Transcript APCVD(상압CVD)

Metal Deposition
2008. 02. 12 Joo Sukbae
1. CVD
2. PVD
3. Electroplating
1. CVD (Chemical Vapor Deposition)
외부와 차단된 반응 실 안에 Substrate를 넣고 Gas를 공급하여 열, 플라즈마,
빛(UV or LASER), 또는 임의의 에너지에 의하여 열분해를 일으켜 (Si 기판과
공급된 O2와 반응하여 산화막을 형성 시키는 Diffusion과는 달리) 기판의 성
질을 변화 시키지 않고 solid deposition을 이루는 합성 공정을 말한다.
◈ 장점
- 다양한 재료에 적용 가능
- 미세 구조 조절 가능
- 증착층의 성분 조절 가능
- Dense한 증착층, purity 조절 가능
- 복잡한 형태 위에 균일한 coating (step coverage)
◈ 단점
- Coating 반응에 대한 substrate 안정도를 고려해야 함
- 기판과 증착 재료간의 열팽창계수 차이를 고려해야 함
- 부산물: toxic, corrosive
- High cost
◈ Possible
; Mo, Ta, Ti and W are widely used (especially by LPCVD)
Ex) for an arbitrary metal M, the reaction is as follows;
2MCl5 + 5H2 → 2M + 10HCl
Ex) WF6 → W + 3F2
WF6 + 3H2 → W + 6HF
◈ Impossible
; Al and Cu are seldom or never deposited by CVD
; These kinds of metals are deposited by electroplating or PVD
CVD 의 종류
① APCVD (Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition
; 반응로 (chamber)의 진공도를 대기압 상태에서 실시하며 주로 열 (heat)에 의한
Energy에 의존한다.
② LPCVD ( Low Pressure Chemical Vapor Deposition)
; 반응로 (chamber)의 진공도가 저압이며, 고열에 의한 Energy로 반응을 유도
③ PECVD (Plasma Enhancement Chemical Vapor Deposition)
; 반응로 (chamber)의 진공도가 저압이며, 저열에 의한 Energy와 R.F. 전력에 의
한 Plasma로 반응을 유도
④ MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition)
; metal organic을 이용한 CVD법으로 micro device의 고성능화, 고집적화에 따
른 새로운 물질들의 deposition가능
CVD 의 종류
분 류
종 류
특 징
APCVD(상압CVD)
장비구조가 단순.
증착속도 빠름
대구경화 대응에 어려움
LPCVD(감압CVD)
Uniformity, S/C 양호
증착속도 느림
PECVD(Plasma CVD)
증착속도 빠름. PVD + CVD
저온화 가능
S/C 한계 있음.
MOCVD
다양한(신재료) 재료 대응 가능
장비구조 복잡
증착방법
CVD 기술의 추이
P
A
S
T

0.18~0.25㎛

200mm

Stand Alone Process

Batch Process
C
U
R
R
E
N
T

High temperature Process
/

Conventional CVD

Conventional TR
/
C
U
R
R
E
N
T
APCVD
Batch type
LPCVD, MOCVD
Single wafer type
F
U
T
U
R
E

0.15/0.13㎛ (’01~’04)
< 0.1㎛(’03~’05)

300mm

Integrated Process

Single Wafer Process

Low thermal Budget

MOCVD / ALD

High K Gate / SiGe
Raised Source / Drain
ALD
ALD (Atomic Layer Deposition)
Source
Purge
Reactant
Purge
Source
화학 흡착에 의하여 Mono layer 가 형성.
Merits of ALD
• Ultra thin film
• Excellent Step Coverage
• Good Uniformity
• Good Crystalinity
• Impurity, Defect Free Film
• Low temperature process
CVD 의 한계
극복 !
TiCl4 TiN - Surface Morphology
CVD TiN
ALD TiCl4
ALD
CVD
RMS (A)
3.14
7.43
R p-v (A)
45.4
81.45
2. PVD (Physical Vapor Deposition)
반도체용 기판 등의 재료에 기체상태의 metal이나 alloy를 물리적인 방법으로 증
착 시키는 공정을 말한다. CVD공정과 달리 10-6 torr 이하의 high vacuum
chamber내에서 진행된다.
- Thermal evaporation
- E-beam evaporation
- Sputtering
Thermal evaporation
; 금속재료를 증착 시키기 위해 고진공(5x10-5 ~ 1x10-7torr)에서 resistance
heated source를 이용해 보트를 가열하여 보트 위에 금속을 녹여 증류시킨 뒤 이
때 증류된 금속을 차가운 웨이퍼 표면위로 응축시키는 공정
용융점이 낮은 재료 (Al, Cu, Ag, Au..)의 증착
에 유리하며 filament에 공급되는 전류량을 조
절함으로서 증착속도를 변화 시킬 수 있다.
E-beam evaporation
rotator
wafer
shutter
E-beam evaporator는 이 공정은 주로 용융점이
높은 금속 (W, Nb, Si..)과 유전체(SiO2)의 박막을
기판 위에 증착 할 수 있는 장비로써, 반도체 공정
및 MEMS 공정에 필요한 전극 제작에 주로 사용되
는 공정이다.
E-beam source인 hot filament에 전류를 공급하
여 나오는 전자 beam을 전자석에 의한 자기장으
로 유도하여, 증착재료에 위치시키면 집중적인 전
자의 충돌로 증착재료가 가열되어 증발한다.
crucible
◈ 장점
◈ 단점
- 증착속도 빠르다 (50A/sec)
- X-ray 발생
- 고융점 재료의 증착이 가능하다
- E-beam source위에 원자의 농도가 크므로
- Multiple deposition이 가능하다
와류 또는 discharge가 심하다
Sputtering
1. Target의 DC bias에 의해 plasma 발생
2. Ar ion이 target으로 가속
3. 타겟의 원자들이 떨어져 기판쪽으로 이동
4. 원자들이 기판 위에서 응축, 얇은 박막을
형성
Sputtering
◈ 장점
- 여러 가지 다른 재료에서도 성막속도가 안정되고 비슷하다
- 균일한 성막이 가능, step coverage 우수
- 박막의 adhesion이 좋다
- 금속, 합금, 화합물, 절연체 등 다양한 재료의 성막이 가능하다
- Target 냉각이 가능, 큰 target 사용 가능
- 기판의 sputter etching 으로 pre-cleaning 이 가능
◈ 단점
- 성막속도가 낮다 (<10 A/sec)
- High energy deposition 이므로 박막의 불균일과 damage 발생요인이 된다
- 박막이 전자, UV, 이온 등에 노출되어 가열된다
- 성막 조건이 민감하고 서로 영향을 끼친다
Sputter deposition 한 박막의 구조는 성막조건에 따라 porous,
dense, columnar, coarse 구조 등의 다양한 형태로 나타난다
3. Electroplating
e-
e-
Ag2+
Ag2+
Cathode
Anode
- 도금할 물체를 cathode로, 덮어 씌울 금속을 anode로 하여 DC 전류를 걸어
주었을 때, anode에서 산화 반응이 일어나 금속 이온이 나오게 되고 그것이 전
해질을 통해 cathode의 대전된 물체에 뒤 덮이게 되는 것을 이용한 공정
3. Electroplating
- 저렴한 비용으로 박막 증착을 수행 할 수 있다.
- 반도체 공정에서 배선 충진에 많이 이용되고 있다.
- 비교적 낮은 에너지 상태에서 공정이 진행 되기 때문에 메탈 이온이 낮은 에너지
상태에서 기판에 증착 된다.
- 타겟이 되는 기판의 geometry에 따라서 도금의 uniformity가 결정 된다.
- Large edge bulid-up 이 일어남
- Channel이나 crevice(갈라진 틈) 을 EP 할 때, large edge build-up을 피하기
어렵다
- Defects : void, seam등
전해액
solution
전류 밀도高
Pulse reverse electroplating
전류 밀도 低
But, for CMP??