에서의 high-k 게이트 산화막, DRAM 커패시터의 높은 유전율을 가진 유전막 증착 등에 사용합니다.

 

＊ HDP-CVD에 대해서 설명해보세요.

① High Density Plasma CVD의 약자로, Aspect Ratio가 높은 구조에서 낮은 Step Coverage를 갖는 PECVD의 단점을

극복하기 위해 개발된 방식입니다. 

 

② CCP 방식보다 높은 이온 밀도를 갖는 ICP 방식을 사용하여 저압에서도 높은 플라즈마를 유지할 수 있습니다. 또한

back bias를 인가하여 Deposition과 식각을 반복하면서 Void 없이 박막을 증착시키는 방식입니다. 

 

③ 높은 Aspect Ratio를 갖는 STI(Shallow Trench Isolation) 구조를 형성할 때 사용합니다.

 

＊ CCP type Plasma Source에 대해서 설명하세요.

① Capacitively Coupled Plasma의 약자로  

② 평행한 전극판에 RF Power를 인가하여 내부의 자유전자를 가속하는 방식입니다.

③ 전극판에 공급되는 전계가 골고루 분포하기 때문에 균일한 플라즈마를 형성할 수 있다는 장점이 있지만, 상대적으로

플라즈마 Density가 낮다는 단점이 있습니다.

 

＊ ICP type Plasma Source에 대해 설명하세요.

① Inductively Coupled Plasma의 약자로 

② Chamber를 도전성 코일로 감싸고, 코일에 RF 전원으로 전류를 흘리게 되면 자기장이 발생하는데, 이 자기장에 의해

Chamber 내부에서 유도 전기장이 발생하고, 이 전기장에 의해 자유전자를 가속하는 방식입니다.

③ 전자가 전기장을 따라 원운동을 하게 되므로, 챔버 벽이나 전극과 충돌하지 않아 상대적으로 고밀도의 플라즈마를

얻을 수 있습니다.