CVD 화학 기상 증착

1. CVD 개요

1.1. CVD(Chemical Vapor Deposition; 화학 기상 증착)공정

:외부와 차단된 챔버 안에 기판을 넣고 증기 상태의 가스를 공급하여 열, 플라즈마, 빛(UV or LASER), 또는 임의의 에너지에 의하여 분해를 일으켜 기판의 성질을 변화시키지 않고 고체 막을 증착하는 박막을 형성하는 대표적인 방법이다.

1.2. CVD 막의 형성 단계

CVD장비의 Reaction 방식을 두 가지로 나누어보면 다음과 같다.

① Homogeneous reaction(동종반응) : 반응기에 주입된 기체가 기판뿐만 아니라 기판 위 공간에서도 반응이 일어나며 박막에 pin hole, particle 및 haze 등의 결함을 유발하며 Supersaturation(입력분압/평형분압)이 클수록, 온도가 높을수록 발생 확률이 높다.

② Heterogeneous reaction(이종반응) : 반응이 기판 표면에서만 일어나며 양질의 박막을 얻기 위해서는 필수적인 요소이다. 경계층(boundary layer) 위를 대류에 의해 흐르는 반응 기체가 기판으로 전달되어 다음과 같이 여섯 단계로 구분할 수 있다.

<단계1> 원료 기체 즉, 전구체들의 반응기 내부로의 도입과 기상에서의 균일 분해반응

<단계2> 대류와 확산에 의한 기상 화학 종들의 기판 표면으로의 물질전달

<단계3> 막 전구체(film precursor)들의 기판 표면에의 흡착

<단계4> 흡착된 막 전구체의 기판 표면에서의 표면확산 및 탈착

<단계5> 불균일 표면반응에 의한 박막 형성 및 휘발성 반응 생성물의 형성

<단계6> 휘발성 반응 생성물의 탈착 및 기상으로의 이동

 

1.3. CVD 막의 응용

실리콘 IC의 제조에 있어 주로 사용되는 CVD 공정으로, 부도체 박막은 소자 내의 층간 절연막으로 주로 사용되는 PSG나 BPSG 등이 APCVD(atmospheric CVD)법에 의해 대기압에서 증착되며, 반도체 박막의 경우는 IC내 트랜지스터의 게이트 층으로 사용되는 다결정 실리콘이 LPCVD(low-pressure CVD)법에 의해 주로 증착된다. 또한, 최상층 금속 배선 위를 덮는 보호막(passivation film)인 Si3N4 박막과 금속 배선층간의 절연막인 SiO2 박막 등이 PECVD(plasma CVD)법에 의해 증착되며, 최근 들어서는 이제까지 주로 PVD법에 의해 증착되었던 금속층들(예: Al, Cu, W, TiN 등)도 CVD법을 사용하여 증착하는 연구가 활발히 수행되고 있다.

1.2. CVD 반응의 종류

(1) 열분해 (Pyrolysis): SiH4 -----> Si + 2H2 ( 600 ～ 1100℃)

(2) 환원 (Reduction): WF6 + 3H2 -----> W + 6HF ( 300℃)

(3) 산화 (Oxidation): SiH4 + O2 -----> SiO2 + 2H2 ( 400℃)

(4) 질화 (Nitridation): 3SiH4 + 4NH3 -----> Si3N4 + 12H2 (700 ～ 800℃)

(5) 탄화 (Carburization): 2SiH4 + C2H4 -----> 2SiC + 6H2

(6) 합성반응 (Synthesis Reaction): (CH)3Ga+AsH3 ---->GaAs+3CH4 (700 ℃)

 

1.3. CVD 공정의 종류

CVD 공정은 챔버의 압력 조건에 따라 3가지로 구분된다. 이들 각 3가지 기법에 따른 설비의 장치 구성도는 많은 차이점이 있다.

① APCVD (Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition)

챔버의 진공도를 대기압 상태에서 실시하며 주로 열에 의한 에너지에 의존

② LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition)

챔버의 진공도가 저압이며, 고온의 열 에너지로 반응을 유도

③ PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)

챔버의 진공도가 저압이며, 저온의 열 에너지와 R.F. 전력에 의한 Plasma로 반응을 유도.