[반도체 제조 공정] 박막

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[반도체 제조 공정] 박막

반도체 제품의 성능은 보다 좋아져야 하는 반면에 회로의 선폭은 점점 좁아지고 있다. 그래서 보다 나은 제품을 구현하는데 어려움이 많다.

어린 시절 누구나 한번쯤 해본 비누방울 놀이도 일종의 박막이라고 보면 되고, 욕조 물위의 비눗물도 박막의 일정이다.
가장 쉽게 이해하기 위해서는 양파의 껍질을 벗겨보면 이 또한 박막인 것을 알 수 있다. 이처럼 박막은 내부의 어떤 내요물을 감싸고 있다. 그리고 달리 표현해 코팅용지(Laminating Film)에 비유해 본다면, 더 오랜 시간 동안 사용할 수 있도록 원본을 구겨지지 않고 빳빳하게 보호하기 위함이다.

마찬가지로 반도체에도 회로를 보호하고 회로와 회로를 구분 짓게 하기 위한 막이 있다. 그 어떤 다른 막보다 굉장히 얇기에 박막(Thin Film)이라고 부른다

반도체 회로의 도로공사 Thin Film

표면을 뒤더고 있거나 경계면을 이루고 있는 것을 막이라고 한다. 반도체에서 박막은 이보다 역할이 더 많다.
크게 구분 지어서 이야기 해보면 도전체의 역할과 절연체의 역할을 한다. 도전체는 말 그대로 전기를 흘러가게 해주는 역할을 하고, 절연체는 전기를 흘러가게 하지 않게 하는 역할을 한다.

즉, 도체와 부도체를 적절히 쌓아 올려서 전기가 통하는 곳과 전기가 통하지 않는 길을 만들어 주고 원하는 동작을 하도록 만들어 준 것이 반도체다. 여기에서 도전체와 절연체를 만들어 주는 것을 Thin Film에서 만들어 준다.
즉, 전선의 단면을 보면 전기를 흘러가게 해주는 전선의 역할과 감전 또는 누전이 되지 않게 하기 위한 피복을 이해하면 된다. 이 두 가지가 적절히 조화가 될 때 온전한 전선이 된다. 중요한 것은 전기를 흘러가게 하는 역할과 전기를 흘러가지 않게 하는 역할 모두 잘해야 한다. 

그래서 Thin Film은 2가지로 분류해서 이해하는 것이 편리하다. 첫 번째는 전기를 잘 흘러가게 해주는 도체(Conductor)를 만들어 주는 금속배선(Metallization)이며, 두 번째는 전기를 흘러가지 않게 하는 역할의 절연체(Nonconductor)를만들어 주어 전기회로와 전기회로를 분리해주는 공정(Dielectric)이다.

Thin Film - Metal : 길을 만들어 소통을 원할하게

전기신호가 잘 흘러야지만 회로의 동작이 제대로 된다. 전기신호를 교통신호라고 생각한다면 마을과 마을, 지역과 지역을 이어주는 길이 없으면 소통을 할 수 없게 된다. 따라서 길을 잘 만들어야 소통이 원활해지고 물류가 오가며 경제가 살아나게 된다. 마을에는 주택도 있고 아파트도 있고 빌딩도 있듯이 반도체의 셀(Cell)은 저항(R), 캐패시터(C), 트랜지스터(Tr)등 기본 구성 단위인 소자가 있다. 이 기본 구성단위간의 원활한 소통을 위한 공정이 메탈공정인 것이다.

즉, 사람과 물류가 오가기가 용이하도록 길을 만드는 것과 같은 이치이다. 길의 종류에도 인도, 차도, 지하도, 철도, 국도, 고속도로가 있듯이 메탈라인도 그 용도와 형태에 따라 Metal1, Metal2 ... 등등으로 명명하고 있다. 그리고 엘리베이터나 에스켈레이터처럼 종축으로 연결된 길이 있고 고속도로와 같은 일반도로처럼 횡축으로 연결된 길이 있듯이 반도체에서도 종과 횡으로 연결된 길이 있다.

이렇게 많은 길을 통해 전기신호가 흘러가고 회로에서 워드라인(Word Line), 비트라인(Bit Line)을 통하여 0과1의 신호를 전달하게 된다. 길의 종류에도 여러 종류가 있듯 메탈공정도 여러 종류의 공정이 있다.

메탈공정은 크게 PVD(physical Vapor Deposition:물리증착법), CVD(Chemical Vapor Deposition:화학증착법), EP(Electro Plating : 전기도금법)로 분류할 수 있다.

PVD 공정은 타겟(Target)이라는 99.99% 이상의 고순도로 이루어진 금속덩어리를 높은 에너지를 갖는 입자에 충돌시켜 타겟 표면의 입자들이 나와 웨이퍼에 증착시키는 기술이다. 마치 눈이 내려와 온 세상을 하얗게 덮는 원리와 같다.
PVD 공정은 순도가 높다는 장점과 가격이 저렴한 장점이 있다. 그러나 단점인 오버행(Overhang)이 커서 갭필(Gap Fill)특성이 안 좋은 단점이 있다. (산과 골짜기에 눈이 쌓일 때 나무나 바위 등에는 눈이 잘 쌓이나 골짜기나 구덩이에는 눈이 잘 쌓이지 않는 원리) 구석구석 모든 부분에 균일하게 도포가 되어야 하나 그렇지 못한 단점으로 인하여 회로 특성이 원하는 조건만큼 구현되기가 힘이 든다.

반면에 CVD 공정은 박막을 입히고자 하는 재료를 얻기 위해 화학용품(Chemical)을 이용하여 박막을 증착하는 공정이다. 마치 분무기로 물을 뿌리듯 웨이퍼에 화학용품을 뿌려 증착(Deposition)시키는 과정이다.
PVD에 비해서 CVD는 박막의 균일성이 높고 대면적 적용도우월하고, 미세한 패턴을 형성하기도 쉽기 때문에 CVD 공정이 반도체 부분에서는 많이 사용되고 있다.

그리고 마지막 한가지인 EP공정은 전해질 용액에 웨이퍼를 담구어서 필름을 만들어주는 기술이다.
도금 처리하는 원리를 반도체 공정에 적용한 것이다. EP공정은 갭필(Gap Fill)특성이 우수하나 구리(Cu)공정에 대한 규제로 인해 아직 연구소에서만 이용하고 있다. 앞으로 더 미세화된 회로 성능이 우수한 제품을 만들기위해서는 반드시 필요한 공정이다.

전기를 보다 효과적으로 전달하기 위해

위에서 언급한 메탈 공정은 회로에 따라서 PVD, CVD, EP 공정 등을 선별적으로 사용한다.
전기를 잘 통하는 성질을 나타내는 도전율은 은(Ag) > 구리(Cu) > 금 (Au) > 알루미늄(Al) 등등의 순서다.
금과 은은 재료가 비싸서 사용하지 않고 있고 구리는 후속공정인 Etch 에서 식각의 어려움이 있고 그리고 환경규제상의 문제가 있어 현재 사용상의 어려움이 있다. 매질의 특성이 딱딱해서 분리 배출이 어려운 단점이 있다.

그래서 현재는 알루미늄(Al)과 티타늄(Ti), 텅스텐(W) 또는 화합물을 주로 이용하고 있다. 하지만 회로 선폭이 좁아지고 미세화가 되어가고 있는 추세에서 기존의 매질로는 한계가 있어 새로운 매질인 구리를 사용할 수 밖에 없다.
결론적으로 메탈공정은 보다 많은 양의 전기를 보다 미세한 회로 선폭에 원활히 소통되도록 하는 것이 메탈 공정의 숙명이자 사명인 것이다.


Thin Film - Dielectric : 상행선 하행선 구분을 명확하게

메탈공정이 소통이 원활하도록 길을 만들어주는 역할의 공정이라면 층간 절연막인 다이일렉트릭(Dielectric)은 전기가 흐르지 않는 물질로 금속배선(Metal Line)과 금속 배선 간의 물리적, 전기적 절연 시켜 구분 지어주는 역할을 해준다.

마치 차도, 인도, 상행성, 하행선의, 고가도로, 차도, 지하도 구분을명확하게 구분지어야 사고가 나지 않게 하는 것과 같은 이치이다. 반도체에서 이용하는 절연막의 종류로는 실리콘산화막(SiO2), 실리콘질화막(Si3N4), 실리콘산질화막(SiON)등이 있으며 매질의 물리화학적 특성에 따라 선택적으로 사용되고 있다.

절연막 생성공정은 크게 두 가지로 PE-CVD와 Spin-Coating 으로 나누어 진다.
PE(Plasma Enhanced)- CVD는 챔버 내에 플라즈마를 형성시켜 반응을 원활히 하고, 증착을 돕는 박막형성 방법으로 가스와 플라즈마를 이용해 웨이퍼에 필름을 만드는 건식방법이다. 그리고 Spin Coating은 웨이퍼를 회전시켜 그 위에 용매를 흘려 균일하게 도포해주는 습식방법이다.