세미툰 인터랙티브 교과서 · 박막 증착

기체를 쌓아
한 겹의 막을
만들다

칩은 막을 쌓고, 그리고, 깎는 일을 수백 번 되풀이해 만든다. 그중 "쌓는" 일의 대부분을 맡는 것이 화학 기상 증착(CVD)과 원자층 증착(ALD)이다. 이 교과서는 기체 분자가 웨이퍼 표면에서 반응해 막이 되는 원리에서 출발해, 플라즈마와 좁은 틈 메우기, 원자 한 층씩 쌓는 ALD, 장비의 속 구조, 막을 재는 법, 현업에서 실제로 부딪히는 문제까지 시뮬레이터로 직접 움직여 보며 익히게 한다.

1장부터 시작하기 → 전체 목차
12개 챕터 공대 학부 수준 장비와 현업 노트 면접 포인트 시뮬레이터 73개 참고문헌 210여 개 · 모든 근거에 출처
막을 차곡차곡 쌓는 세미툰 캐릭터 데포가 웨이퍼 위에 구름 같은 막을 펼치는 그림데포 · 얇은 막을 차곡차곡 쌓는 친구

첫 실험: 막이 자라 틈을 메운다

좁은 홈(트렌치) 위로 막의 재료가 되는 분자가 날아든다. 벽에 닿은 분자는 일정한 확률로 붙고, 붙지 않으면 튕겨 나가 다른 곳에 다시 닿는다. 막이 쌓일수록 홈은 좁아진다. 입구 쪽이 더 빨리 자라 먼저 닫혀 버리면 안에 빈 공간(Void)이 갇히고, 안쪽까지 고르게 자라면 빈틈 없이 메워진다. 홈이 깊을수록 "붙을 확률"이 더 낮아야 하고, 그만큼 낮출 수 없으면 쌓는 방식 자체를 바꾼다. 5장에서 자세히 다룬다.

ANIMATION

부착 확률과 종횡비로 바뀌는 틈 메우기

쌓는 방식
트렌치가 찬 정도0%
바닥 ÷ 윗면 두께—
결과채우는 중
이 종횡비에서 Void 없이 메우려면—
해볼 것: ① 처음 값(s 0.32, 종횡비 2)으로 끝까지 지켜보자. 입구 모서리가 먼저 두꺼워져 서로 만나고, 아래에 큰 Void(빨강)가 갇힌다. ② s를 한 칸씩 낮춰 보자. 오른쪽 아래 칸이 알려 주는 경계(종횡비 2에서는 약 0.01)를 넘어가면 분자가 여러 번 튕기며 안쪽까지 들어가 고르게 자라고, 가운데에 막이 맞닿은 줄(Seam)만 남는다. ③ 종횡비를 키우면 경계가 점점 낮아진다(종횡비 6에서는 약 0.001). 막이 자랄수록 남은 틈이 더 좁고 깊어지기 때문이다. ④ 그만큼 낮은 부착 확률을 얻을 수 없다면 「ALD처럼」을 골라 보자. 표면 반응이 포화되어 위와 이어진 모든 면에 같은 두께가 쌓이므로 깊은 틈도 Seam만 남기고 메워진다. (학습용 모델: 2차원 단면, 분자끼리 부딪히지 않는 분자 흐름, 벽에서 cosine 분포로 다시 튕김. 표면 칸마다 곧장 오는 플럭스와 튕겨 온 플럭스를 직선 광선 48개로 구해 받은 만큼 막을 쌓고, 모양이 바뀌면 다시 계산한다. 「ALD처럼」은 반응이 포화된 이상적인 경우다. 경계값은 이 모델로 s를 0.25 자리(로그)마다 계산한 값이며 실제 공정의 부착 확률과 직접 비교할 수 없다. 짙고 옅은 줄무늬는 같은 시간에 쌓인 층이다. 칸 하나는 처음 폭의 1/24이며, 바탕에 얇은 라이너를 깔았다.)

근거: 막이 자라는 동안 플럭스가 새 모양에 곧바로 맞춰진다고 보는 유사 정상 상태 가정, 부착 확률이 낮을수록 좁은 틈의 단차 피복이 좋아지고 ALD는 표면 반응이 포화되어 입구가 먼저 막히지 않는다는 결과, 종횡비 10:1을 넘는 구조를 CVD로 고르게 덮으려면 부착 계수가 10⁻³ 미만처럼 아주 낮아야 한다는 특허의 서술.

숫자로 보는 박막 증착

이 교과서를 끝내면 아래 숫자가 어디서 나오는지, 공정에서 무엇을 뜻하는지 설명할 수 있게 된다.

0.09 nm

TMA와 물로 300 °C에서 Al₂O₃를 ALD로 쌓을 때 한 사이클에 자라는 두께. 원자 한 층의 약 30%다. 6장에서 왜 한 층을 다 채우지 못하는지 본다.

약 100배

압력을 760 Torr에서 1 Torr로 낮출 때 커지는 기체 전달 계수 hg. 공급이 넉넉해져 LPCVD가 반응 제한에서 고른 막을 얻는다(2·3장).

약 5배

5:1 BHF에서 열처리하지 않은 PECVD 산화막이 열산화막보다 빨리 녹는 배수(490 대 100 nm/min을 나눈 값). 같은 SiO₂라도 만든 방법이 막의 질을 바꾼다(7장).

13.56 MHz ↔ 187 kHz

PECVD 질화막을 높은 주파수로 쌓으면 인장, 낮은 주파수로 쌓으면 압축 응력이 된다. 주파수로 응력을 고르는 이유는 4장에서 본다.

약 4배

같은 종횡비에서 원형 홀이 트렌치보다 더 필요로 하는 전구체 노출량. 구멍 바닥까지 덮는 일이 왜 어려운지 5장에서 다룬다.

30 nm 이상

크게 휜 3D NAND 웨이퍼를 보상하지 않았을 때 남은 비선형 Overlay 잔차(평평한 웨이퍼는 약 1 nm). 막 응력이 노광까지 흔든다(10·11장).

이 책을 읽는 방법

눈으로 읽고 끝나는 책이 아니다. 숫자를 바꿔 보고, 결과를 먼저 예측해 보고, 왜 그런지 설명해 보는 책이다.

읽기개념과 원리를 먼저 쉬운 말로. 영어 용어는 현장에서 쓰는 그대로 두고 뜻을 풀어 쓴다.
바꿔 보기실험 카드의 값을 끝까지 밀어 보자. 무너지는 지점에서 가장 많이 배운다.
예측하기예측 카드는 결과를 보기 전에 답을 먼저 고른다. 도전은 목표를 맞히는 문제다.
현업 노트현업 노트는 공개 논문과 장비사 자료에 근거해 현장에서 조심하는 지점을 짚는다.
면접 포인트면접 포인트는 그 장의 개념을 원인 → 결과 → 확인 방법으로 이어 말하는 연습이다.

전체 챕터

1~4장은 원리, 5~7장은 구조와 막, 8~10장은 장비와 계측, 11장은 현업의 이상 분석이다.

세미툰 공정 교과서 시리즈

반도체 공정을 한 권씩 나누어 같은 방식으로 만든다. 캐릭터마다 맡은 공정이 있다.

이 페이지의 근거

홈 화면의 숫자 카드에 쓴 근거만 모았다. 각 장 끝에는 그 장에서 인용한 참고문헌이 있고, 책 전체의 참고문헌은 12장 · 전체 참고문헌에서 한꺼번에 볼 수 있다. 근거: ALD 성장 속도, 압력과 hg, 식각 속도와 RF 주파수에 따른 응력, 홀과 트렌치의 노출량, 3D NAND 휨과 Overlay.