CVD/ALD 기술의 소개 및 시장 동향
자료제공: (주)IPS
임홍주
Ⅰ. 서론
CVD(Chemical Vapor Deposition)는 반응가스 간의 화학반응으로 형성된 입자들을 웨이퍼 표면에 증착하여 절연막이나 전도성 박막을 형성시키는 공정으로서 반도체 제조공정의 핵심 기술이라고 할 수 있다. CVD는 일반 산업 분야에 있어서도, 재료 본래의 특성을 손상시키지 않고 표면 특성만을 강화시키는 박막 증착의 주요 기술로 자리 잡아서, 내마모성 박막이나 복잡한 형상을 가진 부품의 표면코팅 등에서 일상화될 정도로 그 산업화가 성숙되어 있다.
특히 CVD공정은 PVD(Physical Vapor Deposition) 등의 물리적 증착과는 달리 재료 표면에서의 화학적 반응에 의한 증착을 그 원리로 하고 있어, 날로 고집적화되는 반도체 소자의 제조 공정에 적합하다고 할 수 있다. 구체적으로는 층간절연막이나 금속배선, 확산방지막 등에서 더욱 그 용도가 확대되고 있으며, 소자의 기술 및 장비의 개발이 한층 더 가속화되면서 신규 개발의 전제조건이 되어 가고 있다.
본 원고에서는 이러한 CVD 기술의 다양한 기법과 원리 및 시장 동향을 소개하고, 개선된 CVD 및 이의 극한적 활용으로 볼 수 있는 원자층 증착법인 ALD(Atomic Layer Deposition)에 대한 상세한 소개를 덧붙이고자 한다.
Ⅱ. 본론
1. CVD 기술의 발전 과정 및 시장 동향
CVD는 반도체의 제조 공정 중에서 가장 중요한 기술의 하나이다. 그 산업적 기원을 찾아보면, 1920년대에 고순도의 금속을 얻는 방법으로 사용된 요오드(Iodine)법을 들 수 있고, 반도체 산업과 관련된 기술로는 1940년대의 고순도 게르마늄, 실리콘의 제조법 등으로 까지 거슬러 올라갈 수 있다. 1950년대부터는 로켓 노즐, 원자로 연료의 피복 등에 이용되기 시작했고, 그 후 TiC, TiN을 피복한 초경공구의 제조에도 널리 사용되어 왔다.
이 기술은 화학반응에 의한 증착이라는 특성상, 단차가 있는 패턴에서의 증착 특성인 모서리 도포성, 즉 Step Coverage가 우수하고 간극충진능력(Gap-Fill)이 뛰어나기 때문에 1970년대 이후에는 고순도·고품질의 반도체 소자 제조공정에서 없어서는 안될 기술로 자리잡았다. 예를 들면 층간절연막으로 쓰이는 열산화막(Thermal SiO2), TEOS-Oxide, PE-SiH4 Oxide 등의 다양한 Oxide나 TiN, TaN, WN 등의 질화막, W, WSi, Cu, Al 등의 금속배선에 성공적으로 적용되고 있다.
반도체 산업에서 CVD 장비 시장의 규모면으로는 전 세계 반도체 시장의 규모 1978억달러 중, 2004년 기준으로 CVD 장비는 14.3%의 큰 비중을 차지하고 있다. 세부 분야별로는 APCVD(Atmospheric Pressure CVD) 장비가 2200백만달러, LPCVD(Low Pressure CVD) 장비가 6억7600만달러, PECVD(Plasma Enhanced CVD) 장비가 17억4000만달러, METAL CVD 장비가 6억3000만달러 정도의 분포를 보이고 있다.
CVD 기술의 분류는 통상 기술적으로는 반응이 이루어지는 압력 기준에 의하여 APCVD, LPCVD로 나누어지고 CVD의 반응을 강화시키는 방법에 따라 PECVD, Photo CVD, Laser CVD와 고온에서 이루어지는 Thermal CVD등으로도 분류할 수 있다. 아래에 간략히 세부적인 기술의 소개와 장비업계의 동향을 정리하였다.
1) CVD의 기술적 분류
-APCVD
상압에서 반응이 이루어지는 것으로 대표적인 것이 O3 TEOS Oxide를 들 수 있다. 기본적으로 대기압 하에서 유기금속 MO(Metal Organic) 원료 기체인 TEOS를 이용하여 O3으로 더욱 활성화시키는 MOCVD 방법에 속하는 것으로 산화막의 치밀도는 다시 떨어지기 때문에 후속의 열처리 공정 등이 필요하지만, Gap-Fill 능력이 우수하기 때문에 패턴 형성 후 그 위를 증착하여 절연막의 형성과 동시에 다음 공정을 위한 평탄화 작업에 적절한 기법이다.
APCVD 장비 시장은 AMAT사가 Top Share로서 시장의 70% 이상을 유지하고 있으며, CANON·SVG 등이 10%대의 시장을 차지하고 있다. 전체 시장 규모는 2005년까지 지속적인 성장세를 보일 것으로 추산된다.
-LPCVD
진공을 이용한 낮은 기체 압력에서 화학반응을 이용하여 증착하는 기법을 말하지만 대부분 CVD의 진공을 이용하기 때문에, 좁은 의미로는 저압하에서 고온의 자연적인 화학반응만을 이용하는 Thermal CVD에 국한하여 일컫는다. 대표적인 막으로는 Thermal Silicon Oxide, Silicon Nitride, Poly-Silicion 등이 있다.
대표 반응: SiH4 + H20 → SiO2 + H2
SiH4 + NH3 → SiN + H2
LPCVD에서의 실리콘 산화막의 주된 소스는 대부분 SiH4의 Silane계이며, Process 온도는 800℃에 달한다. 한편 SiN막은 LOCOS용 절연막이나 0.18㎛까지의 Capcitance용 유전막으로 사용되고 있는데, 750℃정도의 온도에서 위 반응식으로 증착이 된다. Si 소스는 Si2H4의 Mono Silane과 SiH2C2이 있는데, SiH2C2는 Step Coverage는 우수하지만 NH4Cl 등의 Cl 함유 부산물 발생이나 증착후 Cl에 기인한 부가반응 등을 조심해야 하는 유의점이 있다. LOCOS용 내산화막이나 Capacitor용 유전막, Poly-Si, SiN, HTO(High Temperature Oxide) 등의 공정에 사용되는 장비는 APCVD와는 달리 주로 Batch Type의 진공장치가 주류가 되어 있다.
LPCVD 시장은 TEL과 Hitachi Kokusai Denki의 양사가 시장을 각각 60%, 25% 정도의 시장을 분할하여 주도하고 있고, SVG가 10% 내외로 뒤를 따르고 있다. 2005년에는 전체 세계 시장 규모가 1100만달러 수준에 이를 것으로 추산된다.
-PECVD
화학반응에 있어서의 자연적인 반응이 쉽지 않거나 고온이 요구되는 경우에는 전원을 인가하여 전기적으로 반응기체를 이온·전자·활성종 등의 플라즈마로 분해하여 반응을 일으키는 방법으로, 흔히 PE-TEOS, PE-SiH4, PE-SiN, PE-SiON 등의 다양한 증착이 가능하다. 주된 사용공정은 Metal 층간절연막인 IMD(Inter-Metallic Dielectric)나 STI(Shallow Trench Isolation), Passivation 막 형성 등에 있는데, 최근에는 HDP(High Density Plasma) CVD의 비율이 높아지고 있다. 그 이유는 높은 플라즈마 이온화율에 따른 Gap-Filling 능력이 우수하기 때문이다.
한편 금속배선 간의 유전층의 전하 축적에 의한 금속배선에서의 신호전달 속도가 저하되는 LC-Delay 현상을 방지하기 위하여 저유전막인 SiOF 막 등의 주된 증착도 PE-CVD를 이용하고 있다.
PECVD 시장은 AMT사가 50% 이상의 시장 점유율을 보이고 있으며, Novellus System이 25%정도, TEL· GENUS·ULVAC 등의 업체가 10% 전후의 시장 점유율을 보이고 있다.
2) CVD 기술의 적용 공정별 분류
위의 기술적 분류는 CVD의 기법을 통한 분류이며, 반도체 소자에서 사용되는 막의 특성에 따라 분류하는 것이 실용적이기도 하다. 이를테면 절연막 증착과 금속배선 증착으로 나누는 것이 합리적이다. 절연막 증착은 위에 상술한 바와 같이 APCVD, PECVD, LPCVD 시장에 해당이 되는 반면, 금속 CVD는 LPCVD 및 PECVD 기술이 경우에 따라 동시에 사용되고 있다.
-층간절연막 증착
배선 층간 및 좁은 간극(Gap)을 갖는 구조에서의 충진을 위한 절연막, Side Wall Spacer, STI 등의 형성으로 APCVD와 PECVD를 이용한 산화막이 주로 사용된다. Al막 하절연막에 있어서는 BPSG(Boro-Phosporous Silica Glass) 및 USG(Undoped Silica Glass)를 주로 사용하고 있으며, 형성법으로는 O3 + TEOS Process 대응의 상압 CVD장비가 주류를 이루고 있으나, STI의 Gap-Fill이나 좁은 Gap을 갖는 구조에서의 Fill 능력이 우수한 HDP-CVD 방법의 사용이 연구되고 있다.
절연막 CVD 장치는 전하 축적(Charge-Up)에 의한 손실 감소 대책이 필요하며, 또한 불소 함유 기체인 PFC 배출 대책도 필수적인 항목이다. 비교적 최근의 기술인 HDP-CVD 방법은 기존의 RF에 비해서 보다 주파수가 높은 2.43㎓를 쓰는 등의 플라즈마 이온화 비율을 높이는 기술로서, 이러한 HDP CVD법의 도입이 요구되는 이유는 Metal 배선의 선폭(Pitch)이 작아짐에 따라 배선간의 Gap-Fill 능력 향상이 요구되기 때문이다. 평탄화 측면에서는 CVD 기술과 결합하여, CMP(Chemical Mechanical Poli-Shing)공정을 연계하여 쓰는 것이 최근의 추세이다.
-고유전막 증착
D램 소자의 Capacitor에 해당하는 고유전막은 소자 내부의 전하를 축적/방출하는 기능으로 디지털적인 on과 off를 구현하는 핵심 부분으로서, 기존의 256M D램까지의 소자에서는 SiO2와 SiN을 이용하여 최대한으로 표면적을 늘리는 방향으로 개발이 되었으나, 최근에는 Al2
O3, HfO2 등의 비교적 높은 유전율의 이원계산화물(Binary Oxide)과 STO, BST, Ta2O5, ZrO2 등의 고유전체 물질이 활발히 연구되고 있다. 유전율이 높으므로 요구되는 표면적이 다소 줄기는 했지만 여전히 소자의 고밀도화는 진행되고 있으므로, PVD 계열인 Sputter 등으로는 대응할 수 없으므로, MOCVD 및 ALD 계열의 화학 증착 방법이 그 대세를 이루고 있다. ALD에 관해서는 뒤 절에서 보다 상세히 설명하려고 한다.
-금속배선 및 확산방지막 증착
Metal 배선 분야에 있어서 CVD 장비가 사용되는 것은 W 등의 고융점 금속배선 Process, 절연막의 Contact Hole의 Plug 형성 Process, Plug 층간의 밀착막과 Al 배선의 Barrier를 위한 TiN 등의 질화막 형성 Process의 3가지를 우선 들 수 있다. Plug 형성의 저비용을 요구하는 메모리에서는 공정의 단순화를 위해 Etchback 이나 CMP 공정이 필요없는 기술을 요구하고 있으며 이를 위한 CVD-Al 공정이 개발중이다. 특히 초고밀도 미세회로 기술과 새로운 재료의 사용이 요구되는 0.13㎛ Design Rule 이하의 고집적 소자는 박막증착기술 적용의 분기점이라고도 할 수 있어서, Gate 절연막과 Capacitor용 고유전체 증착기술과 함께 Metal 전극 및 Metal Barrier의 증착이 매우 중요해지고 있다. 확산방지층(Barrier)의 형성은 현재 Sputtering 장비를 주로 사용하고 있으며 Step Coverage 개선을 위해 이온화시킨 금속원자를 증착하는 Sputtering 방법도 개발 중이어서 조만간 적용될 계획이다. 그러나 미세화의 진전과 단차비(Aspect Ratio)가 높아서 Hole 전면의 도포성(Step Coverage)의 약화로 Sputtering으로 대응이 불가하여 0.15㎛ 이후의 공정에서는 CVD 장비의 사용이 필수화될 예정이다.
CPU 등의 소자에서는 낮은 저항의 배선을 위하여 Cu 도금법에 의한 배선 형성법이 적용되기 시작하였으며, 양산에 적용될 단계에 이르렀다. Sputter 기술로는 0.10㎛까지는 대응이 가능할 것으로 판단되었지만, 그 이후에는 본격적으로 CVD 공정이 도입될 예정이다. 다만 Cu CVD의 경우에는 소스 Gas의 개발 및 가격 등 극복해야 할 과제가 많이 남은 편이다. 한편 D램용 고유전막을 위한 Ru 등의 희귀 금속전극이나 Logic용 Al, W 등의 Metal Gate 등의 추가적인 수요가 계속 확대될 예정이다.
Metal CVD 장비업체로는 AMAT가 약 50%의 시장점유를 하고 있으며, Novellus(25%)·TEL(12%) 선으로 그 뒤를 따르고 있다. 이러한 Metal CVD 장비는 장비의 호환 특성상, ALD 및 유사 CVD인 Cyclic-CVD 또는 SLD(Sequential Layer Deposition)용 장비로의 호환 및 개조가 용이하여 개발 효과가 극대화 될 수 있으므로, 국내 업체의 입장에서는 핵심 설비의 국산화 측면 뿐만 아니라 해외 수출 측면에서 그 상품 가치 및 시장성이 매우 크다고 할 수 있다.
2. ALD 기술의 동향
1) ALD 기술의 반도체 산업 동비
CVD 기술이 기존 PVD 등의 기술이 가지는 Step Coverage 등의 한계를 보완할 수 있는 기술이라면, ALD 기술은 CVD 공정의 화학반응 단계를 원자 단위까지 정교하게 조절한 기술로, CVD 기술의 한 극단으로 분류될 수도 있다. 특히 반도체 산업에서는 수십㎚ 단위의 초미세소자의 세계로 들어서면서 턴의 높이와 폭의 비율인 Aspect Ratio가 수십대 일의 극한적인 상황이 되면서 이러한 ALD 기술을 사용해야 대응 가능한 고유의 영역이 생기고 있다.
ALD공정은 1970년대 초 핀란드의 Suntola 박사가 처음 개발했는데, 개발 초기에는 Ⅱ-Ⅵ, Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체나 LED 계열의 박막이 주로 연구되었다. 국내에서 ALD 장비는 1990년대 후반부터 IPS와 삼성전자와의 공동 개발 방식으로 반도체 공정에 적용키 위해 본격적으로 개발하기 시작하였다. 초기 ALD 개발 당시부터 1990년도 중반까지는 어느 누구도 반도체 생산 공정에 현재와 같이 중요한 공정 기술이 될 것을 예측하지 못했다. 최근에 들어서 소자는 회로선폭이 점점 더 작아지면서 100㎚ 이하로 내려가 ALD 공정의 필요성을 더욱 증가시키고 있는 상황이다. 다른 실리콘 반도체 기술과 달리 ALD 기술을 실리콘 반도체 소자 제조에 적용하려는 노력이 한국에서 최초로 시작되었다. 1996년부터 국내의 반도체 장비업체인 IPS와 삼성전자가 ALD 기술을 사용하는 장비와 소자 연구를 시작하여 1998년에 반도체 소자업체로는 최초로 ALD 기술을 적용하여 차세대 D램을 개발했다고 발표하였다.
2) ALD 기술의 특징
ALD의 가장 큰 특징은 반응물들을 낮은 온도(400℃ 이하)에서 주기적으로 반복해서 반응기로 공급하는데 있으며, 이렇게 공급되는 반응물들이 주기적으로 기판 위에서 공급과 배출을 반복함으로써 반응물이 기판과 화학적 반응이 이루어지고 이 반응은 자기포화 표면 반응(Self Limited Surface Reaction)을 하여 원자층(또는 분자층) 단위로 박막을 형성하는데 있다. 그러므로 우수한 Step-Coverage 형성이 가능하다. 그림 7은 Al2O3를 증착하는 예를 나타낸 것으로 사용되는 원재료인 TMA(TriMethylAluminum)의 공급과 배출 그리고 O3 공급과 배출을 한 주기로 하여 AlO가 단분자층씩 형성되는 것을 도식화하였다. 이는 기존의 CVD로 형성된 박막과 비교할 때 많은 차이를 가지고 있는데 그 차이는 다음과 같다.
첫째, 반응물들을 주기적으로 공급/배출하는데 있다. 그림 8은 CVD 공정과 ALD 공정을 비교한 것으로 CVD가 반응기 내로 동시에 공급해 줌으로써 반응물들을 1차 반응시키고 2차로 기판 위에서 반응하는 것과 달리 ALD는 반응물들을 동시에 공급하지 않기 때문에 기판 위에서 반응만을 가지고 박막을 형성시켜 박막 특성이 우수할 뿐 아니라 Particle과 같은 불순물 형성을 억제하는 효과를 가지고 있다. 그리고 ALD 기판 위에서의 반응에 의해 이루어지기 때문에 CVD에 비해 낮은 온도에서 증착할 수 있는 장점을 갖는다.
둘째, CVD는 증착되는 박막의 두께를 시간의 함수로 계산하고 증착하는데 비해 ALD는 반응물들의 공급과 배출을 기준으로 한 횟수의 함수를 계산한다. 즉 반응물들의 공급과 배출을 1 Cycle이라 하고 이 기간의 두께를 기준으로 두께를 계산하여 증착한다. 현재의 ALD는 소자업체에서 제품에 적용하여 양산이나 적용을 준비하고 있으며, 이에 따라 장비업체와 부품업체에서도 ALD에 많은 관심을 가지고 장비와 부품 개발을 하고 있다.
셋째, ALD는 여러가지 장점에도 불구하고 낮은 생산성을 가지고 있다는 단점을 가지고 있다. 이는 단원자층(분자층) 증착 방법이기 때문에 발생하는 것으로 최근에 Cyclic CVD 등 생산성을 향상시키기 위해 많은 연구가 진행되고 있다. Cyclic CVD는 ALD와 같이 주기적으로 반응물들을 공급하고 배출하지만 반응물을 완전히 배출시키지 않고 반응물들 간의 반응을 일으켜 증착 속도를 증가시키는 방법을 사용하고 있다.
3) 시장 전망
VLSI 리서치에서 발표한 자료를 보면 2006년까지 ALD 관련 시장은 2003년을 기준으로 할 때 수백배 이상 증가할 것으로 기대하고 있다. 그럼에도 불구하고 ALD 공정은 좀 더 연구하고 개발해야 할 몇 가지가 있다. 그 중 첫째가 생산성의 향상이다. ALD는 앞서 언급한 바와 같이 여러가지 장점에도 불구하고 현재까지 많은 부분에서 적용이 좌절되는 이유는 생산성의 저하로 인한 양산성 부족이 가장 큰 원인이다. 이에 따라 ALD 장비업계에서는 생산성 향상에 주력하고 있으나 ALD 공정의 특성상 한계가 있어 이 부분에 많은 어려움이 있다. 최근에 Plasma를 이용하는 PEALD 분야와 ALD Like 공정 그리고 여러 장의 Wafer를 사용하는 Batch Type ALD 장비 등이 연구되고 있다. 이중 Plasma의 경우 Particle의 발생이나 소자에 따라 발생하는 Plasma Damage 등의 문제 등 아직 해결할 부분이 많이 있다. 그리고 생산성 향상을 위해 여러 장의 Wafer를 사용하는 Furnace, Mini-Batch 유형의 ALD 장비도 개발 중에 있으나 그 공정 적용 범위는 넓지 않을 것으로 생각된다. 현재 대부분의 장비업체에서는 유사 ALD 공정을 많이 개발하고 있는 상황이다.
예를 들어 A사의 ALCVD(Atomic Layer CVD), N사의 PDL(Pulsed Deposition Layer) 그리고 IPS의 SLD(Sequential Layer Deposition) 등을 들 수 있다. 둘째, Precursor의 개발을 들 수 있다. ALD는 공정의 특성상 많은 부분을 Precursor에 의존하고 있다. 그로 인해 박막을 구현하는데 있어 선택의 폭이 적어지고 이는 ALD 공정을 확대시키는데 많은 어려움을 가지고 있다. 그러므로 Chemical 회사와의 공동 개발 등을 통해 새로운 Precursor의 개발이 필요하다. 이는 단차가 높은(High Aspect-Ratio) 구조의 경우 탁월한 균일도포성(Conformality) 향상에도 기여할 뿐 아니라 생산성 향상에도 많은 기여를 할 수 있을 것으로 보인다.
Ⅲ. 결론
금번 소개한 CVD 공정은 반도체 전공정 분야의 Isolation 분야에서부터 Gate 배선, 평탄화 공정, Capacitor, 금속배선에 이르기까지 사실상 모든 공정 단계에 적용되는 핵심 분야라고 할 수 있다. 현재 국내 반도체 장비 시장은 세계 장비 시장의 약 16%를 점유하는 수요국이지만, 이러한 장비의 자체 제작은 최근 수년을 기준으로 막 시작하는 단계에 불과하다. 그러나 국내 장비업체의 기술 수준은 이미 상당히 진전되어 있으므로 향후, 전체 전공정 장비 시장의 15%에 달하는 CVD 및 ALD 등 유사 CVD 공정 분야에서의 본격적인 약진이 기대되고 있다.
자료제공: (주)IPS
임홍주
Ⅰ. 서론
CVD(Chemical Vapor Deposition)는 반응가스 간의 화학반응으로 형성된 입자들을 웨이퍼 표면에 증착하여 절연막이나 전도성 박막을 형성시키는 공정으로서 반도체 제조공정의 핵심 기술이라고 할 수 있다. CVD는 일반 산업 분야에 있어서도, 재료 본래의 특성을 손상시키지 않고 표면 특성만을 강화시키는 박막 증착의 주요 기술로 자리 잡아서, 내마모성 박막이나 복잡한 형상을 가진 부품의 표면코팅 등에서 일상화될 정도로 그 산업화가 성숙되어 있다.
특히 CVD공정은 PVD(Physical Vapor Deposition) 등의 물리적 증착과는 달리 재료 표면에서의 화학적 반응에 의한 증착을 그 원리로 하고 있어, 날로 고집적화되는 반도체 소자의 제조 공정에 적합하다고 할 수 있다. 구체적으로는 층간절연막이나 금속배선, 확산방지막 등에서 더욱 그 용도가 확대되고 있으며, 소자의 기술 및 장비의 개발이 한층 더 가속화되면서 신규 개발의 전제조건이 되어 가고 있다.
본 원고에서는 이러한 CVD 기술의 다양한 기법과 원리 및 시장 동향을 소개하고, 개선된 CVD 및 이의 극한적 활용으로 볼 수 있는 원자층 증착법인 ALD(Atomic Layer Deposition)에 대한 상세한 소개를 덧붙이고자 한다.
Ⅱ. 본론
1. CVD 기술의 발전 과정 및 시장 동향
CVD는 반도체의 제조 공정 중에서 가장 중요한 기술의 하나이다. 그 산업적 기원을 찾아보면, 1920년대에 고순도의 금속을 얻는 방법으로 사용된 요오드(Iodine)법을 들 수 있고, 반도체 산업과 관련된 기술로는 1940년대의 고순도 게르마늄, 실리콘의 제조법 등으로 까지 거슬러 올라갈 수 있다. 1950년대부터는 로켓 노즐, 원자로 연료의 피복 등에 이용되기 시작했고, 그 후 TiC, TiN을 피복한 초경공구의 제조에도 널리 사용되어 왔다.
이 기술은 화학반응에 의한 증착이라는 특성상, 단차가 있는 패턴에서의 증착 특성인 모서리 도포성, 즉 Step Coverage가 우수하고 간극충진능력(Gap-Fill)이 뛰어나기 때문에 1970년대 이후에는 고순도·고품질의 반도체 소자 제조공정에서 없어서는 안될 기술로 자리잡았다. 예를 들면 층간절연막으로 쓰이는 열산화막(Thermal SiO2), TEOS-Oxide, PE-SiH4 Oxide 등의 다양한 Oxide나 TiN, TaN, WN 등의 질화막, W, WSi, Cu, Al 등의 금속배선에 성공적으로 적용되고 있다.
반도체 산업에서 CVD 장비 시장의 규모면으로는 전 세계 반도체 시장의 규모 1978억달러 중, 2004년 기준으로 CVD 장비는 14.3%의 큰 비중을 차지하고 있다. 세부 분야별로는 APCVD(Atmospheric Pressure CVD) 장비가 2200백만달러, LPCVD(Low Pressure CVD) 장비가 6억7600만달러, PECVD(Plasma Enhanced CVD) 장비가 17억4000만달러, METAL CVD 장비가 6억3000만달러 정도의 분포를 보이고 있다.
CVD 기술의 분류는 통상 기술적으로는 반응이 이루어지는 압력 기준에 의하여 APCVD, LPCVD로 나누어지고 CVD의 반응을 강화시키는 방법에 따라 PECVD, Photo CVD, Laser CVD와 고온에서 이루어지는 Thermal CVD등으로도 분류할 수 있다. 아래에 간략히 세부적인 기술의 소개와 장비업계의 동향을 정리하였다.
1) CVD의 기술적 분류
-APCVD
상압에서 반응이 이루어지는 것으로 대표적인 것이 O3 TEOS Oxide를 들 수 있다. 기본적으로 대기압 하에서 유기금속 MO(Metal Organic) 원료 기체인 TEOS를 이용하여 O3으로 더욱 활성화시키는 MOCVD 방법에 속하는 것으로 산화막의 치밀도는 다시 떨어지기 때문에 후속의 열처리 공정 등이 필요하지만, Gap-Fill 능력이 우수하기 때문에 패턴 형성 후 그 위를 증착하여 절연막의 형성과 동시에 다음 공정을 위한 평탄화 작업에 적절한 기법이다.
APCVD 장비 시장은 AMAT사가 Top Share로서 시장의 70% 이상을 유지하고 있으며, CANON·SVG 등이 10%대의 시장을 차지하고 있다. 전체 시장 규모는 2005년까지 지속적인 성장세를 보일 것으로 추산된다.
-LPCVD
진공을 이용한 낮은 기체 압력에서 화학반응을 이용하여 증착하는 기법을 말하지만 대부분 CVD의 진공을 이용하기 때문에, 좁은 의미로는 저압하에서 고온의 자연적인 화학반응만을 이용하는 Thermal CVD에 국한하여 일컫는다. 대표적인 막으로는 Thermal Silicon Oxide, Silicon Nitride, Poly-Silicion 등이 있다.
대표 반응: SiH4 + H20 → SiO2 + H2
SiH4 + NH3 → SiN + H2
LPCVD에서의 실리콘 산화막의 주된 소스는 대부분 SiH4의 Silane계이며, Process 온도는 800℃에 달한다. 한편 SiN막은 LOCOS용 절연막이나 0.18㎛까지의 Capcitance용 유전막으로 사용되고 있는데, 750℃정도의 온도에서 위 반응식으로 증착이 된다. Si 소스는 Si2H4의 Mono Silane과 SiH2C2이 있는데, SiH2C2는 Step Coverage는 우수하지만 NH4Cl 등의 Cl 함유 부산물 발생이나 증착후 Cl에 기인한 부가반응 등을 조심해야 하는 유의점이 있다. LOCOS용 내산화막이나 Capacitor용 유전막, Poly-Si, SiN, HTO(High Temperature Oxide) 등의 공정에 사용되는 장비는 APCVD와는 달리 주로 Batch Type의 진공장치가 주류가 되어 있다.
LPCVD 시장은 TEL과 Hitachi Kokusai Denki의 양사가 시장을 각각 60%, 25% 정도의 시장을 분할하여 주도하고 있고, SVG가 10% 내외로 뒤를 따르고 있다. 2005년에는 전체 세계 시장 규모가 1100만달러 수준에 이를 것으로 추산된다.
-PECVD
화학반응에 있어서의 자연적인 반응이 쉽지 않거나 고온이 요구되는 경우에는 전원을 인가하여 전기적으로 반응기체를 이온·전자·활성종 등의 플라즈마로 분해하여 반응을 일으키는 방법으로, 흔히 PE-TEOS, PE-SiH4, PE-SiN, PE-SiON 등의 다양한 증착이 가능하다. 주된 사용공정은 Metal 층간절연막인 IMD(Inter-Metallic Dielectric)나 STI(Shallow Trench Isolation), Passivation 막 형성 등에 있는데, 최근에는 HDP(High Density Plasma) CVD의 비율이 높아지고 있다. 그 이유는 높은 플라즈마 이온화율에 따른 Gap-Filling 능력이 우수하기 때문이다.
한편 금속배선 간의 유전층의 전하 축적에 의한 금속배선에서의 신호전달 속도가 저하되는 LC-Delay 현상을 방지하기 위하여 저유전막인 SiOF 막 등의 주된 증착도 PE-CVD를 이용하고 있다.
PECVD 시장은 AMT사가 50% 이상의 시장 점유율을 보이고 있으며, Novellus System이 25%정도, TEL· GENUS·ULVAC 등의 업체가 10% 전후의 시장 점유율을 보이고 있다.
2) CVD 기술의 적용 공정별 분류
위의 기술적 분류는 CVD의 기법을 통한 분류이며, 반도체 소자에서 사용되는 막의 특성에 따라 분류하는 것이 실용적이기도 하다. 이를테면 절연막 증착과 금속배선 증착으로 나누는 것이 합리적이다. 절연막 증착은 위에 상술한 바와 같이 APCVD, PECVD, LPCVD 시장에 해당이 되는 반면, 금속 CVD는 LPCVD 및 PECVD 기술이 경우에 따라 동시에 사용되고 있다.
-층간절연막 증착
배선 층간 및 좁은 간극(Gap)을 갖는 구조에서의 충진을 위한 절연막, Side Wall Spacer, STI 등의 형성으로 APCVD와 PECVD를 이용한 산화막이 주로 사용된다. Al막 하절연막에 있어서는 BPSG(Boro-Phosporous Silica Glass) 및 USG(Undoped Silica Glass)를 주로 사용하고 있으며, 형성법으로는 O3 + TEOS Process 대응의 상압 CVD장비가 주류를 이루고 있으나, STI의 Gap-Fill이나 좁은 Gap을 갖는 구조에서의 Fill 능력이 우수한 HDP-CVD 방법의 사용이 연구되고 있다.
절연막 CVD 장치는 전하 축적(Charge-Up)에 의한 손실 감소 대책이 필요하며, 또한 불소 함유 기체인 PFC 배출 대책도 필수적인 항목이다. 비교적 최근의 기술인 HDP-CVD 방법은 기존의 RF에 비해서 보다 주파수가 높은 2.43㎓를 쓰는 등의 플라즈마 이온화 비율을 높이는 기술로서, 이러한 HDP CVD법의 도입이 요구되는 이유는 Metal 배선의 선폭(Pitch)이 작아짐에 따라 배선간의 Gap-Fill 능력 향상이 요구되기 때문이다. 평탄화 측면에서는 CVD 기술과 결합하여, CMP(Chemical Mechanical Poli-Shing)공정을 연계하여 쓰는 것이 최근의 추세이다.
-고유전막 증착
D램 소자의 Capacitor에 해당하는 고유전막은 소자 내부의 전하를 축적/방출하는 기능으로 디지털적인 on과 off를 구현하는 핵심 부분으로서, 기존의 256M D램까지의 소자에서는 SiO2와 SiN을 이용하여 최대한으로 표면적을 늘리는 방향으로 개발이 되었으나, 최근에는 Al2
O3, HfO2 등의 비교적 높은 유전율의 이원계산화물(Binary Oxide)과 STO, BST, Ta2O5, ZrO2 등의 고유전체 물질이 활발히 연구되고 있다. 유전율이 높으므로 요구되는 표면적이 다소 줄기는 했지만 여전히 소자의 고밀도화는 진행되고 있으므로, PVD 계열인 Sputter 등으로는 대응할 수 없으므로, MOCVD 및 ALD 계열의 화학 증착 방법이 그 대세를 이루고 있다. ALD에 관해서는 뒤 절에서 보다 상세히 설명하려고 한다.
-금속배선 및 확산방지막 증착
Metal 배선 분야에 있어서 CVD 장비가 사용되는 것은 W 등의 고융점 금속배선 Process, 절연막의 Contact Hole의 Plug 형성 Process, Plug 층간의 밀착막과 Al 배선의 Barrier를 위한 TiN 등의 질화막 형성 Process의 3가지를 우선 들 수 있다. Plug 형성의 저비용을 요구하는 메모리에서는 공정의 단순화를 위해 Etchback 이나 CMP 공정이 필요없는 기술을 요구하고 있으며 이를 위한 CVD-Al 공정이 개발중이다. 특히 초고밀도 미세회로 기술과 새로운 재료의 사용이 요구되는 0.13㎛ Design Rule 이하의 고집적 소자는 박막증착기술 적용의 분기점이라고도 할 수 있어서, Gate 절연막과 Capacitor용 고유전체 증착기술과 함께 Metal 전극 및 Metal Barrier의 증착이 매우 중요해지고 있다. 확산방지층(Barrier)의 형성은 현재 Sputtering 장비를 주로 사용하고 있으며 Step Coverage 개선을 위해 이온화시킨 금속원자를 증착하는 Sputtering 방법도 개발 중이어서 조만간 적용될 계획이다. 그러나 미세화의 진전과 단차비(Aspect Ratio)가 높아서 Hole 전면의 도포성(Step Coverage)의 약화로 Sputtering으로 대응이 불가하여 0.15㎛ 이후의 공정에서는 CVD 장비의 사용이 필수화될 예정이다.
CPU 등의 소자에서는 낮은 저항의 배선을 위하여 Cu 도금법에 의한 배선 형성법이 적용되기 시작하였으며, 양산에 적용될 단계에 이르렀다. Sputter 기술로는 0.10㎛까지는 대응이 가능할 것으로 판단되었지만, 그 이후에는 본격적으로 CVD 공정이 도입될 예정이다. 다만 Cu CVD의 경우에는 소스 Gas의 개발 및 가격 등 극복해야 할 과제가 많이 남은 편이다. 한편 D램용 고유전막을 위한 Ru 등의 희귀 금속전극이나 Logic용 Al, W 등의 Metal Gate 등의 추가적인 수요가 계속 확대될 예정이다.
Metal CVD 장비업체로는 AMAT가 약 50%의 시장점유를 하고 있으며, Novellus(25%)·TEL(12%) 선으로 그 뒤를 따르고 있다. 이러한 Metal CVD 장비는 장비의 호환 특성상, ALD 및 유사 CVD인 Cyclic-CVD 또는 SLD(Sequential Layer Deposition)용 장비로의 호환 및 개조가 용이하여 개발 효과가 극대화 될 수 있으므로, 국내 업체의 입장에서는 핵심 설비의 국산화 측면 뿐만 아니라 해외 수출 측면에서 그 상품 가치 및 시장성이 매우 크다고 할 수 있다.
2. ALD 기술의 동향
1) ALD 기술의 반도체 산업 동비
CVD 기술이 기존 PVD 등의 기술이 가지는 Step Coverage 등의 한계를 보완할 수 있는 기술이라면, ALD 기술은 CVD 공정의 화학반응 단계를 원자 단위까지 정교하게 조절한 기술로, CVD 기술의 한 극단으로 분류될 수도 있다. 특히 반도체 산업에서는 수십㎚ 단위의 초미세소자의 세계로 들어서면서 턴의 높이와 폭의 비율인 Aspect Ratio가 수십대 일의 극한적인 상황이 되면서 이러한 ALD 기술을 사용해야 대응 가능한 고유의 영역이 생기고 있다.
ALD공정은 1970년대 초 핀란드의 Suntola 박사가 처음 개발했는데, 개발 초기에는 Ⅱ-Ⅵ, Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체나 LED 계열의 박막이 주로 연구되었다. 국내에서 ALD 장비는 1990년대 후반부터 IPS와 삼성전자와의 공동 개발 방식으로 반도체 공정에 적용키 위해 본격적으로 개발하기 시작하였다. 초기 ALD 개발 당시부터 1990년도 중반까지는 어느 누구도 반도체 생산 공정에 현재와 같이 중요한 공정 기술이 될 것을 예측하지 못했다. 최근에 들어서 소자는 회로선폭이 점점 더 작아지면서 100㎚ 이하로 내려가 ALD 공정의 필요성을 더욱 증가시키고 있는 상황이다. 다른 실리콘 반도체 기술과 달리 ALD 기술을 실리콘 반도체 소자 제조에 적용하려는 노력이 한국에서 최초로 시작되었다. 1996년부터 국내의 반도체 장비업체인 IPS와 삼성전자가 ALD 기술을 사용하는 장비와 소자 연구를 시작하여 1998년에 반도체 소자업체로는 최초로 ALD 기술을 적용하여 차세대 D램을 개발했다고 발표하였다.
2) ALD 기술의 특징
ALD의 가장 큰 특징은 반응물들을 낮은 온도(400℃ 이하)에서 주기적으로 반복해서 반응기로 공급하는데 있으며, 이렇게 공급되는 반응물들이 주기적으로 기판 위에서 공급과 배출을 반복함으로써 반응물이 기판과 화학적 반응이 이루어지고 이 반응은 자기포화 표면 반응(Self Limited Surface Reaction)을 하여 원자층(또는 분자층) 단위로 박막을 형성하는데 있다. 그러므로 우수한 Step-Coverage 형성이 가능하다. 그림 7은 Al2O3를 증착하는 예를 나타낸 것으로 사용되는 원재료인 TMA(TriMethylAluminum)의 공급과 배출 그리고 O3 공급과 배출을 한 주기로 하여 AlO가 단분자층씩 형성되는 것을 도식화하였다. 이는 기존의 CVD로 형성된 박막과 비교할 때 많은 차이를 가지고 있는데 그 차이는 다음과 같다.
첫째, 반응물들을 주기적으로 공급/배출하는데 있다. 그림 8은 CVD 공정과 ALD 공정을 비교한 것으로 CVD가 반응기 내로 동시에 공급해 줌으로써 반응물들을 1차 반응시키고 2차로 기판 위에서 반응하는 것과 달리 ALD는 반응물들을 동시에 공급하지 않기 때문에 기판 위에서 반응만을 가지고 박막을 형성시켜 박막 특성이 우수할 뿐 아니라 Particle과 같은 불순물 형성을 억제하는 효과를 가지고 있다. 그리고 ALD 기판 위에서의 반응에 의해 이루어지기 때문에 CVD에 비해 낮은 온도에서 증착할 수 있는 장점을 갖는다.
둘째, CVD는 증착되는 박막의 두께를 시간의 함수로 계산하고 증착하는데 비해 ALD는 반응물들의 공급과 배출을 기준으로 한 횟수의 함수를 계산한다. 즉 반응물들의 공급과 배출을 1 Cycle이라 하고 이 기간의 두께를 기준으로 두께를 계산하여 증착한다. 현재의 ALD는 소자업체에서 제품에 적용하여 양산이나 적용을 준비하고 있으며, 이에 따라 장비업체와 부품업체에서도 ALD에 많은 관심을 가지고 장비와 부품 개발을 하고 있다.
셋째, ALD는 여러가지 장점에도 불구하고 낮은 생산성을 가지고 있다는 단점을 가지고 있다. 이는 단원자층(분자층) 증착 방법이기 때문에 발생하는 것으로 최근에 Cyclic CVD 등 생산성을 향상시키기 위해 많은 연구가 진행되고 있다. Cyclic CVD는 ALD와 같이 주기적으로 반응물들을 공급하고 배출하지만 반응물을 완전히 배출시키지 않고 반응물들 간의 반응을 일으켜 증착 속도를 증가시키는 방법을 사용하고 있다.
3) 시장 전망
VLSI 리서치에서 발표한 자료를 보면 2006년까지 ALD 관련 시장은 2003년을 기준으로 할 때 수백배 이상 증가할 것으로 기대하고 있다. 그럼에도 불구하고 ALD 공정은 좀 더 연구하고 개발해야 할 몇 가지가 있다. 그 중 첫째가 생산성의 향상이다. ALD는 앞서 언급한 바와 같이 여러가지 장점에도 불구하고 현재까지 많은 부분에서 적용이 좌절되는 이유는 생산성의 저하로 인한 양산성 부족이 가장 큰 원인이다. 이에 따라 ALD 장비업계에서는 생산성 향상에 주력하고 있으나 ALD 공정의 특성상 한계가 있어 이 부분에 많은 어려움이 있다. 최근에 Plasma를 이용하는 PEALD 분야와 ALD Like 공정 그리고 여러 장의 Wafer를 사용하는 Batch Type ALD 장비 등이 연구되고 있다. 이중 Plasma의 경우 Particle의 발생이나 소자에 따라 발생하는 Plasma Damage 등의 문제 등 아직 해결할 부분이 많이 있다. 그리고 생산성 향상을 위해 여러 장의 Wafer를 사용하는 Furnace, Mini-Batch 유형의 ALD 장비도 개발 중에 있으나 그 공정 적용 범위는 넓지 않을 것으로 생각된다. 현재 대부분의 장비업체에서는 유사 ALD 공정을 많이 개발하고 있는 상황이다.
예를 들어 A사의 ALCVD(Atomic Layer CVD), N사의 PDL(Pulsed Deposition Layer) 그리고 IPS의 SLD(Sequential Layer Deposition) 등을 들 수 있다. 둘째, Precursor의 개발을 들 수 있다. ALD는 공정의 특성상 많은 부분을 Precursor에 의존하고 있다. 그로 인해 박막을 구현하는데 있어 선택의 폭이 적어지고 이는 ALD 공정을 확대시키는데 많은 어려움을 가지고 있다. 그러므로 Chemical 회사와의 공동 개발 등을 통해 새로운 Precursor의 개발이 필요하다. 이는 단차가 높은(High Aspect-Ratio) 구조의 경우 탁월한 균일도포성(Conformality) 향상에도 기여할 뿐 아니라 생산성 향상에도 많은 기여를 할 수 있을 것으로 보인다.
Ⅲ. 결론
금번 소개한 CVD 공정은 반도체 전공정 분야의 Isolation 분야에서부터 Gate 배선, 평탄화 공정, Capacitor, 금속배선에 이르기까지 사실상 모든 공정 단계에 적용되는 핵심 분야라고 할 수 있다. 현재 국내 반도체 장비 시장은 세계 장비 시장의 약 16%를 점유하는 수요국이지만, 이러한 장비의 자체 제작은 최근 수년을 기준으로 막 시작하는 단계에 불과하다. 그러나 국내 장비업체의 기술 수준은 이미 상당히 진전되어 있으므로 향후, 전체 전공정 장비 시장의 15%에 달하는 CVD 및 ALD 등 유사 CVD 공정 분야에서의 본격적인 약진이 기대되고 있다.
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