박막 증착은 반도체의 주요 기판 재료에 필름 층을 코팅하는 것입니다. 이 막을 절연성 화합물인 이산화규소, 반도체 폴리실리콘, 금속 구리 등 다양한 재료로 만들 수 있다. 코팅에 사용되는 장비를 박막증착 장비라고 한다.
반도체 칩 제조 공정으로 보면 프론트엔드 공정에 위치한다.
박막 제조 공정은 성막 방법에 따라 물리기상증착(PVD)과 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition) 두 가지로 나눌 수 있다.(CVD)그 중 CVD 공정 장비의 비중이 더 높습니다.
PVD(물리적 기상 증착)는 증발, 스퍼터링, 이온빔 등을 포함하여 저압 가스/플라즈마를 통해 재료 소스의 표면을 기화시키고 기판 표면에 증착하는 것을 의미합니다.
화학기상증착(CVD)은 혼합가스의 화학반응을 통해 실리콘 웨이퍼 표면에 고체막을 증착시키는 공정을 말한다. 반응조건(압력, 전구체)에 따라 대기압으로 나누어진다.CVD(APCVD), 저압CVD(LPCVD), 플라즈마 강화 CVD(PECVD), 고밀도 플라즈마 CVD(HDPCVD) 및 원자층 증착(ALD).
LPCVD: LPCVD는 더 나은 스텝 커버 능력, 우수한 구성 및 구조 제어, 높은 증착 속도 및 출력을 가지며 입자 오염 원인을 크게 줄입니다. 반응을 유지하기 위해 가열 장비를 열원으로 사용하는 경우 온도 제어 및 가스 압력이 매우 중요합니다. TopCon 셀의 폴리층 제조에 널리 사용됩니다.
PECVD: PECVD는 무선 주파수 유도에 의해 생성된 플라즈마를 사용하여 박막 증착 공정의 저온(450도 미만)을 달성합니다. 저온 증착은 에너지 절약, 비용 절감, 생산 능력 증가, 고온으로 인한 실리콘 웨이퍼의 소수 캐리어 수명 감소를 줄이는 주요 장점입니다. PERC, TOPCON, HJT 등 다양한 Cell 공정에 적용 가능합니다.
ALD: 우수한 필름 균일성, 조밀하고 구멍 없음, 우수한 스텝 커버리지 특성, 저온(상온-400℃)에서 수행 가능, 간단하고 정확하게 필름 두께 제어 가능, 다양한 형상의 기판에 널리 적용 가능 반응물 흐름의 균일성을 제어할 필요가 없습니다. 그러나 단점은 성막 속도가 느리다는 것이다. 나노구조 절연체(Al2O3/TiO2) 및 박막 전자발광 디스플레이(TFEL)를 생산하는 데 사용되는 황화아연(ZnS) 발광층 등이 있습니다.
원자층증착(ALD)은 단일 원자층 형태로 기판 표면에 얇은 막을 한 층씩 형성하는 진공 코팅 공정이다. 이미 1974년 초 핀란드의 재료물리학자 Tuomo Suntola가 이 기술을 개발하여 100만 유로의 Millennium Technology Award를 수상했습니다. ALD 기술은 원래 평면 패널 전계 발광 디스플레이에 사용되었지만 널리 사용되지는 않았습니다. ALD 기술이 반도체 산업에 채택되기 시작한 것은 21세기 초부터였습니다. 기존의 산화규소를 대체할 초박형 고유전체 재료를 제조함으로써 전계 효과 트랜지스터의 선폭 감소로 인한 누설 전류 문제를 성공적으로 해결했으며 무어의 법칙이 더 작은 선폭을 향해 더욱 발전하도록 촉발시켰습니다. Tuomo Suntola 박사는 ALD가 부품의 집적 밀도를 크게 높일 수 있다고 말한 적이 있습니다.
공개 자료에 따르면 ALD 기술은 1974년 핀란드 PICOSUN의 Tuomo Suntola 박사가 발명했으며 인텔이 개발한 45/32 나노미터 칩의 고유전막 등 해외에서 산업화되었습니다. 중국에서는 우리나라가 외국보다 30년 이상 늦게 ALD 기술을 도입했습니다. 2010년 10월 핀란드 PICOSUN과 푸단대학교가 국내 최초로 ALD 학술교류회를 개최해 ALD 기술을 중국에 최초로 소개했다.
기존의 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition)과 비교하여(CVD) 및 물리기상증착(PVD)에 비해 ALD의 장점은 뛰어난 3차원 정합성, 대면적 필름 균일성, 정밀한 두께 제어 등으로 복잡한 표면 형상과 고종횡비 구조에서 초박막 필름을 성장시키는 데 적합합니다.
—데이터 출처: 청화대학교 마이크로 나노 처리 플랫폼—
포스트무어 시대에는 웨이퍼 제조의 복잡성과 공정량이 크게 개선됐다. 로직 칩을 예로 들면, 45nm 미만 공정의 생산 라인, 특히 28nm 이하 공정의 생산 라인 수가 증가함에 따라 코팅 두께 및 정밀 제어에 대한 요구 사항이 더 높아집니다. 다중 노출 기술이 도입된 후 필요한 ALD 공정 단계 및 장비 수가 크게 증가했습니다. 메모리 칩 분야에서는 주류 제조 공정이 2D NAND에서 3D NAND 구조로 진화하고, 내부 레이어 수는 지속적으로 증가하고 있으며, 부품은 점차 고밀도, 고종횡비 구조를 제시하며 중요한 역할을 하고 있습니다. ALD가 나타나기 시작했습니다. 미래 반도체 발전의 관점에서 볼 때, ALD 기술은 포스트 무어 시대에 점점 더 중요한 역할을 하게 될 것입니다.
예를 들어 ALD는 복잡한 3D 적층 구조(예: 3D-NAND)의 커버리지 및 필름 성능 요구 사항을 충족할 수 있는 유일한 증착 기술입니다. 이는 아래 그림에서 생생하게 볼 수 있습니다. CVD A(파란색)에 증착된 필름은 구조의 하부 부분을 완전히 덮지 않습니다. 커버리지를 달성하기 위해 CVD(CVD B)에 일부 공정 조정이 이루어지더라도 필름 성능과 하단 영역의 화학적 조성이 매우 열악합니다(그림의 흰색 영역). 이와 대조적으로 ALD 기술을 사용하면 완벽한 필름 커버리지를 보여주고 구조의 모든 영역에서 고품질의 균일한 필름 특성이 달성됩니다.
—-CVD와 비교한 ALD 기술의 장점(출처: ASM)--
CVD는 단기적으로는 여전히 가장 큰 시장 점유율을 차지하고 있지만 ALD는 웨이퍼 팹 장비 시장에서 가장 빠르게 성장하는 부분 중 하나가 되었습니다. 성장 잠재력이 크고 칩 제조에 핵심적인 역할을 하는 ALD 시장에서 ASM은 ALD 장비 분야의 선두 기업이다.
게시 시간: 2024년 6월 12일