반도체는 전기가 흐르는 금속막, 전기를 막아주는 절연막 등 다양한 목적을 가진 물질들이 층층이 쌓여 회로를 구성하고 있는데요! 오늘은 저와 함께 물질을 쌓아주는 증착 공정과 더욱 얇고 균일하게 적층할 수 있도록 도와주는 ALD 공정에 대해 함께 알아볼 텐데요!
모두 준비되셨나요? 그럼 출발~~!
SK Careers Editor 23기 이재원
반도체는 여러 단계의 증착과 식각을 통해 회로를 구현합니다. 특히 증착 공정은 웨이퍼 표면에 물질을 얇은 막 형태로 쌓는 단계로, 최근 반도체가 점점 미세화됨에 따라 이러한 증착 공정을 얼마나 얇고 균일하게 진행했는지가 중요해지고 있습니다.
박막에는 매우 다양한 종류가 있는데, 먼저 알루미늄과 같은 금속들로 구성되는 전도성 박막은 각각의 소자 사이가 연결될 수 있도록 합니다. 절연성 박막은 전류가 의도하지 않은 곳으로 흐르는 것을 막고 커패시터와 같은 구조에서 전하를 저장하는 역할을 담당합니다. 이외에도 소자 간의 간섭을 막고 외부의 충격으로부터 보호하는 보호막을 형성하는 데에도 증착 공정이 사용되며, 목적에 맞게 물질을 선택해 공정을 진행할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다.
기존에는 증착 공정을 크게 PVD와 CVD로 구분했었지만, 최근에는 ALD를 따로 분리해 이야기하기도 하는데요! 각각의 방법이 어떤 특징과 장단점을 가지고 있는지 함께 알아볼까요~?
PVD(Physical Vapor Deposition)는 ‘물리기상증착’으로 증착하려는 물질을 물리적인 힘으로 떼어낸 뒤 웨이퍼 표면에 부착하는 방법을 말합니다. PVD에는 크게 세 가지 방법이 있는데, Thermal Evaporation(열 증발법), E-beam Evaporation(전자빔 증발법), Sputtering(스퍼터링 공정)입니다.
먼저 Thermal Evaporation은 증착하고자 하는 물질을 넣고 열을 가해주는 방법으로 열 증착법이라고도 하며 녹는점이 낮은 금속에 많이 사용됩니다. E-beam Evaporation은 전자빔을 물질에 가해 증발시키는 방법으로 녹이기 힘든 텅스텐 같은 금속부터 절연체까지 증착이 가능하다는 특징을 가지고 있습니다. 마지막으로 Sputtering은 플라즈마를 만들어 이온을 가속하고, 이를 타깃 물질에 가해 튕겨내는 방식을 말합니다.
PVD는 에너지를 통해 증착을 진행하는 만큼 유전체 등 매우 다양한 물질들을 활용할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다. 또한 초고진공에서 반응이 진행되어 순도가 높은 박막을 생성할 수 있고 비교적 낮은 온도에서 공정이 가능하다는 특징이 있습니다.
PVD의 단점은 무엇이 있을까요? 먼저 PVD는 기본적으로 물질이 직선으로 날아가 증착되기 때문에, 홈이 좁고 깊을 경우에는 입구가 먼저 막혀버려 바닥이나 측면에는 증착이 잘 되지 않는다는 문제가 있습니다.
또한 에너지를 가해 충돌시키다 보니, 이 과정에서 기판에 잔류 응력이 남을 수 있습니다. 잔류 응력이란 외부에서 가해진 힘이나 열이 모두 사라진 후에도 물체 내부에 여전히 남아 있는 힘을 말합니다. 대표적인 잔류 응력의 원인으로는 증착 물질과 웨이퍼 간의 열팽창 계수 차이가 있는데, 이렇게 잔류 응력이 남아있게 되면 웨이퍼가 휘거나 파괴되는 불량의 원인이 될 수 있어 PVD를 진행할 때에는 이를 고려해야 하는 어려움이 있습니다.
CVD(Chemical Vapor Deposition)는 ‘화학기상증착’으로 가스 상태의 물질들이 열이나 플라즈마 에너지를 바탕으로 웨이퍼 표면에서 화학반응을 일으켜 박막을 형성하는 방법입니다.
열에너지를 활용하는 CVD는 APCVD(Atmosphere Pressure CVD)와 LPCVD(Low Pressure CVD)로 압력과 온도를 제어하여 반응을 진행하는 CVD입니다. PECVD((Plasma Enhanced CVD)와 HDPCVD(High Density Plasma CVD)는 플라즈마를 활용하는데 열에너지를 활용한 CVD보다 낮은 온도에서 공정 진행이 가능해 아래에 있는 메탈층을 보호할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다.
CVD는 기체 상태의 물질들이 반응을 진행하는 만큼 우수한 단차 피복성을 가지는 박막을 만들 수 있고 넓은 면적에 증착이 가능하다는 장점이 있습니다. 하지만 화학 반응을 유도하기 위해 상대적으로 고온의 환경을 만들어야 하며 반응 과정에서 발생한 부산물이 잘 제거되지 않으면 소자의 신뢰성에 악영향을 줄 수 있다는 단점을 가지고 있습니다.
ALD(Atomic Layer Deposition)는 웨이퍼 표면에 원자층을 한 층씩 쌓아 박막을 만드는 것을 의미합니다. ALD는 표면 흡착 -> 치환 -> 신규막 생성 -> 가스 배출 네 단계가 하나의 사이클로 구성되는데, 각각의 단계에 따라 소스들이 순서에 맞추어 공급되어 한 개의 층만이 웨이퍼에 달라붙게 됩니다. 이를 통해 ALD는 두께를 정밀하게 조절할 수 있다는 장점을 가지고 있으며 반도체부터 디스플레이, 태양광까지 다양한 분야에 활용되고 있습니다.
ALD의 가장 큰 장점은 바로 정밀한 두께 조절이 가능하다는 것입니다. PVD나 CVD의 경우에는 막이 연속적으로 성장해 두께를 조절하기가 어렵지만, ALD는 자기 제한적 표면처리를 통해 사이클 단위로 원하는 두께를 쉽게 구현할 수 있습니다.
또한 ALD는 웨이퍼 전체에 대해 균일한 박막을 만들 수 있습니다. 박막 두께의 균일성은 반도체의 품질을 결정하는 중요한 요소인데, ALD는 전구체가 웨이퍼 표면이 포화될 때까지만 반응하기 때문에 충분한 반응물이 공급된다면 넓은 면적에서도 일정한 두께의 면적을 형성할 수 있습니다. 쉽게 돈가스를 만들 때 계란물 위에 빵가루를 묻히는 것을 생각하면 되는데, 아무리 빵가루를 많이 묻히려고 해도 계란이 모두 반응하면 더 이상 묻지 않는 것으로 이해하시면 좋을 것 같습니다.
이외에도 전구체와 반응물의 조합을 변경해 다양한 종류의 박막을 형성할 수 있다는 장점을 가지고 있지만, 사이클 과정을 반복해야 하다 보니 PVD나 CVD보다 증착 속도가 느리다는 단점을 가지고 있습니다. 이에 최근에는 PEALD(Plasma Enhanced ALD)와 같은 방법들이 활용되고 Loading 과정에서 여러 웨이퍼를 함께 진행하기도 하는 등 ALD의 단점을 개선하기 위한 기술들이 활용되고 있습니다.
생성형 AI의 발달로 더욱 많은 데이터들을 빠르게 처리할 수 있는 고성능 메모리의 중요성이 높아지고 있습니다. SK하이닉스는 HBM을 중심으로 D램과 낸드플래시 등 AI 메모리 포트폴리오를 확대하며 ‘Full Stack AI Memory Creator’로서의 경쟁력을 강화하고 있습니다. 앞으로 메모리의 구조가 더욱 미세하고 입체적으로 발전할수록, 원자 한 층까지 정교하게 제어하는 ALD의 역할도 더욱 커질 것으로 보이는데요. SK하이닉스가 축적해 온 메모리 기술력과 ALD 기술이 함께 만들어 갈 멋진 미래를 기대하겠습니다!
오늘은 반도체 증착 공정이 무엇인지, PVD와 CVD, ALD가 각각 어떠한 특징을 가지고 있는지를 함께 알아보았는데요! 증착 공정이 반도체의 두께와 절연 등 다양한 부분에 영향을 주는 중요한 공정인 만큼 앞으로 점점 더 발전할 반도체의 생산 과정에서 ALD가 해줄 역할들을 기대해 보며 오늘 기사를 마치도록 하겠습니다!
