PVD5 — PVD 공정의 Fab 장비의 이해

🏭 1️⃣ Fab 장비 구조

구분	구성	주요 역할
Clean Room (Main)	Main PVD 장비	실제 금속 증착 공정 수행
2F (상층부)	전원 장치, Chiller, Heat Exchanger 등 부속 Component	냉각 및 전력 관리
1F (하층부)	Pump, Gas 공급 장치	진공 형성 및 가스 공급 제어
Chamber	각 기능별로 독립된 모듈 구성	Degas, Etch, Liner, Al, ARC 등 Serial 공정 수행 가능

⚙️ PVD 장비는 단일 챔버가 아닌 다중 챔버 구조(Multi-Chamber Cluster Tool) 로
각각의 기능(탈가스, 식각, 금속 증착, 반사방지층 형성 등)을 연속 공정으로 수행함.

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🧱 2️⃣ Wafer 경로

FOUP (Load Port)
→ Cool → Degas → TM (Transfer Module)
→ 각 Chamber (Ti/TiN, Al, ARC)
→ 역순으로 Unload

모든 이동은 진공 상태에서 자동으로 진행되어 오염을 방지함.

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⚗️ 3️⃣ 주요 PVD 물질의 용도

물질	주요 역할
Ti	Si 하부막과 Ohmic Contact 형성 (TiSix), Al Wetting Layer
Co	Si 하부막과 Ohmic Contact 형성 (CoSix)
TiN	CVD-W Glue Layer, Al-Si Barrier, ARC(반사 방지막)
Ta	Cu Barrier Metal
Al	금속 배선 및 전력 공급
Cu	EP-Cu Wetting Layer (Seed Layer 역할)

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⚙️ 4️⃣ Sputter 공정 장비 개요

• 정의:
  PVD의 한 방식으로, 진공 상태에서 Ar 플라즈마로 금속 타깃을 때려
  방출된 금속 원자를 웨이퍼에 증착시키는 공정
• 주요 재료: Al, Co, W, Ti, TiN
• 핵심 특징: 진공·플라즈마·자기장 제어를 통해 증착 균일도와 막질 제어

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🔩 5️⃣ Sputtering 방식 비교

방식	원리	특징
DC Sputtering	Ar⁺ 이온이 금속 타깃 충돌 → 금속 원자 방출	금속 타깃용, 단순/안정
Magnetron Sputtering	자기장으로 전자 궤도 제어 → 플라즈마 밀도↑	증착속도↑, 균일도↑
Reactive Sputtering	타깃 + 반응성 가스 (N₂, O₂) → 화합물막 형성	TiN, TiO₂ 등 화합물 증착 가능

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🧠 6️⃣ Al 배선 공정 순서

단계	내용
RF Etch	하부 산화막 제거 (Under Layer Clean)
Liner Ti/TiN	AlO₃ 형성 방지 + Al Grain Size↑ → 저항↓
Al Cu Alloy 증착	저항 및 EM 내성 개선
Top Ti/TiN (ARC)	Al 반사 방지막 역할, CD 제어 용이

Ti/TiN은 Al과 Si 간의 확산 방지 및 반사 제어의 핵심층.

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🧱 7️⃣ Ti/TiN 증착 응용

구분	역할	비율 중요성
Liner Ti/TiN	산화 방지, 접착력 향상, 저항 감소	Ti:N 비율 조정 필요
Top Ti/TiN (ARC)	Al 반사 제어, 광학 특성 조절	Ti < N → 저항↑ / Ti > N → 실리사이드 과반응↑

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⚙️ 장비 구성

• 모듈: RF Etch / Degas / Ti/TiN / Al / ARC
• 특징: 다중 챔버 구성으로 산화 없이 연속 공정 수행 가능

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🧩 8️⃣ Step Coverage 개선 기술

기술	원리	특징
Collimated Sputtering	콜리메이터로 입자 방향 제어	수직 방향 입자만 통과
LTS (Long Through Sputter)	타깃–웨이퍼 거리 확대	입사각 좁혀 Coverage 향상
IMP (Ion Metal Plasma)	금속 플라즈마 이온화 → 전기장으로 제어	High AR 구조 커버 가능

💡 CVD보다 Step Coverage는 불리하지만,
이러한 Collimator / IMP 기술로 고종횡비(High AR) 구조 대응이 가능하다.

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🧪 9️⃣ 장비 관리 주요 인자

인자	관리 목적
Target 순도	금속 불순물 최소화
DC Power	Sputter 속도 및 밀도 제어
Cryo Pump 상태	진공 유지 및 수분/가스 제거
온도 제어	균일한 막질 유지
Degas (탈가스)	수분 및 잔류가스 제거로 Defect 방지

핵심: PVD는 진공·온도·전력 제어의 균형이 품질을 결정한다.

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🔩 10️⃣ Contact Silicide (TiSi₂ / CoSi₂)

📘 개요

• 금속과 Si의 화합물로 Contact 저항 감소
• Pre-clean 필수 (Si 표면 산화막 제거)

⚙️ TiSi₂ 공정

1. Pre-clean
2. PVD Ti/TiN 증착
3. RTA (850℃) → TiSi₂ 형성
4. CVD W Deposition

반응식
TiCl4 + H2 + Ar → Ti + HCl (on SiO₂)
TiCl2 + H2 + Ar → TiSi₂ + HCl (on Si)

특징

• Step Coverage 우수
• 균일한 TiSi₂ → 낮은 접촉저항
• SiO₂ 잔류 시 저항↑

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⚙️ CoSi₂ 공정

1. Pre-clean
2. PVD Co/TiN 증착
3. RTA (600℃) → CoSi₂ 형성
4. Wet Strip + CVD W Deposition

특징

• TiSi₂ 대비 Grain 크기 1/100 수준
• 저온(600℃) 형성 → 열 스트레스 감소
• 미세공정용 적합, Rs 안정

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⚙️ SiCoNi Pre-clean 공정

• NF₃ + NH₃ 반응 → NH₄F, HF 생성
• SiO₂ 산화막 제거 → 접촉저항 최소화

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🧠 핵심 요약

항목	특징
TiSi₂	고온(850℃), Step Coverage 우수
CoSi₂	저온(600℃), 미세공정 대응
SiCoNi	산화막 제거로 접촉저항 최소화

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🧪 11️⃣ ALD TiN 장비

항목	내용
목적	High AR 구조에서 균일한 TiN Barrier 형성
원리	TiCl₄ + NH₃ 반응을 Cycle 단위로 반복
Cycle	Feeding → Purge → Reaction → Purge
반응식	TiCl₄ + NH₃ → TiN + HCl
성장 속도	수 Å/1Cycle, Cycle Time 약 1초

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⚙️ ALD TiN 특징

장점	단점
저온 공정 가능	증착 속도 느림
Cl 잔류 적음	대면적 시 생산성 낮음
낮은 비저항	Cycle 반복으로 시간↑
Step Coverage 우수
표면 거칠기↓, 두께 제어 정밀

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⚙️ 관리 인자

Thickness / Rs / Dep Rate / Particle

ALD TiN은 저온, 고균일, 저비저항 특성으로
3D NAND·FinFET 등 미세공정에 필수 Barrier 기술이다.

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⚙️ 12️⃣ CVD W 장비

항목	내용
목적	Contact Hole 채움 (Gap Fill)
가스	WF₆ 사용 → F Attack 방지 위해 Ti/TiN Barrier 필요
특징	Thermal CVD 기반, Step Coverage 우수

⚙️ 공정 단계

1. Glue Layer (Ti/TiN)
2. Initiation: SiH₄ or B₂H₆ 반응 → 균일 Seed 형성
3. Nucleation: SiH₄/WF₆ 반응으로 초기 W 형성
4. Bulk Deposition: H₂/WF₆ 반응 → 본격적 성장

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⚙️ 반응식

• WF₆ + 3H₂ → W + 6HF⚙️ 특징

  가스	특징
  B₂H₆	반응성↑, 균일 Seed, 저저항
  SiH₄	Nucleation 제어 용이
  H₂	균일 성장, 대량 증착

PNL(Pulsed Nucleation Layer) 적용 시 Step Coverage 향상

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⚙️ 장비 구조

4-Station 방식
1️⃣ Preheat + B₂H₆ Initiation
2️⃣ SiH₄ Nucleation
3️⃣ H₂ Bulk Dep
4️⃣ H₂ Bulk Dep

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⚙️ 13️⃣ LFW (Low Fluorine Tungsten) 공정

항목	내용
목적	3D NAND WL용 저불소 텅스텐 증착
기술 방식	ALD 기반 Low-F CVD
핵심 목표	절연막 손상·Bridge 불량 방지

⚙️ 주요 반응식

• Nucleation:
  B₂H₆ + WF₆ → W + 2BF₃ + 3H₂
• Bulk:
  WF₆ + 3H₂ → W + 6HF

⚠️ 불량 유형

종류	원인
Bridge 불량	HF 공격 또는 과증착
절연막 소실	HF에 의한 Al₂O₃ 침식
누설 전류↑	절연 손상으로 인한 Leakage

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⚙️ 관리 인자

Gas Flow / Temp / Dep Rate / Rs / Particle

LFW는 F 함량을 최소화해 절연막 손상 없이 균일한 W 증착을 실현,
3D NAND WL 공정의 핵심 기술로 자리 잡음.

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⚙️ 14️⃣ EP (Electro Plating) Cu 장비

항목	설명
공정 목적	BEOL 금속 배선 형성 (DRAM, NAND, Logic)
원리	Cu²⁺ 이온을 전기화학적 환원으로 금속 Cu로 증착

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⚙️ 전기 반응식

Anode: Cu → Cu²⁺ + 2e⁻
Cathode (Wafer): Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu

⚙️ 첨가제 역할

종류	역할
Accelerator	증착 속도 증가
Suppressor	증착 억제
Leveler	과증착 방지, 균일도 향상

Cu는 Etch 불가 → Damascene + CMP 공정으로 Pattern 형성
Barrier 위에 Capping Nitride 적용하여 확산 방지

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⚙️ 15️⃣ Cu Barrier Metal 장비

항목	내용
재료	Ta, TaN, TiN, WN
역할	Cu 확산 방지, Adhesion 향상
방식	PVD (Bi-Layer TaN/Ta 구조)

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⚙️ Dual Damascene 구조 공정

1️⃣ RPC (Reactive Pre-Clean) → Cu 산화막 제거
2️⃣ Barrier Metal (Ta/TaN) → Cu 확산 방지
3️⃣ Seed Cu (PVD) → ECP용 전도층
4️⃣ EP Cu → Void-free Gap Fill
5️⃣ Cu Anneal → CMP → Cu Patterning

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⚙️ 주요 반응식

Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (ECP)

EP Cu는 빠른 증착속도와 저비용의 장점이 있으며,
CMP 후 평탄화 및 Barrier와의 접착력 확보가 중요.

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✅ 핵심 요약

공정	핵심 포인트
PVD Sputter	진공·플라즈마로 금속 증착
Ti/TiN	접착, 확산방지, ARC 역할
ALD TiN	저온·고균일 Barrier
CVD W / LFW	Contact Fill / WL 저불소 W
EP Cu / Barrier	Cu 배선 형성 핵심
Step Coverage 개선	Collimator, LTS, IMP 적용
장비 관리	Target 순도, Power, Pump, Temp, Degas

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✅ 한줄 요약

PVD 공정은 진공 기반 플라즈마 증착 기술로,
Ti/TiN → Al → Cu → W 등 금속막을 연속적으로 증착하여
접착력·Barrier·반사 제어·배선 형성을 수행한다.
ALD TiN과 LFW, EP Cu는 미세화 시대의 핵심 Barrier·WL·배선 기술이다.