[반심공] ALD+ALE 기술을 통한 핀홀 해결 +박막 생성 메커니즘

안녕하세요. 이번 포스팅에서는 지난 포스팅들을 통해 배운 기술들을 적용해서 pinhole(핀홀) 이슈를 완화한 논문을 공부해보겠습니다. ALD, ALE가 익숙하지 않거나, growth etch-back 기술을 처음 들어보시는 분들은 아래 링크를 통해 읽고 오시면 조금 더 이해에 도움이 되겠습니다.

 

1. ALD 복습하기

[반심공] ALD_Atomic Layer Deposition(원자층 증착 공정)

[반심공] ALD_Atomic Layer Deposition(원자층 증착 공정)

2. ALE 복습하기

[반심공] ALE_Atomic Layer Etching(원자층 식각 공정)

[반심공] ALE_Atomic Layer Etching(원자층 식각 공정)

 

3. Growth Etch-Back 복습하기

[반심공] ASD_Area Selective Deposition(영역선택적 증착)

[반심공] ASD_Area Selective Deposition(영역선택적 증착)

 

 

Contents

 

1. Nucleation & Growth Mechanism
2. Pinhole
3. Solution of Pinhole - Deposit & Etch-Back

목차는 다음과 같습니다. 박막 형성의 주요 원리인 nucleation(핵형성)과 성장 메커니즘을 알아본 뒤, 핀홀이 무엇인지 배우고, 이 결함에 대한 해결책을 제안한 논문의 접근법과 결과를 공부해보겠습니다.

 

1. Nucleation & Growth Mecahnism

참고문헌I.

 

콜로라도 대학교 스티븐 조지 교수님의 논문 내용을 토대로 핵형성과 성장 메커니즘에 대해 알아보겠습니다.

 

박막형성 메커니즘 [1]

sonsw1022 님의 블로그

 

우리가 아는 박막은 말그대로 고체로 된 막인데, 증착 공정은 기체를 사용합니다. 어떤 원리로 그렇게 되는지 위에서 설명이 가능합니다. 처음으로 gas 분자를 exposure하면, 표면에 기체가 흡착되면서 핵을 형성하기 시작합니다. 핵을 형성한 분자들이 모이며 Coalescence이라는 군집화를 진행하고, 이 과정이 거듭되며 연속적으로 이어진 박막을 형성하는 개념입니다.

 

여기서 분사된 물질이 어느곳은 표면과 잘 반응하고, 어느곳은 잘 반응하지 않는 등의 차이를 보인다면 어떻게 될까요?

표면의 어떤 곳은 물질이 점점 성장하고, 어느곳은 더디게 성장하거나 전혀 성장하지 않는 차이를 보일 겁니다.

이런 경우를 Island-Growth라고 부릅니다. 섬처럼 일부 지역에만 박막이 형성되는 것입니다. 아래 사진에 핵형성에 따른 성장 메커니즘 구분을 해두었습니다.

 

박막 성장 메커니즘 [2]

 

a번은 FM 성장이라고 주로 불리는 Frank-van der Merwe 성장메커니즘입니다. 우리가 생각하는 가장 ideal한 경우의 성장이라고 볼 수 있습니다. layer by layer로 한층씩 연속적인 박막이 원활한 핵형성을 통해 이뤄집니다.

 

b번은 SK 성장이라 불리는 Stranski-Krastanov 성장입니다. 표면에서는 연속적으로 잘 형성 되었다가, 박막 층이 쌓여가며 점점 nucleation이 non-uniform하게 되어 island적인 성장을 하는 타입입니다.

 

c번은 Volmer-Weber 성장으로, Island 성장이 극단화된 채로 박막증착이 거듭되면, 일부지역에만 박막이 형성되는 경우입니다.

이런 볼머-웨버 성장으로 인해 박막이 불연속적으로 형성되니 웨이퍼의 단면을 보면 작은 구멍같은 균열이 나타나는데, 이런 구멍을 Pinhole이라고 부르는 것입니다.

 

 

2. Pinhole

핀홀 [3]

 

그렇다면 이 핀홀은 소자에 어떤 영향을 주게 될까요? 핀홀은 주로 전기적인 요소에 부정적인 영향을 끼쳐 결국 수율 저하라는 치명적인 결함으로 작용합니다. 

커패시터를 통해 생각을 해봅시다. Metal-Insulator-Metal로 이루어져 있는 커패시터에 한가운데 구멍이 뚫려있다면, 그 사이로 electron(전자)들이 타고 움직일 것입니다. 더군다나 구멍은 좁고 깊기 때문에 electric field(전기장)가 강하게 작용하고 있어 전자들은 더 빠르게 많이 빨려들어가게 됩니다. 메탈끼리 분리되지 않고 전자들이 자유로이 오고 간다는 것은, 전기적으로 단락되었다 (Electrical Short)고 볼 수 있겠습니다. 그렇게 되면 Capacitance(정전용량)이 악화되고, Leakage Current(누설전류)가 발생하며, 누설전류가 과할시 소자가 burned 되어버려 수율까지 저하되는 것입니다. 

 

ALD 기술은 처음에 pinhole이 없는 pinhole-free film을 만드는 데 큰 영향을 주는 기술로 소개가 되었습니다.

반은 맞고, 반은 틀리다고 볼 수 있습니다.

박막의 두께가 어느정도 bulky할 경우 ALD는 nucleation이 nonuniform해도 사이클이 거듭되며 핀홀을 덮고 고품질의 pinhole-free film을 만들어낼 수 있지만, 칩이 스케일링 될수록 더 얇은 두께의 박막 증착이 요구되고 있습니다. 이럴 경우에는 ALD의 사이클 수가 함께 줄어들며 ALD 공정에서도 pinhole에 대한 risk가 존재할 수 있습니다. 그래서 다음 소제목에 ALD를 통해 pinhole defect을 해결할 수 있는 방안을 제시한 논문을 살펴보겠습니다.

 

3. Solution of Pinhole - Deposit & Etch-Back

참고문헌 II.

 

참고문헌 I의 스티븐 조지교수님이 공동저자로 발간하신 콜로라도 대학교의 논문을 통해 살펴보겠습니다.

 

실험 프로세스 요약 [4]

 

논문의 방향은 앞서 제가 설명해드렸듯이 ALD에서 박막이 얇아지며 사이클 수가 줄어들고 있으므로 "ALD를 통해 타겟 두께보다 두껍게 증착한 후 ALE로 원하는 만큼 식각해보자"라는 점입니다.

 

Silica Wafer위에 Titanium(타이타늄)/Silver(은,Ag) 층을 형성하고, 그 위에 주요 실험대상인 Al2O3(알루미나, 알루미늄옥사이드)를 두 가지 다른 방식으로 성장시켜보자는 것입니다. 한 샘플은 ALD만 사용하여 원하는 두께만큼 성장하고, 다른 샘플은 더 두껍게 성장 후 ALE로 식각시켜 비교해보았습니다. 결과는 Capacitance(정전용량), Dielectric Constant(유전상수), Yield(수율) 세가지 큰 파라미터로 고찰해보았습니다.

 

 

3.1 Result_Capacitance

박막 두께별 정전용량 비교[5]

 

사각형의 결과값이 ALD만 사용하여 성장시킨 경우이고, 삼각형이 ALD+ALE로 Etch-Back을 적용한 결과입니다.

결과를 보면, 두 경우의 커패시턴스에서 큰 차이를 볼 수 없습니다. 논문에서는 이러한 결과를 놓고

ALE 프로세스를 추가하는 것이 소자의 주요 전기적 특성인 정전용량에 악영향을 미치지 않는다 라고 설명하고 있습니다.

박막의 두께는 고품질로 얇게 만들어도 유전적 특성은 유지할 수 있다는 가능성을 제시했다고 볼 수 있겠습니다. 

 

 

3.2 Result_Dielectric Constant

 

박막 두께별 유전상수 비교 [6]

 

이번엔 유전상수를 비교해보겠습니다. 유전상수의 경우 소자의 커패시턴스를 잰 후, 직렬 커패시터 모델의 정전용량을 기준으로 

공식에 대입하여 유전상수를 계산해놓은 값이 되겠습니다. 검은색 점선으로 표기된 것이 이론적인 유전상수값이고, (a)의 붉은 사각형이 Ag2O(산화은)과 Al2O3로 이루어진 2중 커패시터, 즉 ALD만 진행한 방식이고, (b)의 푸른 삼각형이 Ag2O3, Al2O3, AlF3(ALE에서 HF에 의해 형성된 플루오린화 알루미늄)의 3중 커패시터 모델로, ALD+ALE를 거친 결과입니다.

 

흥미롭게도 두 샘플 모두 이론적인 정전용량값을 추종하는 점을 볼 수 있습니다. 앞서 정전용량 결과와도 이어지지만, ALE 프로세스를 거쳐도 유전상수값에 변화를 주지 않는다는 점을 시사하는 결과값입니다.

 

 

Result_Yield

마지막으로 핀홀을 해결해야하는 가장 근본적인 이유이자 원인인 수율에 대해 살펴보겠습니다.

a) ALD only vs +Etch-Back 수율비교 / b) ALD+ALE에서 분사 물질에 따른 수율 [7]

 

a번은 박막의 두께별로 얼마나 수율이 향상되었는지를 보여주는 표입니다. 색상을 매칭했을 때, 확실히 ALE를 통해 에칭을

거치니 수율이 향상된 모습을 보여줍니다. 이 포스팅에선 다루지 않았지만, 다른 결과 비교표에서는 5nm 언저리에서 수율이 30~35% -> 70~75%로 100%가량 수율을 향상시킨 결과를 보여주기도 합니다.

 

논문은 여기서 그치지 않고, b를 통해 단순히 두껍게 쌓았다가 깎았다는 이유로 수율이 이렇게 개선된 것만은 아니다라고 말합니다.

b는 ALE 공정에서 쓰인 TMA(트리메틸알루미늄)과 HF(불산) 중 수율 향상에 도움이 되는 물질을 탐구했습니다.

붉은색의 TMA를 exposure했을 때는 검정색의 ALD만 했을 경우와 큰 수율 차이가 느껴지지 않지만, 푸른색의 HF를 분사한 경우에는 수율이 눈에 띄게 향상되는 모습을 볼 수 있습니다. 

논문에서는 불산이 Al2O3를 에칭 가능한 물질로 변형(modification)시킨 AlF3로 변화하며 70%의 부피 팽창이 발생하며, 이러한 팽창이 압축 응력(Compressive Stress)를 일으켜 핀홀을 물리적으로 닫는다고 말하고 있습니다. 

 

 

결론적으로 

1. 두께를 크게 쌓은 후 ALE를 거쳐 핀홀을 제거한 박막을 형성 가능하다.

2. Al2O3 Deposit & Etch-Back의 경우 AlF3의 부피팽창에 의한 압축 응력으로 핀홀을 물리적으로 닫을 수 있다.

 

라는 점을 이야기 하고 있습니다.

 

저는 이 논문을 읽으며 "표면이 활성화 된(Sufrcace Activated) 웨이퍼 위에 ALD를 진행하여 수율 자체가 높아지면, 그 후 ALE로 에치백 했을 때 수율을 더욱 극단적으로 향상될까?" 와 "논문에서보다 더 많은 HF를 분사해 AlF3를 더 두껍게 만들면, 유전상수가 이론적인 값을 넘는 경우가 발생할까?" 같은 아이디어를 생각해보았습니다.

오늘은 이렇게 ALD와 ALE를 이용한 Pinhole issue 해결에 대한 점을 공부해봤습니다. 감사합니다.

 

Reference

• 참고문헌 I. Atomic Layer Deposition: An Overview, Steven M. George
• 참고문헌 II. Deposit and etchback approach for ultrathin Al2O3 films with low pinhole density using atomic layer deposition and atomic layer etching
• [1] sonsw1022 님의 블로그

반도체 공정 - (5) 도핑 공정

• [2] https://www.slkormicro.com/tiger-chip/906320.html
• [3] Paper_Influence of Growth Defects on the Corrosion Resistance of Sputter-Deposited TiAlN Hard Coatings
• [4],[5],[6],[7] 참고문헌 II.