세상에서 가장 쉬운 반도체공정 설명 Step.4 - 증착공정편
반도체를 만드는 과정은 8단계로 나눌 수가 있어요. 순서대로 나열하면, 웨이퍼제조 > 산화 -> 포토 > 식각 > 증착 > 금속배선 > 테스트 > 패키징입니다. 이중 오늘 살펴볼 것은 증착공정 입니다. 웨이퍼제조는 실제로 반도체공장에서 하는 것이 아닌 만들어져서 나오기 때문에 패스하기로 해요.
반도체를 만드는 방향은 블록을 쌓듯이, 아래에서 위로 쌓아가는 식으로 만듭니다. 테스트와 패키징 공정을 후공정이라 하는데요. 이 두 공정을 제외한 앞선 공정을 전부 전공정이라 부릅니다. 전공정에 대해서 이것만 기억하기로 하죠. 필요한 부분은 물질로 씌우고 필요없는 부분은 깎는 것이라고요.
증착공정 :
지금까지 웨이퍼위에 산화막을 입히는 산화공정(산화공정 참고). 산화막 위에 감광액을 입히고 회로를 그려넣는 포토공정(포토공정 참고). 그려진 회로를 제외하고 나머지를 깍는 식각공정(식각공정 참고)까지 했죠. 식각까지 끝마치면 여기 위에 얇은 박막(Thin Film)을 붙여줍니다. 이 박막은 회로간의 구분과 연결, 보호역할을 해주는데요. 이것이 바로 증착공정(Deposition)의 핵심입니다. 증착공정을 왜 Depositon이라 부를까요? De-는 ~아래에 라는 뜻이고요. Position은 ~놓다, ~위치하다라는 뜻이죠. 이 둘을 합치면 아래에 놓다라는 뜻이되죠. 박막을 웨이퍼표면에 씌우는 것임으로 직관적으로 이해하기 쉽습니다.
이 박막은 굉장히 얇아요. 1μm(100만분의 1) 이하의 정말 얇은 막이죠.이 얇은 박막을 씌우는 방법은 두 가지가 있는데요. 역시나 여기서도 물리적증착방식과 화학적증착방법이 쓰이죠. 사실, 수증기를 사용하기 때문에 '기상'이라는 단어를 추가해서 물리적 기상증착방법(PVD, Physical Vapor Deposition), 화학적 기상증착방법(CVD, Chemical Vapor Deposition)이라 하죠.
여기서잠깐!!
증착공정에서 이온주입(Ion Implantation)은 필수에요. 순수한 반도체는 규소(Si)로 되어있기 때문에 전기가 통하지 않은 상태이죠. 이때 이온을 주입하면 전도성을 갖게 되는 것입니다. 여기서 이온이라 하면 인(P), 비소(As), 붕소(B)를 뜻해요. 인과 비소를 넣으면 n형반도체, 붕소를 넣으면 p형 반도체가 되는 것입니다. 즉, 이온주입은 반도체에 전도성을 갖게 하기위해 생명을 불어넣는 작업이라 할 수 있습니다.
1. 화학적 기상증착방법(CVD, Chemical Vapor Deposition) :
CVD는 앞서 계속얘기했던 화학물질로 도포하는 방식과 똑같습니다. 다시 설명하자면, 혼합기체에 에너지를 가하면 어더한 화합물이 되겠죠. 이를 도포해주면 되는 방식인 것이죠. CVD는 속도는 빠르지만 부산물이 생기는 한계가 있어요. 부산물이 생기면 박막에 불순물이 섞일 수도 있겠죠. 이는 성능저하로 이어질 수 있습니다.
2. 물리적 기상증착방법(PVD, Physical Vapor Deposition) :
PVD는 물리적 기상층작방법이죠. 말 그대로 물리적으로 박막을 씌우는 것인데요. A물질에 가속된 이온을 날려보내면 A의 특정 입자가 떨어져나오는데요. 쌔게 맞으면 빠르게 A입자가 튀어나오는데, 이게 웨이퍼에 충돌하게 되면서 박막이 씌워지는 것이죠(식각공정에서 설명했던 스퍼터링Sputtering 공정과 같습니다). PVD는 화합물과 달리 부산물도 안생기고 특정 반응이 필요한 화합물과 다르게 그냥 때리는 것이기에 왠만한 물질들도 증착에 쓸 수 있어요. 예를 들어, 텅스텐(W), 코발트(Co)이 있죠. 그래서 PVD는 순수물질이 많이 사용되는 금속 배선을 만들 때 주로 사용합니다.
3. ALD(Atomic Layer Deposition) 증착방법 :
CVD, PVD방법의 한계는 분명해요. 바로 점점 미세화되어가는 반도체트랜드를 따라가기 위해서는, 박막두께를 정말 얇게 만들어야하고 도포성도 균일해야하는데 이것에 한계가 있는 것이죠. ALD방식은 원자층을 한층한층 쌓아가며 증착하는 방식이기 때문에 박막두께조절에 정말 용이합니다.
ALD의 증착방식은 생각보다 간단해요.
· 전구체를 먼저 뿌려줌
· 질소와 아르곤으로 세정 후 반응체를 투입
· 전구체+반응체가 합작하여 새로운막 형성
· 잔여 가스가 날라가면 1개의 원자층이 생기는 것임
ALD의 공정을 보면 CVD와 같은 원리인 것을 알 수 있어요. 다만, 원자단위에서 증착을 했기 때문에 더 얇고 균일한 증착이 가능해진거죠. 다만, 미세한 만큼 시간도 오래걸리고요. 또한, 낮은 온도에서 ALD공정이 진행되는데, 물질의 성질이 덜 활발하다는 것은 단점으로 꼽혀요.
마무리하기 전에 꼭 알아야할 것이 있어요. 지금까지 산화공정 > 포토공정 > 식각공정 > 증착공정까지 알아봤죠. 여기서 웨이퍼는 한장들어가고 위에 산화막을 입히는 것은 한 번이니 반복할 필요는 없어요. 다만, 중요한 것은 포토-식각-증착은 반복된다는 것입니다. 증착공정 다음 금속배선공정인데, 바로 넘어가지 않고 다시 포토로 가서 반복한다는 것이에요. 반도체를 더 밀도 있게 층을 쌓기 위한 과정을 위함입니다. 포토-식각-증착 반복이 완료가 되면 금속배선으로 넘어가게 되는 것입니다.
다음은 금속배전공정으로 찾아오겠습니다 :)