반도체 제작시 여러 과정을 진행하게 됩니다. 여러 과정을 진행하면서 다양한 소재과 장비가 필요한데요, 특히 증착과정이 중요하다고 합니다. 증착과정에 대해 자세히 알아보겠습니다.
증착이란 무엇인가?
반도체 증착은 반도체 제조 공정에서 매우 중요한 단계입니다. 증착이란 특정 기판 위에 얇은 막(박막)을 형성하는 것을 의미합니다. 증착 방법에는 여러 가지가 있습니다.
화학기상증착(CVD: Chemical Vapor Deposition)
- 기체 상태의 반응 전구체를 기판 위에 주입하여 화학 반응을 일으켜 막을 형성합니다.
- 우수한 단차 피복성과 높은 부착력을 가집니다.
물리기상증착(PVD: Physical Vapor Deposition)
- 고체 또는 액체 원료를 기화시켜 기판 위에 증착시킵니다.
- 스퍼터링, 열증발, 이온플레이팅 등의 방식이 있습니다.
원자층증착(ALD: Atomic Layer Deposition)
- CVD와 유사하지만 반응 전구체를 하나씩 번갈아 주입하여 원자층 단위로 성장시킵니다.
- 매우 균일하고 조밀한 박막 형성이 가능합니다.
분자빔 에피탁시(MBE: Molecular Beam Epitaxy)
- 초고진공 상태에서 원료 분자빔을 기판에 조사하여 단결정 박막을 성장시킵니다.
- 고품질의 화합물 반도체 제조에 적합합니다.
증착 공정에서는 막의 균일성, 순도, 결함 등을 엄격히 관리하여 반도체 소자의 성능과 수율을 높입니다.
증착을 해야 하는 이유
반도체 소자에서 증착을 하는 주된 이유는 다음과 같습니다:
특성 제어를 위해
- 절연막, 절연게이트, 배선, 확산 방지막 등 다양한 기능의 박막을 형성합니다.
- 박막의 종류, 두께, 조성 등을 제어하여 소자의 전기적, 광학적 특성을 최적화합니다.
미세 패턴 형성을 위해
- 리소그래피 공정으로 패턴을 만든 후 증착을 통해 그 패턴을 구현합니다.
- 트랜지스터의 게이트 전극, 커패시터 전극, 배선 등의 미세 패턴을 형성합니다.
소자 구조 제작을 위해
- 박막 증착과 식각 공정을 반복하여 복잡한 3차원 구조를 만듭니다.
- 예를 들어 트랜지스터의 게이트 스택, 커패시터, 비트라인 등을 제작합니다.
계면 특성 향상을 위해
- 계면 준위 밀도를 낮추고 계면 결합력을 향상시키기 위해 계면 박막을 증착합니다.
요컨대 반도체 소자의 성능과 신뢰성을 높이기 위해 증착 공정이 필수적입니다.
만약, 반도체에 증착을 하지 않으면 어떻게 될까요?
반도체 소자를 제조하는데 있어서 증착 공정이 필수적인 것은 아닙니다. 하지만 증착을 하지 않으면 다음과 같은 문제점이 발생할 수 있습니다.
- 트랜지스터 게이트 제작 불가
: 게이트 절연막과 게이트 전극을 증착하지 않으면 트랜지스터 제작이 불가능합니다. - 배선 및 절연 불가
: 금속 배선과 절연막을 형성할 수 없어 소자 간 연결이 불가능합니다. - 접합 형성 및 특성 제어 어려움
: 소스/드레인 확산 영역 형성이 어려워집니다.
: 박막의 종류와 두께를 제어할 수 없어 소자 특성 최적화가 불가능합니다. - 3차원 구조 형성 불가
: 복잡한 3차원 구조를 만들 수 없어 고집적화가 어렵습니다.
따라서 증착 공정 없이 반도체 소자를 만드는 것은 현실적으로 불가능합니다. 증착은 반도체 제조에 있어 필수적인 핵심 공정입니다. 다만 공정 비용, 안전성 등의 이유로 증착 대신 다른 방식을 부분적으로 사용할 수는 있습니다.
증착을 시작한 시기
반도체 제조에서 증착 기술의 시초는 20세기 초반으로 거슬러 올라갑니다. 당시에는 단순한 진공 증착 기술이 사용되었지만, 이후 여러 가지 증착 방식이 개발되면서 발전을 거듭해 왔습니다.
증착 기술의 주요 발전 연혁은 다음과 같습니다:
- 1920년대 - 고체 소스를 사용한 진공 증착 기술 등장
- 1930년대 - 화학기상증착(CVD) 기술 최초 제안
- 1960년대 - 플라즈마 화학기상증착(PECVD) 기술 개발
- 1970년대 - 스퍼터링과 같은 물리기상증착(PVD) 기술 상용화
- 1980년대 - 원자층증착(ALD) 기술 개념 제시
- 1990년대 - ALD가 반도체 양산에 본격 도입
- 2000년대 - 차세대 증착 기술 연구 활발 (ALD, ALE 등)
증착 기술은 반도체 소자의 미세화와 고집적화에 따라 지속적으로 발전해 왔습니다. 특히 1960년대 이후 CVD, PVD, ALD 등의 다양한 증착 방식이 등장하면서 반도체 산업에 혁신적인 변화를 가져왔습니다.
주요 반도체 증착장비 회사
반도체 증착 장비 시장에서 주요 선도 기업들은 다음과 같습니다:
- Applied Materials (미국)
: 세계 최대 반도체 장비 업체
: CVD, PVD, ALD 등 다양한 증착 장비 보유 - Lam Research (미국)
: 증착 장비뿐만 아니라 식각, 세정 장비도 제조
: 플라즈마 에칭 및 CVD 장비가 주력 제품 - Tokyo Electron (일본)
: CVD, PVD, ALD 등 다양한 증착 장비 생산
: 반도체 제조 전 공정 장비 공급 - ASM International (네덜란드)
: ALD 및 PECVD 장비에 강점
: 최근 플라즈마 증착 장비도 활발히 개발 중 - Wonik IPS (한국)
: CVD, ALD 등 증착장비 전문 기업
: 최근 차세대 반도체 증착장비 기술 선도
이외에도 Screen Semiconductor Solutions (일본), Jusung Engineering (한국) 등의 기업들이 증착장비 시장에서 활약하고 있습니다. 이들 선도기업들은 차세대 반도체 공정에 적용될 혁신 증착 기술을 지속 개발하고 있습니다.
반도체 증착과정에 대해 알아봤습니다. 사실, 반도체 전문가가 아니면, 증착에 대해 많이 알수가 없는데요, 증착 개념만이라도 알고 있다면, 어디에서도 한소리할 수 있지 않을까요? ^^;