CVD1 — CVD 공정 소개 (Thin Film 전반 정리)

0. Thin Film 공정 개요

• 의미: 웨이퍼 위에 얇은 막(절연막, 금속막, 보호막 등)을 형성하는 공정
• 역할
  • 절연막: 전기적 분리 (STI, ILD, IMD, Passivation)
  • 금속막: 전기 신호/전력 전달
  • 보호막: 외부 환경으로부터 소자 보호

증착 방식 구분

구분	원리	주요 용도	특징
CVD	반응기체의 화학반응으로 고체막 형성	절연막(산화막/질화막 등)	Step coverage 우수, 막질 제어 용이
PVD	타깃 물질을 물리적으로 증착	금속 배선층	공정 단순, 고속, 방향성 증착

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1. CVD 공정 정의와 메커니즘

• 정의: 반응성 가스를 열·플라즈마 등으로 분해/활성화 → 기판 표면에서 반응 → 고체 박막 형성, 부산물은 기체로 배출
• 반응성 가스인 Precursor(전구체)가 열·플라즈마로 화학반응시켜서 표면에 박막을 증착
  • 대류·확산에 의해 전구체가 표면으로 이동하고, 흡착됩니다.
  • 흡착된 반응종들이 웨이퍼 전체에 확산
  • 열E or Plasma등으로 분해 및 활성화되어 기판 표면에서 반응되어 박막 형성
• 반응 단계(표면지배형 모델)
  1) Gas Phase Transport(대류·확산) → 2) Surface Adsorption → 3) Surface Reaction
  4) By-product Desorption → 5) Film Growth
• 반응속도: Arrhenius 의존 (온도↑ → 반응속도↑ → 증착률↑)

대표 반응식

• SiO₂: Si(OC2H5)4 + O2 → SiO2 + by-products
• Si3N4: SiH4 + NH3 → Si3N4 + H2
• SiOxNy: SiH4 + N2O + NH3 → SiOxNy + H2

주요 생성막 & 용도

• SiO₂(산화막): 절연/유전체, Gap fill, Passivation
• Si3N4(질화막): 산화 방지, Barrier/Etch Stop, Hard Mask

장단점

• 장점
  • 균일한 두께
  • 적은 비용 대량생산
  • PECVD를 통한 저온 공정
• 단점
  • 기판의 성질을 변화시키지 않아야 하는데, LPCVD의 경우 고온 공정으로 기판에 영향
  • Byproduct의 독성을 중성시키는데 고비용

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2. CVD 분류

(1) 압력에 따른 분류

종류	특징
APCVD(대기압)	장비 단순/스루풋↑, 파티클/균일도 상대 취약
SACVD(준대기압)	대면적 용이, 공정 유연성
LPCVD(저압)	균일도↑, 결함↓, 대량생산 적합(batch), 고온공정

일반적으로 압력↓ → 균일도↑, 결함↓

(2) 에너지 소스에 따른 분류

종류	반응 유도	특징
Thermal CVD	열	막질 우수, 고온 필요
PECVD	플라즈마	저온 증착, 기판/PR 손상 최소화
HDP CVD	고밀도 플라즈마 + 바이어스	Deposition+Sputter 동시, Void-free Gap Fill

(3) 기능/역할에 따른 분류

• Dielectric, Hard Mask, Gap Fill, ARC, Low-k 등 용도 기준으로 선택

(4)용도

• APCVD
  • 소자 내의 층간 절연막 형성(PSG, Phosphorsilicate Glass)
    • In-situ doping deposition을 통해 SiO2 산화막을 제작 + P 성분 동시에 첨가
    • Passivation Layer에서 사용
• 압력↑, 공정온도↑ → gas phase에서 반응
  • APCVD는 Homogeneous Reaction(기판 외 반응)가 우세 → Uniformity 떨어짐
  • LPCVD로 Heterogeneous Reaction(기판 표면 반응)을 유도
    • 저압 → 유속↑ → 균일도↑, 
    • 단점
      • Deposition Rate 느림
      • 고온 공정
  • 더 Heterogeneous Reaction 우세한 ALD 도입

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3. PECVD ARC (Anti-Reflection Coating)

• 목적: 노광 시 하부 반사로 인한 Standing Wave/Swing Curve 억제 → CD 편차↓, 노광 균일도↑
• 재료/반응: SiH4 + N2O + N2 → SiOxNy + by-products (PECVD, 저온)
• 광학 원리: 두께/굴절률을 조정해 상쇄 간섭(Destructive Interference) 유도 → 반사율 최소화
• 특징: 굴절률 1.9~2.1(조정 가능), Organic/Inorganic ARC 운용
• 핵심 인자: SiH4/N2O 비, RF Power, Pressure, 온도, 두께(광학 설계)

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4. HDP CVD (High Density Plasma)

• 배경: 미세화로 High AR 구조 증가 → PECVD만으론 Void 발생
• 원리: Deposition 중 생기는 Overhang을 Ar⁺ 스퍼터링으로 제거하며 Dep–Etch–Dep 반복 → Void-free Gap Fill
• DS Ratio: Deposition/Sputter 비 (너무 높으면 Void, 낮으면 과식각)
• 장비/시퀀스(예):
  Pump Down → Ar/O₂ Flow → Source RF On(플라즈마) → E-Chuck On(고정) → He Backside(냉각) → Bias RF On + SiH4 투입(Dep)…
• 관리 인자: Source/Bias RF, O₂/SiH₄ 비, He backside 압력, 챔버 압력, 터보펌프 성능
• 포인트: 저압·고밀도 플라즈마(ICP), 방향성 이온으로 Gap Fill 성능 향상

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5. SOD (Spin On Dielectric)

• 개요: 액상 절연재를 스핀코팅 → 열처리로 SiO₂ 전환 (STI/ILD Gap Fill에 강점)
• 공정 단계:
  ① Coating(실온) → ② Baking(100–250℃, Solvent 제거) → ③ Curing(350–450℃, Si–O Network 형성)
• 전환 예: PSZ(Polysilazane) → Si–O–Si 네트워크 + (H₂O, NH₃, H₂)
• 재료: 무기(PSZ/HSQ) vs 유기(Siloxane) — Low-k 응용 가능
• 관리: 용액 불순물/점도, Dispense 양, Spin RPM, Bake/Cure 온도, EBR
• 장단점: Deep trench 균일 코팅↑ / 기포·수분 흡수·Outgassing 관리 필요

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6. PE Nitride (PECVD Si₃N₄)

• 용도: Passivation, Etch Stop, Hard Mask, Barrier(Cu 확산 방지)
• 특징: ε≈7(절연 우수), Bonding density↑(N은 3가 결합), 화학적 안정성↑
• 공정: 3SiH4 + 4NH3 → Si3N4 + 12H2 (+ 플라즈마/열)
• 메커니즘: RF 플라즈마로 라디칼 생성 → 표면 흡착/반응 → 막 성장
• 관리: SiH4/NH3 비, RF Power, Pressure, 온도(보통 500–600℃), 막 밀도/응력

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7. ACL Hard Mask (Amorphous Carbon Layer)

• 개요: 비정질 탄소막(a-C)을 PECVD로 증착, 높은 선택비 + O₂ Ashing 제거 가능 → 100 nm 이하 패터닝 핵심 HM
• 반응: C3H6 + 3H2 → a-C + 6H2 + by-products
• 구조: sp³/sp² 비율 제어로 밀도/경도/전기적 특성 조정
• 온도 효과: 온도↑ → H↓, 밀도↑ → 식각비 변화(산화막 대비 유리), 광흡수↑(정렬 난점) → 최적 온도 선택 필요
• 관리 인자: C3H6/H2 유량, RF Power, Pressure, Heater Temp

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8. Low-k 공정

• 목적: 금속 배선 간 정전용량(C) ↓ → RC Delay/전력 ↓
• 유전율 저감 기법
  • C/H 도입형(SiOC): Si–CH₃ 결합으로 분극↓ (k≈2.7–3.0)
  • 기공 도입형(Porous): 공극으로 k 추가 저감 (k≈2.0–2.5)
• 주의: 기계적 강도↓, 수분 흡습↑, 플라즈마 손상에 민감
• 운용 지표: RI(막 조성), Stress, k 트렌드 관리
• 관리 인자: Gas Flow, Pressure, RF Power, Heater Temp, Clean/Etch 조건

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9. NDC (Nitrogen Doped Carbide, SiCN)

• 배경/역할: 전통 SiN은 절연 우수하나 Low-k 한계 → SiCN(NDC) 도입
  Barrier + Adhesion + Low-k로 Cu Migration 억제/접착 향상
• 전/후처리(PSAB) + Dep 흐름(개념)
  • Pre-Treatment: CuOx + NH3 → Cu + H2O + N2 (산화막 제거)
  • Soaking: Cu + SiH4 → CuSix + H2
  • Pinning: CuSix + NH3 → CuSixNy + H2 (계면 형성)
  • NDC Dep: TMS(Si(CH3)4) + NH3 → SiCN + CH4 + H2
• 막 특성: k≈2.8–3.2, 밀도/응력 중간, Cu 확산 억제력 SiN급
• 관리 인자: Gas Flow(TMS/NH3), RF Power, Heater Temp, Dep Rate

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10. Gate ON(oxide/nitride) Stack — 3D NAND

• 개요: 수직 게이트 형성을 위해 SiO₂/Si₃N₄ 쌍을 반복 증착(수십~수백층)
• 프로세스: 동일 챔버에서 Oxide(TEOS/O₂ 또는 SiH4/N2O) → Nitride(SiH4/NH3) 순환 증착
  (예: Ox 20–50 nm / Nitride 30–60 nm, 48–128회 반복)
• 후속: 패터닝 후 Nitride 제거 → Word Line 채움, 선택비 확보 중요
• 품질 포인트: THK Uniformity, 적층 Stress 누적 관리, Edge 균일도
• 관리 인자: Gas Flow, Pressure, RF Power, Heater Temp, Cycle 제어

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🔎 운영 핵심 체크리스트

• 균일도/결함: 압력/온도/가스 분포 최적화, 챔버 클린 주기
• 막질/조성: RI/Stress/k/두께 트렌드, 레시피 Change Point 관리
• Gap Fill: HDP DS Ratio, Bias/Source RF, O₂/SiH₄ 비 최적화
• 포토 연계: ARC 두께/굴절률 광학 설계, PR Damage 최소화(저온/플라즈마)
• 배선 연계: NDC/Low-k의 플라즈마/세정 내성, 수분 관리

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📌 한줄 요약

• CVD는 절연막 형성의 주력 기술로, Thermal/PECVD/HDP/SOD 등을 목적과 구조에 맞게 조합하여 막질·균일도·Gap Fill을 동시에 달성한다.
• Low-k·NDC·ACL·ON Stack 등은 배선 성능·미세패터닝·3D 적층 요구를 충족시키는 핵심 솔루션이다.