반도체 8대공정 3편(5.증착 및 이온 주입 6.배선 공정)

5. 증착 및 이온 주입공정(Deposition & Ion Implantation)

 

눈으로 확인하기 어려운, 사람의 손톱보다 작고 종이만큼 얇은, 반도체 칩에는 미세하고 수많은 층(layer)이 존재합니다. 마치 고층 빌딩처럼, 높고 견고하게 쌓여 복잡한 구조를 이루고 있습니다.

이러한, 구조를 형성하기 위해서는, 반도체의 원재료가 되는, 단결정 실리콘(Si) 웨이퍼 위에, 단계적으로 박막을 입히고, 회로를 그려 넣는, 포토공정을 거쳐, 불필요한 부분을 선택적으로 제거하는, 식각 공정과, 세정하는 과정을 여러 번, 반복하게 됩니다.

이때 회로 간의 구분과 연결, 보호 역할을 하는 얇은 막을, 박막(Thin film)이라고 합니다. 이런 박막을 만드는 과정을 증착공정이라 하고,  반도체가 전기적인 특성을 갖도록 만드는 일련의 과정을, 이온 주입 공정(Ion Implantation)이라 합니다.

우선, 이온 주입 공정에 대해 알아보겠습니다.

5-1.증착 공정(Deposition)

이해하기 쉽게 표현하자면, 웨이퍼에 얇은 옷을 입힌다고, 이해하면 될 듯싶습니다. 사전적 의미로 ‘박막(thin film)’이란 단순한 기계 가공으로는, 실현 불가능한 1 마이크로미터(μm, 100만 분의 1미터) 이하의 얇은 막을 뜻합니다. 웨이퍼 위에 원하는 분자 또는, 원자 단위의 박막을 입히는 일련의 과정을, 증착(Deposition)이라고 하는데요. 두께가 워낙 얇기 때문에, 웨이퍼 위에 균일하게 박막을 형성하기 위해서는, 정교하고 세밀한 기술력을 필요로 하죠. 

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기본적으로, 증착은 진공을 이용합니다. 증착의 방법은, 크게 두 가지로 나뉘는데요. 물리적 기상 증착 방법(PVD, Physical Vapor Deposition)과, 화학적 기상 증착 방법(CVD, Chemical Vapor Deposition)입니다.

물리적 기상 증착 방법(PVD)은, 금속 박막의 증착에 주로 사용되며, 화학반응이 수반되지는 않습니다. 한편, 화학적 기상 증착 방법(CVD)은 가스의 화학반응으로 형성된 입자들을 외부 에너지가 부여된 수증기 형태로 쏘아 증착시키는 방법인데요. 도체, 부도체, 반도체의 박막 증착에 모두 사용될 수 있는 기술입니다.

현재 반도체 공정에서는 화학적 기상 증착 방법(CVD)을 주로 사용하고 있습니다. 화학적 기상 증착 방법(CVD)은 사용하는 외부 에너지에 따라 열 CVD, 플라스마 CVD, 광 CVD로 세분화되는데요. 특히 플라스마 CVD는 저온에서 형성이 가능하고 두께 균일도를 조절할 수 있으며 대량 처리가 가능하다는 장점 때문에 가장 많이 이용되고 있습니다.

증착공정을 통해 형성된 박막은 크게 회로들 간 전기적인 신호를 연결해주는 금속막(전도) 층과 내부 연결층을 전기적으로 분리하거나 오염원으로부터 차단시켜주는 절연막층으로 구분됩니다.

증착의 방법과 종류 /  아래로 갈수록 발전된 기술임.

 

CVD 발전 과정

 

화학적 증착(CVD)의 핵심 기술은, 1. 얼마나 막의 두께는 얇고, 밀도는 높일 수 있느냐, 2. 진공을 얼마나 낮은 압력으로 만들 수 있느냐, 3. 막의 위치와 공정 진행 방식에 따라, 어떤 에너지를 얼마나 투입하여, 가스를 활성화시킬 수 있느냐이다.

플라즈마 증착(PECVD)은, 저기압 증착(LPCVD)의 단점을 보완하여, 낮은 온도(낮은 기압)에서도, 얇은 막을 형성 할 수 있도록 개선된 형태이나, 막의 상태가 좋지 않고 한쪽 방향으로, 진행되는 성질인 이방성을 가지고 있어, 불균질 상태(Step Coverage) 발생된다는. 즉, 막의 상태가 좋지 않고, 균일하지 않는 막이 생상 된다는, 단점이 있다. 

Step Coverage

플라즈마 증착(PECVD)의 단점을 보완하기 위해, 나온 것이, 고밀도 플라스마(HDPCVD)이다. 고밀도 플라즈마(HDPCVD)는 플라스마 증착(PECVD)보다 속도는 느리나, 균일한 막질을 얻을 수 있다.

최근 미세공정에 EUV 장비가 쓰이면서, ALD의 활용도가 높아지고 있다. ALD는 개발된 후, 산업 분야에서 활용도가 미비하다가, 우리나라 반도체 기업, SK하이닉스와, 삼성전자가 반도체에 활용하기 시작하여, 세계적으로, 가장 앞서가고 있음. 

5-2. 이온 주입 공정(Ion Implantation)

이때, 반도체가 전기적인 성질을 가지게 하는 공정이 수반되어야 합니다. 전기가 통하는 도체와, 통하지 않는 부도체의 성질을 동시에 가진, 반도체에서 이온 주입 공정(Ion Implantation)은, 실리콘 웨이퍼에 반도체의 생명을 불어넣는 작업입니다. 순수한 반도체는, 규소로 되어있어 전기가 통하지 않으나, 불순물(Ion)을 넣어줘 전류를 흐르게 하는 전도성을 갖게 되는 것이죠. 이것을, 이온 주입 공정(Ion Implantation)이라 합니다.

이때, 불순물을 이온(Ion)을, 미세한 가스 입자로 만들어, 원하는 깊이만큼 웨이퍼 전면에 균일하게 넣어줍니다. 여기서 불순물로는, 15족 원소 인(P), 비소(As), 13족 원소 붕소(B) 등을 사용하게 되는데요. 15족 원소인, 인(P), 비소(As)를 주입하면, n형 반도체가 되고, 13족 원소인,  붕소(B)를 주입하면 p형 반도체가 됩니다.

 

반도체는, 전기가 통하는, ‘도체’와 전기가 통하지 않는, ‘부도체’의 특성을 모두 가지고 있습니다. 순수한 규소에, 불순물을 넣는, 이온 주입 공정(Ion Implantation)을 통해, 전도성을 갖게 된 반도체는, 필요에 따라 전기가 흐르게, 또는 흐르지 않게 조절할 수 있습니다.

 

6. 금속 배선 공정

포토, 식각, 이온주입, 증착 공정을 반복하면, 웨이퍼 위에 수많은 반도체 회로가 만들어집니다. 이 회로가, 동작하기 위해서는, 외부에서, 전기적 신호를 가해주어야 하는데요. 신호가 잘 전달되도록, 반도체 회로 패턴에 따라 전기길(금속선)을 연결하는 작업을, 금속 배선 공정이라고 합니다. 즉, 전기가 지나가는 길을 만들어 주는 공정이다. 따라서, 금속 배선 공정은, 전기가 잘 통하는 금속의 성질을 이용합니다. 반도체의 회로 패턴을 따라 금속선(Metal Line)을 이어주는 과정인데요. 하지만 금속 배선 공정에 모든 금속을 사용할 수 있는 것은 아닙니다. 반도체에 들어가는 금속 재료는 다음과 같은 조건을 갖추어야 합니다.

위 조건을 충족시키는 대표적인 금속에는, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 텅스텐(W) 등이 있습니다. 그렇다면, 실제 금속 배선 공정은 어떻게 이루어질까요?

대표적인 반도체용 금속 배선 재료로는, 알루미늄(Al)이 있습니다. 산화막(Silicon Dioxide)과의 부착성이 좋고, 가공성이 뛰어나기 때문입니다.

하지만, 알루미늄(Al)은 실리콘(Si)과 만나면 서로 섞이려는 성질을 가지고 있습니다. 이 때문에 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미늄 배선 과정에서 접합면이 파괴되는 현상이 생길 수 있습니다. 이러한 현상을 방지하기 위해 알루미늄과 웨이퍼 접합면 사이에 장벽(Barrier) 역할을 하는 금속을 증착하는데, 이를 베리어 메탈(Barrier Metal)이라고 합니다. 이중으로 박막을 형성해 접합면이 파괴되는 것을 막을 수 있습니다.

금속 배선 역시 증착을 통해 이루어집니다. 금속을 진공 챔버에 넣고 낮은 압력에서 끓이거나 전기적 충격을 주면 금속은 증기 상태가 됩니다. 이때 웨이퍼를 진공 챔버에 넣으면 얇은 금속막이 형성됩니다.

반도체 공정이 점점 미세화되며 반도체 공정은 꾸준한 연구 개발로 변화를 거듭하고 있습니다. 금속 배선 공정에서도 좁은 영역에 균일한 박막을 형성시키기 위해 화학적 기상 증착(CVD)으로의 전환이 이루어지고 있습니다.

투자자의 입장에서 들여다 보면, 우리나라 4대 증착 회사는 테스, 원익IPS, 주성엔지니어링, 유진테크가 있다.

특히, 증착에 있어서는 미래의 EUV공정 성장세가 예상되는바 앞으로는 ALD 증착 장비를 관련 기업에 투자하는 것이 좋을 듯 싶습니다.

1년 전, 유진 테크의 ALD장비를 삼성에 남품을 성공하여, 일본의 고쿠사이와 투트랙으로 삼성에 납품하고 있습니다.

이렇게 "반도체 8대 공정" 1편~3편을 통하여, 1. 웨이퍼 제작에서부터, 6. 금속 배선 공정까지 알아보았습니다. 흔히, 1번에서 6번까지의 공정을, 전공정이라 합니다. 나머지, 7번, 8번 공정은 후공정(OSAT)이라 합니다. 다음, 4편에서는 후공정에 대해 이야기해보겠습니다.