플레이하기

← 반도체 입문: 칩의 일생 따라가기

반도체 입문 · 10강

박막: 한 층씩 쌓아 올리기

칩은 거의 모든 층이 새 재료를 한 층 까는 데서 시작한다. 그래야 그 뒤에 패턴을 찍고 식각할 대상이 생긴다. 막의 두께, 균일도, 청정도는 식각과 연마, 그리고 다음 층의 포토 공정까지 줄곧 영향을 미친다.

학습 목표

왼쪽은 화학기상증착(CVD)으로, 기체가 위쪽 샤워헤드에서 내려와 웨이퍼 표면에서 반응해 막이 자란다. 오른쪽은 물리기상증착(PVD) 가운데 가장 흔한 스퍼터링으로, 이온이 타깃을 때려 떨어져 나온 원자가 웨이퍼 위에 쌓인다.
막을 쌓는 두 가지 방법이다. CVD는 기체가 표면에서 반응하게 하고, PVD에서 가장 흔한 스퍼터링은 타깃의 원자를 때려 떼어 내 표면에 쌓는다.

한 단계씩

  1. 먼저 웨이퍼 위에 절연막이나 전도막을 한 층 입힌다.

    이유재료가 먼저 한 층 있어야 그 뒤에 패턴을 찍고 필요 없는 부분을 깎아 낼 수 있다.

    하지 않으면두께가 맞지 않으면 금속막은 얇을 때 저항이 커지고, 절연막은 얇을 때 절연이 안 될 수 있다.

  2. 무엇을 어디에 입히는지에 따라 방법을 고른다: CVD는 가스로 키우고, 스퍼터링은 타깃의 원자를 떼어 내며, ALD는 한 사이클에 한 층씩 쌓는다.

    이유CVD는 홀의 측벽과 바닥까지 막이 자라고, 스퍼터링은 금속막을 빠르게 입히지만 홀 바닥은 비교적 얇으며, ALD는 가장 균일하지만 아주 느리다.

    하지 않으면깊고 좁은 홀은 입구가 먼저 막혀 안에 보이드가 남는다. 위에서는 보이지 않지만 전류가 잘 흐르지 못한다.

  3. 스퍼터링을 비롯한 많은 증착 장비에서는 웨이퍼가 먼저 작은 로드락에 들어가 진공 배기된 뒤, 늘 진공으로 유지되는 챔버로 옮겨져 그 안에서 막이 입혀진다.

    이유공기는 너무 빽빽해서 원자가 1만분의 1mm도 날아가지 못하고 흩어진다. 로드락은 작아서 빨리 배기되므로, 메인 챔버는 웨이퍼마다 다시 배기하지 않아도 된다.

    하지 않으면챔버로 공기가 새어 들어오거나 충분히 배기되지 않으면 산소와 수분이 막에 섞여 들어가 금속막이 산화된다. 새어 들어온 공기가 공정 가스와 반응해 미세한 가루가 되기도 하는데, 웨이퍼에 떨어지면 그것이 곧 파티클이다.

  4. 증착 후 두께를 측정한다. 같은 웨이퍼의 중심과 가장자리도 두께가 같아야 한다.

    이유뒤의 식각에서 얇은 곳은 먼저 뚫리고, 두꺼운 곳은 더 식각해야 한다.

    하지 않으면두께 차이가 클수록 더 식각하는 시간이 길어지고, 얇은 곳 아래층이 손상되기 쉽다.

  5. 두께가 맞아도, 웨이퍼가 휘지 않았는지 확인한다.

    이유막은 웨이퍼를 당기거나 밀어 전체를 살짝 휘게 한다.

    하지 않으면너무 휘면 포토 공정에서 초점을 맞출 수 없다.

  6. 파티클을 지켜본다: 챔버는 정기적으로 클리닝하고, PM 후에는 먼저 테스트 웨이퍼를 돌려 파티클 수를 센다.

    이유막은 챔버 벽과 부품에도 쌓이고, 두꺼워지면 벗겨져 떨어진다.

    하지 않으면파티클이 막에 덮여 작은 혹처럼 부풀고, 그 위의 선이 끊기거나 서로 붙을 수 있다.

  7. 증착 후에는 흔히 이어서 CMP로 표면을 평탄하게 연마한다.

    이유막은 아래의 형상을 따라 자라고, 트렌치를 채우는 금속은 표면에 한 층이 더 남는다.

    하지 않으면표면이 평탄하지 않으면 다음 층의 포토 공정에서 초점이 맞지 않고, 남는 금속을 연마해 없애지 않으면 이웃한 선끼리 붙을 수 있다.

조정하는 것과 조심할 점

핵심 설명

모든 층의 첫 단계: 재료가 있어야 식각할 것이 있다

휴대폰 칩 하나의 맨 아래에는 100억 개가 넘는 트랜지스터가 있고, 그 위에 금속 배선을 여러 층 덮어 트랜지스터들을 연결하며, 배선과 배선 사이는 절연 재료로 한 층씩 분리한다. 층마다 흐름은 거의 같다. 먼저 재료를 한 층 깔고, 포토 공정으로 패턴을 찍은 다음, 식각으로 필요 없는 부분을 깎아 낸다. 박막은 그 첫 단계다. 재료가 먼저 있어야 그 뒤에 깎아 낼 것이 생긴다. 막의 두께는 대개 수 nm에서 수백 nm에 불과하며, 절연막은 흔히 이산화실리콘이나 실리콘 질화막이고, 전도막은 대부분 금속이다. 흔히 뭉뚱그려 ‘막을 키운다’고 말하지만 실제로는 두 가지다. 퍼니스의 산화는 실리콘 자체가 산소와 반응해 웨이퍼에서 자라 나오는 것이고, 박막 구역에서는 바깥에서 재료를 공급해 맨 위에 덮는다.

막은 어디서 오는가: 가스로 키우거나 원자를 때려 떼어 내거나, 대개 진공에서

화학기상증착(CVD)은 여러 가스를 밀폐된 챔버에 넣고, 작은 구멍이 가득한 샤워헤드로 고르게 뿌린다. 가스는 뜨거운 웨이퍼 표면에서 화학 반응을 일으켜 새로운 고체 층을 남긴다. 차가운 유리창에 수증기가 맺히는 응결과는 다르다. 표면이 충분히 뜨거워야 가스가 반응해 다른 물질로 바뀐다. 물리기상증착(PVD)은 화학 반응에 기대지 않는다. 가장 흔한 것은 스퍼터링이다. 아르곤 가스를 조금 넣어 플라즈마(전기로 쪼개진 기체)를 점화하면, 전하를 띤 아르곤이 전기장에 끌려가 재료판(타깃)에 부딪히며 원자를 하나하나 떼어 낸다. 떨어져 나온 원자는 스프레이 페인트처럼 웨이퍼 위에 내려앉는다. 타깃은 부딪힐수록 얇아져, 어느 정도 쓰면 교체해야 한다. 스퍼터링을 비롯한 대부분의 증착은 진공으로 배기한 챔버 안에서 한다. 보통의 공기는 너무 빽빽해서, 스퍼터링으로 떨어져 나온 원자가 1만분의 1mm도 날아가기 전에 공기 분자와 부딪혀 흩어진다. 산소와 수분이 막에 섞여 들어가고, 플라즈마를 쓰는 공정이라면 플라즈마도 고르게 한 덩어리로 점화되지 않는다.

세 번째 방법 ALD, 그리고 깊은 홀에서의 선택

원자층 증착(ALD)은 증착을 여러 사이클로 나눈다. 먼저 첫 번째 가스를 넣으면 분자가 웨이퍼 표면을 한 층 가득 메우고, 그 뒤로는 더 이상 붙지 못한다. 한 칸에 차 한 대만 댈 수 있는 주차장과 같다. 남은 가스를 퍼지해 내보낸 뒤 두 번째 가스를 넣으면, 이미 자리 잡은 층과 반응해 막이 되고 표면에는 다시 새 자리가 생긴다. 한 칸에 한 대만 대므로 한 사이클에 최대 원자 한 층만 자라고, 시간만 충분하면 홀 입구와 바닥의 두께가 같아진다. 대신 느리다. 흔히 쓰는 한 방식은 한 사이클에 약 0.1nm여서, 주로 가장 얇고 가장 중요한 곳, 예를 들어 트랜지스터 안의 몇 nm 두께밖에 안 되는 절연층에 쓴다. 트랜지스터와 그 위의 배선은 작고 깊은 홀(콘택트)로 연결되며, 이 홀은 금속으로 채워야 한다. CVD의 가스는 홀 안까지 들어가지만, 아주 깊고 좁은 홀에서는 입구가 먼저 막혀 버려, 위에서는 보이지 않지만 전류가 잘 흐르지 못하는 보이드가 안에 남을 수 있다. 스퍼터링은 빠르지만 원자가 대부분 위쪽에 내려앉아 홀의 바닥과 측벽은 비교적 얇아진다. 그래서 홀이 가늘고 깊을수록 방법을 더 까다롭게 고르며, 세 가지를 함께 쓰는 경우도 많다.

에피택시: 웨이퍼의 격자를 따라 가지런한 실리콘층을 기른다

대부분의 막은 원자가 아래층의 배열을 따를 필요가 없다. 에피택시(epi)는 다르다. 웨이퍼는 단결정 실리콘이어서 원자가 가지런한 격자를 이루고 있다. 드러난 실리콘 위에 실리콘을 포함한 가스를 흘려 보낸다. 가장 흔한 방식 역시 CVD지만, 흔히 1,000도 안팎까지 가열해 원자가 제자리를 찾을 시간을 준다. 원자는 아래의 격자를 따라 한 층씩 이어 붙는데, 아래 벽돌의 줄눈에 맞춰 벽을 쌓는 것과 같다. 성장을 마치면 웨이퍼와 하나의 결정이 된다. 이 층은 웨이퍼보다 더 깨끗하게 기를 수 있고, 도핑 농도도 따로 정할 수 있다. 에피 웨이퍼를 쓰는 경우 트랜지스터는 이 층에 만든다. 표면이 곧 본보기다. 무언가 묻어 있는 곳에서는 원자가 잘못 배열되고, 그 결함은 위로 계속 이어져 자란다. 그래서 성장 전에 깨끗이 세정하고, 실리콘이 공기에 닿아 저절로 생긴 자연 산화막도 제거한다. 세정 후 너무 오래 기다려서도 안 된다. 그러면 산화막이 다시 자란다. 산화막에는 따를 격자가 없어서, 산화막 위에서 자란 실리콘은 방향이 제각각인 작은 조각들로 이루어진 다결정이 된다.

두께는 정확하게, 막 속에 파티클은 없게

두께가 막의 특성을 좌우한다. 금속막이 얇으면 저항이 커지고, 절연막이 얇으면 절연이 안 될 수 있다. 그래서 증착 후에는 측정한다. 투명한 막은 반사광으로 두께를 계산하고, 빛이 통과하지 않는 금속은 대신 전기가 얼마나 잘 통하는지(면저항)를 잰다. 한 장에서 여러 지점을 측정해 두께 맵으로 그리고, 장비는 정해진 때에 모니터 웨이퍼(출하하지 않고 장비 점검에만 쓰는 웨이퍼)를 돌려 서서히 치우치고 있지 않은지 본다. 파티클도 지켜봐야 한다. 웨이퍼에 하나라도 떨어지면 막에 덮여 작은 혹처럼 부풀어 오르고, 그 위의 선이 끊기거나 서로 붙을 수 있다. 파티클은 장비에서 나오기도 한다. 막은 챔버 벽과 부품에도 쌓이고, 두꺼워지면 벗겨져 떨어진다. 그래서 챔버는 정기적으로 클리닝하고, PM 후에는 먼저 테스트 웨이퍼를 돌려 파티클 수를 센 뒤(테스트 런), 통과해야 로트를 넣는다.

앞뒤 단계의 연결: 앞에서는 깨끗이 세정하고, 뒤에서는 식각, 연마, 포토가 기다린다

증착 전에는 표면을 깨끗이 세정해야 한다. 그러지 않으면 새 막이 고르게 자라지 않는다. 증착 후에는 세 공정이 이 막과 관계가 있다. 식각은 두께가 고르지 않은 것을 꺼린다. 같은 웨이퍼에서 얇은 곳이 먼저 뚫리고 두꺼운 곳은 아직이라 식각을 더 해야 하는데, 차이가 클수록 얇은 곳 아래층이 손상되기 쉽다. 그래서 중심과 가장자리의 두께도 같아야 한다. 막은 아래의 형상을 따라 자라고, 트렌치를 채우는 금속은 표면에 한 층이 더 남기 때문에, 흔히 이어서 CMP로 평탄하게 연마한다. 막이 조금 두껍거나 얇으면 연마 결과도 따라 바뀌므로, 두 공정은 서로 자주 소통해야 한다. 막은 웨이퍼를 당기거나 밀어 전체를 살짝 휘게 하기도 한다. 너무 휘면 포토 공정에서 초점을 맞출 수 없다.

흔한 오해

흔히 듣는 말칩은 실리콘 덩어리 하나를 깎아서 만든다.
실제로는깎는 공정은 있지만, 깎는 대상은 대부분 먼저 입혀 둔 재료다. 트랜지스터는 실리콘 웨이퍼에 만들고, 그 위의 절연층과 금속 배선은 모두 한 층씩 막을 입히고 패턴을 찍은 뒤 그대로 식각해 만든다. 배선은 흔히 절연층에 먼저 트렌치를 식각하고 금속을 가득 덮은 다음, 트렌치 밖에 남는 금속을 연마해 없앤다. 복잡한 칩은 수십 층의 막을 쌓는다.
흔히 듣는 말막의 평균 두께만 맞으면 합격이다.
실제로는평균이 맞는 것만으로는 부족하다. 같은 웨이퍼의 중심과 가장자리도 두께가 같아야 한다. 그렇지 않으면 식각 때 얇은 곳이 먼저 뚫리고, 더 식각한 만큼 아래층이 손상될 수 있다. 두께가 모두 맞아도 막이 웨이퍼를 휘게 해 포토 공정에서 초점이 맞지 않을 수 있고, 막 속에 파티클 하나가 묻혀도 그 위의 선이 끊기거나 서로 붙을 수 있다.

살펴보기: 분해해 보는 장비

필독

더 읽기

플레이

박막 공정 엔지니어로 근무해 보기: 스퍼터링 장비가 입히는 막 하나하나 지키기 →

생각해 보기

  1. 막의 ‘두께’와 ‘균일도’ 가운데 어느 쪽이 관리하기 더 어렵다고 생각하는가? 가운데가 두껍고 가장자리가 얇다면 뒤의 공정에서 어떤 문제가 생길 수 있을까?
  2. 막이 조금 두껍거나 얇으면 다음 공정인 CMP의 연마 결과도 따라 바뀐다. 박막 엔지니어라면 다음 공정에서 묻기 전에 무엇을 먼저 알려 주겠는가? 그 이유는 무엇인가?

수업 자료: 슬라이드

이 강의의 핵심, 모식도, 장비, 토론 질문을 슬라이드 한 벌로 만들었다. 그대로 화면에 띄워도 되고, 자신의 강의 자료에 넣어도 된다.

슬라이드 다운로드(PPTX)350 KB슬라이드 다운로드(PDF)407 KB

수업과 비영리 목적이라면 무료로 쓸 수 있다. 출처는 fab24hr로 밝혀 주기 바란다. 판매하거나 자신의 저작물로 바꿔 내놓을 수는 없다. 오류가 있다면 문제 신고

이 글 인용하기‘반도체 입문 · 10강: 박막: 한 층씩 쌓아 올리기’, fab24hr, 업데이트. https://fab24hr.com/ko/learn/thin-film/