3.7 박막 증착(Thin Film Deposition)

3.7.1 결정 

 

 > 고체 물질은 단결정(Crystalline), 다결정(Polycrystalline) 혹은 비정질(Amorphous) 일 수 있다. 

 

 > 단결정은 완벽한 주기적 구조를 가진 결정이다. 

 

 > 다결정은 부분적인 단결정들인 Grain들이 모여서 만들어진 것을 의미한다. 

 

 > 다결정의 단결정 부분들이 맞닿는 경계를Grain Boundary라고 한다. 

 

 > 각 Grain은 10~10,000nm 크기를 갖는다. 

 

 > 높은 온도에서 증착된 금속 박막과 Si 필름은 다결정에 속한다. 

 

 > 다결정과 단결정 Si은 유사한 전기적 특성을 갖는다. 

 

 > 비정질 물질으 원자들이 정렬되어있지 않다. 

 

 > 낮은 온도에서 증착된 SiO2, SiN 그리고 Si는 이 범주에 속한다. 

 

 > 비정질, 다결정 Si의 이동도는 단결정 Si 보다 낮다. 

 

그림 1. (a) Crystalline (b) Polycrystalline (c) Amorphous

3.7.2 Sputtering 

 

 > Sputtering은 물리적으로 증착하는 PVD(Physical Vapor Deposition)의 일종이다. 

 

 > Sputtering은 플라스마 상태에서 진행된다. 

 

 > Ar(Argon) 환경의 Chamber에서 진공상태가 되고 일정 전압이 가해지면 플라스마 상태가 된다. 

 

 > 플라즈마 상태에서 Ar은 자유 전자가 생기면서 이온이 생긴다. 

 

 > Ar 이온은 음의 전위로 가해진 Target으로 향해 이동하고 충돌하면서 Target 원자가 튕겨져 나온다. 

 

> 튕겨져 나온 Target의 원자는 Si 웨이퍼에 쉽게 이동되어 증착이 된다. 

 

> 도체의 경우 DC 전압을 가해도 되지만 절연막의 경우 RF 전압을 가해야 한다. 

 

> 절연막은 부도체이기 때문에 Ar이 Target에 충분하게 충돌하지 못한다. 

 

그림 2. Sputtering

3.7.3 CVD(Chemical Vapor Deposition) 

 

 > Sputtering은 방향성을 갖기 때문에 수평, 수직 표면에 대한 Coverage가 높지 않다. Step Coverage가 좋지 않다. 

 

 > 반면에 CVD를 활용하면 Conformal하게 증착할 수 있어서 Step Coverage가 좋다.

 

 > CVD는 기체 성분을 이용하여 화합물이 분해되거나 기처 성분 간에 반응을 시켜 증착한다. 

 

 > CVD 공정은 높은 온도에서 진행될수록 막 품질이 좋아지는 경향이 있다. 

 

 > 마냥 온도를 올릴 수 없어 압력을 낮추는 LPCVD(Low Pressure CVD), 플라스마를 활용하여 적당한 온도와 압력 범위에서 진행하는 PECVD(Plasma Enhanced CVD)가 대표적이다. 

 

그림 3. CVD

 3.7.4 Epitaxy 

 

 > Epitaxy 공정은 단결정 위에 단결정의 박막을 성장시키는 공정이다.

 

 > 단결정 기판 표면위에 높은 온도에서 단결정과 같은 소스를 공급해 준다. 

 

 > 표면에 도착한 원자가 기판 표면 결정 격자 패턴을 확장하게 된다. 

 

 > 단결정 위에서만 성장하기 때문에 산화막 Pattern을 이용하면 선택적 Epitaxy 공정이 가능하다. 

 

 

3.7.1 Crystallinity

 

•Solid materials can be crystalline, polycrystalline, or amorphous.

 

•A single crystal has a perfectly periodic structure.

 

•Polycrystalline materials consist of grains, each being a partial single crystal.

 

•Grain boundaries are where these polycrystalline grains meet.

 

•Each grain is typically 10-10,000 nm in size.

 

•Metals and silicon films deposited at high temperatures belong to polycrystalline materials.

 

•Polycrystalline and single-crystal silicon have similar electrical characteristics.

 

•Amorphous materials lack atomic order.

 

•Materials like SiO2, SiN, and Si deposited at low temperatures fall into this category.

 

•The mobility of amorphous and polycrystalline silicon is lower than that of single-crystal silicon.

Figure 1. (a) Crystalline (b) Polycrystalline (c) Amorphous

 

3.7.2 Sputtering

 

•Sputtering is a type of PVD (Physical Vapor Deposition) where material is physically deposited.

 

•It occurs in a plasma state.

 

•In an argon (Ar) environment chamber at a vacuum, applying a voltage generates plasma.

 

•Ar ions collide with the target and eject target atoms.

 

•These ejected atoms deposit onto a silicon wafer.

 

•For insulators, RF voltage is used due to their non-conductive nature.

Figure 2. Sputtering

 

3.7.3 CVD (Chemical Vapor Deposition)

 

•Sputtering is directionally biased, leading to poor step coverage.

 

•In contrast, CVD provides conformal deposition and good step coverage.

 

•CVD uses gas precursors that react or decompose to deposit materials.

 

•Higher temperature in CVD often results in better film quality.

 

•LPCVD (Low Pressure CVD) and PECVD (Plasma Enhanced CVD) are common methods that control temperature and pressure.

Figure 3. CVD

 

3.7.4 Epitaxy

 

•Epitaxy is a process where a single-crystal film grows on a single-crystal substrate.

 

•It involves supplying source material similar to the substrate to the high-temperature substrate surface.

 

•Arriving atoms expand the substrate surface's crystal pattern.

 

•Selective epitaxy is possible using oxide patterns to grow only on single-crystal surfaces.

 

Reference 

-. Chenming Calvin Hu, Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits, PEARSON(2013)