[반도체공정및응용] Deposition

안녕하세욥

오늘 글은 반도체 공정 및 응용에서 deposition에 대한 이야기를 해보려합니다!

조금 내용이 길어질 것 같아요.. 그래도 열심히 써보겠습니닷!

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< Vacuum >

• Vacuum

vacuum은 진공 상태를 일컫는 말입니다. 

불순물의 영향이 없을수록 고진공 상태를 말하고, 1 Atm = 760 Torr라고 합니다. 

이러한 진공도의 기준은 아래와 같습니다. 

- Low Vacuum : > 10^-3 Torr

- High Vacuum : < 10^-3 Torr

- Very High Vacuum : < 10^-6 Torr

- Ultra High Vacuum : < 10^-9 Torr

 

vacuum은 high vacuum일수록 contamination없이 유지 가능하고

전자와 분자의 mean free path가 커지기 때문에 중요한 환경중의 하나입니다. 

 

• Vacuum system

Vacuum system은 두가지로 나뉘어집니다. 

1) Rough vacuum (10^-2 ~ 10^-3 Torr)

RP(Roughing Pump)로 내부 공기를 지속적으로 뽑아내어 진공을 형성합니다. 

pump오일이 rotor위에 존재하여 공기가 계속 이동할 수 있게 됩니다. 

 

2) High vacuum (~10^-7 Torr)

RP사용 후 high vacuum을 형성하기 위해 3가지의 pump를 사용하여 형성합니다. 

ⅰ CRYP pump : He과 같은 저온 기체가 너무 차갑기에 다른 분자들을 굳게하여 제거

ⅱ diffusion pump : oil을 가열해 기화시키면 에너지가 생기고 이는 O2, N2와 같은 물체를 액체로 만들어 떨어뜨려 제거

ⅲ turbo pump : 빠르게 날개를 회전시켜 물리적으로 기체를 뽑아냄

 

이 둘은 진공 환경을 쓸 때 같이 사용되고 위와 같은 구조를 가집니다. 

즉 1)RP(Roughing Pump)를 이용해 10^-2Torr까지 만든 후 사용한 valve를 끈 뒤 2)HP(High-vacuum Pump)를 위한 valve를 켜서 10^-7 Torr까지 형성하게 됩니다. 

 

• mean free path

mean free path(λ)는 분자가 충돌하기 전 평균적으로 이동하는 거리를 말합니다. 

공정적으로 중요한 parameter이고, chamber내부 source와 wafer사이 길이가 λ보다 짧아야지 공정이 가능해집니다.

이 λ가 너무 길면 열을 사용하고 가까우면 이러한 열이 wafer에 영향을 끼칠 수 있게 됩니다. 

후에 나올 deposition 공정을 비교하면

evaporation은 ~10^-7 Torr에서 진행되어 λ=60m정도이고,

sputtering은 ~10^-1 Torr에서 진행되어 λ=60um정도를 가집니다. 

 

 

 

 

< Evaporation >

본격적으로 deposition의 방법 중 하나인 evaporation에 대해 알아봅시다!

• Thermal Evaporation

thermal evaporation은 열을 이용한 공정입니다. 

이전에는 필라멘트를 이용해 가열했는데, 현재 boat를 사용해 온도를 가열시킵니다. 

 

장점) 간단하고 자동화가 잘 되어있음

단점) ⅰ복합체 형성이 어려움

           (boat 2개를 동시 가해 제작해도 원하는 비율 형성이 어려움)

          ⅱ high meltin point는 가열시키기 어려워 녹이기 힘듬

          ⅲ thick film을 형성하기 어려움

 

• Electron-Beam Evaporation

E-beam evaporation은 고에너지를 source 표면에 쏘아 기화시킨 물질을 deposition하는 방법입니다. 

15keV의 높은 에너지를 사용하고 target부분은 녹으면서 기화됩니다. 

 

장점) ⅰhigh melting temperature에서 물질을 녹일 수 있음

          ⅱ high-purity thin film을 형성할 수 있음

          ⅲ source size가 큼 ( -> 작으면 교체를 자주 해주어야 해서 line이 멈추고 진공을 잡는데 시간,비용이 소모됨)

단점) ⅰ비쌈

          ⅱ oxide layer에 radiation damage 발생

 

 

• Deposition rate monitoring

deposition이 얼마나 진행되어 있는지 확인하기 위해 사용하는 방법 중 하나는 Quartz crystal microbalance가 있습니다. 

source 물질 진입 경로애 monitor를 넣어 초당 얼마나 두께가 증가하는지 측정함으로써 이를 확인합니다. 

quartz안에 top, bottom 전극을 통해 frequency를 측정함으로써 정확한 값을 얻어냅니다. 

 

• Shadowing & Step coverage

또한 deposition에서 중요하게 확인해야 하는 문제가 바로 shadowing과 step coverage입니다. 

두 문제는 low pressure vacuum deposition에서 source와 기판 사이의 거리가 먼 경우에 주로 발생합니다. 

이러한 문제는 substrate holder를 돌리며 증착하면 막을 수 있습니다. 

그리고 shadowing은 아래 두개로 분류할 수 있습니다. 

 

 

 

< Sputtering >

• Sputtering

sputtering은 target물질을 때리는 Ar+와 같은 energetic ion을 사용합니다. 

ion을 target에 날려 때리면서 target물질이 떨어지고 이가 wafer에 붙으며 deposit됩니다. 

장점은 아래와 같습니다. 

ⅰcomposite material을 구성하기 쉬움

ⅱ evaporation보다 높은 압력, 저진공이기에 mean free path가 작아 rotation이 필요없이 더 나은 step coverage를 보임

이러한 sputtering은 DC와 RF power 사용 법의 차이로 구분지을 수 있습니다. 

 

1. DC Sputter

DC Sputter는 conductive물질을 deposit하는, 전극이나 metal을 형성할 때 사용합니다. 

target에 음전압을 걸어 plasma에서 Ar+가 target에 붙으면 다시 e-를 만나 중성화되어 떨어지고 다시 plasma로 가서 계속적인 반응을 일으키게 됩니다. 

이로 인해 plasma가 계속 유지됩니다. 

Ar+는 e-보다 느려서 plasma 구역에서 target과 가까운 면쪽에 존재하고 Sheath를 형성시키게 됩니다. 

이 Sheath구역에서 전압강하가 매우 커져 feedback처럼 작용됩니다. 

 

 

2. RF Sputter

RF Sputter는 insulator물질을 deposit할 때 사용합니다. 

DC power에서 isulator를 deposit하면 target에 Ar+가 박힌 뒤 빠져나오지 못해 sputtering이 멈춰집니다. 

그렇기에 RF power로 (+)를 걸어주면 붙어있는 Ar+가 다시 plasma로 돌아올 수 있게 됩니다. 

ion과 electron의 mobility차이로 plasma biases positively 되고, electron area를 줄이면 이러한 속도차이가 극대화 됩니다. 

 

 

 

 

< CVD >

• CVD( Chemical Vapor Deposition)

CVD는 poly-Si (gate), SiO2 (gate dierectric, insulator, mask, ), SiN4 (hard mask, packaging 후 보호물질), metap (W)등을 형성하는데 사용됩니다. 

 

• CVD mechanism

CVD는 위와 같은 mechanism을 따릅니다. 

먼저 surface에 reactant 물질, 반응 gas를 넣어줍니다. 

이 reactacn는 표면에 도달하여 온도에 의해 diffusion되고 wafer substrate에서 표면과 반응하게 됩니다. 

반응을 통해 solid물질은 deposit되고, gas물질은 by-product로써 outdiffusion됩니다. 

 

이러한 과정을 반복하여 아래와 같이 thin film을 형성할 수 있습니다. 

 

 

• Kinetics of CVD Process

CVD 과정을 Kinetic 수식으로 표현할 수 있습니다. 아래 자료를 참고해주세요!

위를 정리하면 CVD는 두가지 영역으로 반응이 일어남을 확인할 수 있습니다.

1. Mass-transfer-limited depostion

2. Surface-reaction-limited deposition

 

 

 

• CVD 종류

CVD는 진행하는 압력에 따라 종류를 세가지로 구분할 수 있습니다. 

 

1. APCVD(Atmospheric-Pressure CVD)

- Pressure : 760 Torr, 1기압

- mass transfer controlled regime

    : deposition rate는 온도에 constant하고 gas의 flow, transport가 중요함. 

           -> placed up & side by side (컨베이어 벨트 사용)

- 세 구역으로 존재

 

 

2. LPCVD(Low-Pressure CVD)

- Presurre : 0.1~1 Torr, 1/100기압

- surface reaction limited regime

   : 온도에 매우 민감하고 gas flow는 중요하지 않음

- hot-wall (300~1150℃)를 사용하고 low pressure임

- uniformity와 step coverage가 좋음 (∵ 저진공으로 불순물이 상대적으로 매우 적음)

 

 

3. PECVD(Plasma-Enhanced CVD)

- Presurre : 1~10 Torr

- free radical 사용 

   : SiH4(SiH4, SiH3, H+, e-)와 같은 plasma에서 SiH3와 같이 전기적으로 중성이지만 H+가 없어 반응성이 크고 화학적으로 불안한 물질

    => chemical reaction rate가 폭발적으로 증가하여 low temperature에서도 빠른 deposition rate를 보임. 

  : 전기적 중성 물질이기에 툭하면 반응, extremely reaction

- RF power를 증가시키면 step coverage가 높아져 온도 올리는 것과 비슷한 효과를 냄

 

 

• step coverage

step coverage는 원하는 구조와 실제 형성된 구조의 차이정도를 통해 확인할 수 있고, 계산하는 수식은 위와 같습니다

그리고 step coverage에 영향을 끼치는 요인들은 아래와 같습니다. 

 

 

 

< Deposition을 진행하는 물질들 >

deposition 물질에 따른 방법들은 다음 필기를 참조해 주세요! 

 

 

 

< Epitaxy >

• Epitaxy

epitaxy는 single crystal을 사용하기 위한 공정입니다. 

lattice constant가 일치해야지 균일하게 형성할 수 있습니다. 

Si wafer가 seed crystal역할을 하고 VPE(Vapor-Phase Epitaxy) 방법을 주로 사용합니다. 

mass-transfer-limited growth에 해당하는 방식으로, growth rate control이 좋고 온도에 덜 민감합니다. 

 

HCl을 사용하는 In-situ etching process는 HCl로 표면을 조금 깎아 epitaxy 진행 이전의 표면 불순물을 제거할 수 있습니다.

 

 

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오늘 글은 여기까지 입니다!

중간에 필기를 대체하였는데,. 시험에서도 저부분이 조금 덜 중요하게 언급되어서 그랬습니다 ㅎㅎㅎ

화학식이 중요한게 아니니까요..!!ㅎㅎㅎ

글 읽어주셔서 감사합니닷