박막 공정이란? 칩은 어떻게 한 층씩 ‘쌓아’ 올릴까

박막 공정은 웨이퍼 위에 아주 얇은 새 재료를 한 층 입히는 공정이다. 칩은 한 층씩 쌓아 만든다. 어떤 층은 절연해서 전기를 막고, 어떤 층은 전기가 통해서 전기를 보낸다. 이 새로운 층들은 대부분 박막 구역에서 ‘쌓아’ 올리며, 두께는 대개 수 nm에서 수백 nm에 불과하다. 업계에서는 박막 증착(deposition)이라고도 한다. 흔히 쓰는 방식은 세 가지로, 화학기상증착(CVD), 물리기상증착(PVD, 팹에서 가장 흔한 것은 스퍼터링), 원자층 증착(ALD)이다.

칩은 왜 한 층씩 쌓을까?

휴대폰 칩의 맨 아래에는 트랜지스터라고 부르는 아주 작은 스위치가 100억 개 넘게 있다(‘트랜지스터란?’ 참고). 스위치는 서로 연결되어야 쓸모가 있으므로, 그 위에 금속 배선을 한 층 한 층 덮고, 배선과 배선 사이에는 절연 재료를 한 층씩 넣는다.

층마다 리듬은 비슷하다. 먼저 재료를 한 층 깔고, 포토 공정으로 패턴을 찍은 다음, 식각으로 필요 없는 부분을 깎아 낸다. 박막은 그 첫 단계다. 재료가 한 층 있어야 그다음에 깎을 것이 생긴다. 다른 구역에서 무엇을 하는지는 ‘반도체 공장의 7개 공정 구역은 각각 무슨 일을 할까?’ 참고.

박막은 얼마나 얇을까?

대개 수 nm에서 수백 nm다. 머리카락 굵기가 수만 nm 정도이니, 수백 nm의 막도 머리카락보다 수십~수백 배 얇다. 원자 한 층의 두께는 1nm에도 못 미쳐서, 가장 얇은 막은 수 nm로 원자층을 하나하나 셀 수 있을 정도다.

절연막으로는 이산화규소(유리의 주성분)와 실리콘 질화막을 흔히 쓰고, 도전막은 대부분 금속이다.

흔히 둘 다 ‘막을 성장시킨다’고 말하지만, 사실은 두 종류다. 퍼니스에서 하는 산화는 실리콘 자체를 산소와 반응시켜 웨이퍼에서 한 층을 길러 내는 것이고, 박막 구역에서는 바깥에서 재료를 가져와 맨 위에 덮는다.

화학기상증착(CVD)이란?

CVD는 여러 가스를 밀폐된 챔버에 넣어, 뜨거운 웨이퍼 표면에서 화학 반응을 일으켜 고체 막을 남기고, 남은 배기가스는 뽑아내는 방식이다. 예를 들어 실리콘을 포함한 가스에 산소를 포함한 가스를 더하면 이산화규소 막이 남는다.

전기 주전자 바닥에 끼는 물때와 비슷하다. 물에 녹아 있던 성분이 뜨거운 주전자 바닥에 닿아 반응하고, 단단한 흰 고체 층으로 남는다. CVD도 표면이 충분히 뜨거워야 가스가 그 위에서 반응해 다른 물질로 바뀐다.

가스는 위쪽의 작은 구멍이 가득 뚫린 샤워헤드를 통해 고르게 뿌려진다. 일부 CVD는 플라즈마의 도움을 받는다. 플라즈마는 가스가 전기에 의해 ‘쪼개진’ 상태로, 일부는 전하를 띤 입자가 되고, 그보다 많은 양이 매우 활발해 반응하기 쉬운 조각이 된다(‘식각이란?’ 참고). 이 조각들은 그다지 뜨겁지 않아도 반응하므로 웨이퍼를 덜 가열해도 된다. 공정 후반에는 이미 금속 배선이 있어서 더 많이 가열할 수 없다(열 예산). 가스는 구멍 안으로 파고들어 모든 면에서 반응하므로, CVD는 구멍의 벽과 바닥까지 비교적 잘 덮는다.

물리기상증착(PVD), 스퍼터링이란?

PVD는 화학 반응에 기대지 않는다. 팹에서 가장 많이 쓰는 것은 스퍼터링이다. 챔버를 진공으로 배기하고 아르곤 가스를 조금 넣어 플라즈마를 점화한다. 전하를 띤 아르곤이 전기장에 끌려가 재료판(타깃, 대개 금속)에 부딪혀 원자를 하나씩 떼어 내고, 떨어져 나온 원자가 웨이퍼에 내려앉아 막이 된다.

진공이 필요한 이유는, 공기 중에서는 원자가 1만분의 1mm도 날아가지 못하고 공기 분자와 부딪치며, 산소와 수분도 막 속에 섞여 들어가기 때문이다.

스퍼터링은 스프레이 페인트와 같다. 페인트가 곧게 뿜어져 나가므로 정면을 향한 면이 두껍게 칠해진다. 깊고 좁은 구멍에서는 원자가 대부분 위쪽에 내려앉고 안으로는 잘 들어가지 못해, 구멍 바닥과 벽은 얇아진다. 타깃은 계속 두들겨 맞아 쓸수록 얇아지고, 어느 정도까지 쓰면 교체해야 한다.

원자층 증착(ALD)이란?

ALD는 막을 쌓는 과정을 여러 사이클로 나누고, 한 사이클에 원자 한 층까지만, 대개는 그보다 적게 쌓는다.

주차장을 떠올려 보자. 한 칸에 차가 한 대만 들어가므로, 다 차면 뒤에 온 차는 돌아갈 수밖에 없다. ALD는 먼저 첫 번째 가스를 넣는다. 그 분자가 웨이퍼 표면에 한 층 가득 ‘주차’하면 더는 들어설 자리가 없다. 남은 가스를 깨끗이 불어 내고 두 번째 가스를 넣으면, 주차해 있던 층과 반응해 막 한 층이 되고 표면에 새 주차 칸이 생긴다. 다시 깨끗이 불어 내고 다음 사이클을 시작한다.

한 칸에 한 대만 들어가므로, 구멍 입구든 아주 깊은 구멍 바닥이든 시간만 충분하면 같은 두께로 쌓인다. 대가는 느리다는 점이다. 흔한 방식 하나는 한 사이클에 약 0.1nm를 쌓으므로, 10nm를 쌓으려면 100사이클 정도가 필요하다. 그래서 ALD는 주로 가장 얇고 가장 중요한 곳, 예를 들어 트랜지스터 안의 두께가 수 nm에 불과한 절연막에 쓴다.

CVD, PVD, ALD는 무엇이 다를까?

방식	쌓는 방법	비유	강점	약점
CVD 화학기상증착	가스가 뜨거운 표면에서 반응	주전자 바닥의 물때	빠르고, 재료가 다양하고, 구멍 안까지 쌓임	아주 깊고 좁은 구멍은 입구가 먼저 막힐 수 있음
PVD 물리기상증착(여기서는 스퍼터링)	타깃의 원자를 떼어 냄	스프레이 페인트	금속막, 빠른 증착	구멍 바닥과 벽이 비교적 얇음
ALD 원자층 증착	두 가스를 번갈아, 한 사이클에 최대 한 층	주차장이 가득 참	가장 균일하고, 아주 얇은 막도 제어 가능	아주 느림

가장 두려운 것은 구멍 입구가 먼저 막히는 것이다. 트랜지스터와 그 위의 배선은 작고 깊은 구멍(콘택트)으로 연결되는데, 이 구멍을 금속으로 가득 채워야 한다. 입구가 먼저 닫히면 안에 빈 공간(보이드)이 남는다. 위에서는 보이지 않지만 전기가 잘 흐르지 않는다. 구멍이 가늘고 깊을수록 방식과 두께가 더 까다로워지고, 세 방식을 함께 쓰는 경우도 많다.

두께는 왜 균일해야 할까?

두께가 막의 성질을 정한다. 금속막이 얇으면 저항이 커지고, 절연막이 얇으면 전기를 막지 못할 수 있다. 식각도 두께가 고르지 않은 것을 꺼린다. 같은 웨이퍼에서 얇은 곳이 먼저 뚫리고 두꺼운 곳은 아직이라 식각을 더 해야 하는데, 차이가 클수록 더 오래 식각해야 하고 얇은 곳 아래층이 손상되기 쉽다. 그래서 평균만 맞아서는 안 되고, 같은 웨이퍼의 중심과 가장자리도 두께가 같아야 한다.

증착한 뒤에는 측정한다. 투명한 막은 반사된 빛으로 두께를 계산하고, 빛이 통하지 않는 금속은 전기가 얼마나 잘 통하는지(면저항)를 대신 측정한다. 웨이퍼 한 장에서 여러 지점을 측정해 두께 맵을 그리고, 장비도 정기적으로 모니터 웨이퍼를 돌려 서서히 틀어지지 않는지 본다.

두께가 맞아도 끝이 아니다. 막은 웨이퍼를 당기거나 밀어서 웨이퍼 전체를 살짝 휘게 만든다. 너무 많이 휘면 포토 공정에서 초점을 맞추지 못한다.

막 속에 왜 파티클이 있으면 안 될까?

막을 쌓는 동안 파티클 하나만 웨이퍼에 떨어져도 막 속에 묻혀 작은 혹처럼 부풀어 오르고, 위층까지 비뚤어져 선이 끊어지거나 두 선이 이어질 수 있다. 클린룸이 얼마나 깨끗한지는 ‘클린룸은 얼마나 깨끗할까?’ 참고.

파티클은 장비 자체에서 나오기도 한다. 막은 챔버 내벽과 부품에도 쌓이는데, 두꺼워지면 벗겨져 떨어진다. 그래서 챔버를 정기적으로 청소하고, PM을 마친 뒤에도 먼저 테스트 웨이퍼를 돌려 파티클 수를 세는 테스트 런을 통과해야 로트를 넣는다.

증착한 뒤에 왜 또 평탄화할까?

막은 아래의 모양을 따라 쌓이므로, 아래가 울퉁불퉁하면 위도 울퉁불퉁하다. 금속을 트렌치에 채우면 표면에 금속 한 층이 더 남는다. 그래서 박막 다음에는 CMP가 이어지는 경우가 많다. 표면을 평평하게 연마하고 남는 금속을 깎아 낸다. 표면이 평평해야 다음 층을 노광할 때 초점이 맞고, 남는 금속을 없애지 않으면 이웃한 선이 이어질 수 있다(CMP가 어떻게 연마하는지는 ‘CMP란?’ 참고). 막이 조금 두껍거나 얇으면 다음 공정의 연마 결과도 따라 달라지므로, 이 두 공정은 서로 자주 이야기해야 한다.

fab24hr에서는

fab24hr에서는 ‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고르면 ‘오늘 나는’ 카드에서 바로 박막 역할을 고를 수 있다. 박막 공정 엔지니어(양산 팹 › 공정 › 박막)로 플레이하면 스퍼터링 장비 PVD-01을 맡는다. 심야 근무에는 막 두께는 합격인데 웨이퍼가 평소보다 많이 휘어 있다. 오전 근무에는 타깃이 거의 다 닳아 막이 하루하루 얇아진다. 오후 근무에는 새 타깃으로 바꿨더니 파티클이 늘고 막이 두꺼워져, 다음 공정인 CMP에서 전화가 온다. 저녁 근무는 새 타깃의 첫날 밤이다.

같은 장비의 진공, 펌프, 타깃 교체는 박막 장비 엔지니어(양산 팹 › 장비 › 박막)의 몫이다. R&D 라인의 박막 개발 공정 엔지니어는 CVD-R1으로 새 콘택트에 배리어층과 금속을 채운다. 새벽에 나온 단면 사진에는 구멍 바닥에 보이드가 있다. 이 역할들에는 모두 Beta 표시가 붙어 있다. 게임에는 ALD 장비가 없다. 회사, 인물, 장비 번호, 수치는 모두 허구다. 박막을 어떻게 쌓는지, 왜 불균일과 파티클을 경계하는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 업계 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.