반도체 증착 공정 PVD CVD ALD 차이 — 단차피복·온도·속도로 고르는 법

웨이퍼 위에 막을 한 겹 입히는 일, 이름은 하나(증착)인데 방법은 크게 셋으로 갈립니다. PVD, CVD, ALD. 시험 문제로는 "PVD는 물리, CVD는 화학"으로 외우고 넘어가기 쉽지만, 현업에서 셋을 가르는 질문은 조금 다릅니다. "이 홈 안쪽 벽까지 막이 고르게 들어가야 하나?", "아래층이 몇 도까지 견디나?", "얼마나 빨리 쌓아야 하나?"

이 글은 세 방법이 막을 쌓는 방식을 하나씩 보고, 같은 트렌치를 덮었을 때 결과가 어떻게 갈리는지 비교합니다. 그림 대부분은 세미팹AI 시뮬레이터 화면을 직접 돌려서 찍었습니다. 8대 공정 안에서 증착이 어디에 놓이는지는 반도체 8대 공정 순서를 먼저 보면 이어서 읽기 쉽습니다.

1. 반도체 증착 공정이란 — 무엇을, 어떻게 쌓나

증착은 웨이퍼 표면에 절연막·금속막·반도체막 같은 얇은 막(수 nm~수 µm)을 입히는 공정입니다. 막이 어디서 오느냐에 따라 세 갈래로 나뉩니다.

2. PVD — 원료를 떼어 내 날려 보낸다

PVD는 화학 반응 없이 고체 원료에서 원자를 떼어 내 웨이퍼로 날려 보냅니다. 떼어 내는 방법이 둘입니다.

• 증발(Evaporation) — 원료를 전자빔이나 열로 녹여 증기로 만듭니다. 장치가 단순하고, 원자가 원료에서 거의 직진으로 날아와 패턴 옆벽에는 잘 붙지 않습니다. 보통은 약점인 이 성질이 리프트오프 공정에서는 장점이 됩니다(옆벽이 끊겨 있어야 감광막과 함께 금속이 떨어져 나갑니다).
• 스퍼터(Sputtering) — 아르곤 플라즈마의 Ar⁺ 이온을 타깃(원료판)에 부딪혀 원자를 튕겨 냅니다. 마그네트론(자석)으로 전자를 타깃 근처에 가둬 플라즈마를 짙게 만들기 때문에, 타깃은 자석 모양을 따라 고리 모양으로 깎여 나갑니다.

데모에서 이온 에너지를 올리면 이온 하나가 튕겨 내는 원자 수(스퍼터 수율)가 커지고, 자기장을 세게 하면 플라즈마가 짙어져 증착이 빨라집니다. PVD의 약점은 방향성입니다. 원자가 위에서 거의 직진으로 날아오니 깊은 홈의 옆벽과 바닥에는 막이 얇게 붙습니다. 이 차이는 5절에서 그림으로 비교합니다.

3. CVD — 기체가 표면에서 반응해 막이 자란다

CVD는 원료를 기체로 흘려 넣고, 웨이퍼 표면에서 화학 반응이 일어나게 해 막을 키웁니다. 예를 들어 SiH₄(실란)와 N₂O가 반응하면 SiO₂가 남고 나머지는 부산물 기체로 빠져나갑니다. 반응에 필요한 에너지를 무엇으로 주느냐에 따라 두 갈래입니다.

• LPCVD — 낮은 압력에서 열로 반응시킵니다. 온도가 높은 대신(데모 기준 SiO₂ 약 500 ℃, Poly-Si 약 650 ℃, Si₃N₄ 약 780 ℃) 막질이 좋고 한 번에 웨이퍼 수십~수백 장을 처리합니다.
• PECVD — 플라즈마가 기체를 미리 쪼개 주기 때문에 약 300 ℃ 안팎에서도 막이 자랍니다. 이미 금속 배선이 깔려 있어 높은 온도를 못 견디는 층 위에 절연막을 올릴 때 씁니다.

CVD는 기체가 홈 안까지 들어가 표면에서 반응하므로 PVD보다 옆벽이 훨씬 고르게 덮입니다. 가스 비율이 막의 조성을 정한다는 점도 CVD의 특징입니다. 데모 미션처럼 N₂O를 줄이면 실리콘이 많은 막이 되어 굴절률이 올라갑니다. 두 CVD의 온도 차이가 막질과 공정 순서를 어떻게 가르는지는 LPCVD PECVD 차이에 따로 정리해 두었습니다.

4. ALD — 한 층씩, 스스로 멈추는 반응

ALD는 CVD처럼 화학 반응을 쓰지만 원료 둘을 동시에 넣지 않습니다. Al₂O₃를 예로 들면 한 사이클이 네 단계입니다.

1. TMA 펄스 — 알루미늄 원료(TMA)가 표면의 빈자리에 달라붙습니다. 자리가 다 차면 더 붙지 않습니다(자기제한).
2. N₂ 퍼지 — 붙지 못하고 떠 있는 TMA를 질소로 씻어 냅니다.
3. H₂O 펄스 — 물이 붙어 있는 TMA와 반응해 Al–O 한 층을 만들고, 다음 TMA가 붙을 자리를 새로 엽니다.
4. N₂ 퍼지 — 남은 물과 부산물을 씻어 냅니다.

막 두께는 시간이 아니라 사이클 수로 정해집니다. 아래는 미니팹에 준비 중인 ALD 장비 시뮬에서 Al₂O₃ 레시피(250 ℃, 사이클당 약 1.1 Å)로 100사이클 운전을 건 화면입니다. 81사이클 시점의 두께가 약 8.9 nm로, 81 × 0.11 nm와 맞아떨어집니다. 원료를 넣을 때는 압력이 약 0.2 Torr까지 오르고, 퍼지가 끝나면 다시 10⁻⁴ Torr대로 떨어지는 것도 화면에서 볼 수 있습니다.

자기제한 반응 덕분에 ALD는 깊고 좁은 홈 안까지 같은 두께로 덮습니다. 대신 사이클마다 1 Å 안팎이라 느립니다. 그래서 10 nm 이하의 아주 얇은 막, 예를 들어 트랜지스터 게이트의 high-k 절연막이나 3D 구조의 장벽막처럼 "얇고 고르게"가 속도보다 중요한 곳에 씁니다.

5. 같은 트렌치를 덮으면 — 단차피복이 가른다

세 방법의 차이가 한눈에 드러나는 것이 단차피복(Step Coverage) 입니다. 단차피복은 홈 옆벽(또는 바닥)에 붙은 막 두께를 윗면 두께로 나눈 값입니다.

PVD의 약점을 그대로 두면 홈 입구가 먼저 막혀 안쪽에 빈 공간(보이드)이 생깁니다. 그래서 깊은 홈은 ALD나 CVD로 얇은 바탕막을 먼저 깔고, 그 위를 PVD나 도금으로 채우는 식으로 둘 이상을 이어 쓰는 경우가 많습니다.

6. 어떻게 고르나 — 세 가지 질문

어떤 증착을 쓸지는 결국 아래 세 질문의 답으로 정해집니다.

1. 홈이 얼마나 깊고 좁은가? 평평한 면이면 PVD로 충분합니다. 홈이 깊을수록 CVD, 더 깊고 좁으면 ALD 쪽으로 갑니다.
2. 아래층이 몇 도까지 견디나? 금속 배선이 이미 깔려 있다면 LPCVD의 고온은 못 씁니다. 그래서 PECVD나 ALD를 씁니다.
3. 얼마나 두껍게, 얼마나 빨리? 수백 nm를 빨리 쌓아야 하면 PVD나 CVD, 수 nm를 정밀하게 쌓아야 하면 ALD입니다.

한 가지만 좋은 방법은 없습니다. 고르게 덮을수록 느려지거나 온도가 필요해지고, 빠를수록 홈 안쪽이 얇아집니다. 면접에서 "왜 이 막은 ALD로 하나요?"라는 질문을 받으면 이 세 질문으로 답을 세우면 됩니다.

7. 직접 돌려 보기

글로 읽은 차이는 손잡이를 직접 돌려 볼 때 감이 옵니다. 아래는 모두 브라우저에서 바로 열립니다.

• PVD 스퍼터 — 데모 스퍼터: 이온 에너지와 자기장을 바꿔 증착 속도 비교
• CVD — 데모 PECVD에서 가스 비율로 굴절률 맞추기, 본진의 LPCVD·PECVD 시뮬레이터에서 온도에 따른 증착 속도 계산
• ALD — 데모 ALD: 펄스·퍼지를 한 단계씩 돌리며 자기제한 반응 보기

여러 공정을 이어 돌리는 미니팹 실습은 정식 이용 코드로 열립니다. 4절의 ALD 장비 시뮬처럼 장비를 켜고, 상태를 점검하고, 레시피로 운전까지 하는 미니팹 ALD 실습은 현재 준비 중입니다. 미니팹이 어떤 식으로 진행되는지는 금속 패턴 미니 플로우 가이드에서 단계별로 볼 수 있습니다.

요점정리

카드 ① PVD는 날아와 붙고, CVD는 표면에서 자라고, ALD는 한 층씩 멈춘다

PVD는 원자를 떼어 내 날려 보내고, CVD는 기체가 표면에서 반응해 막이 자라며, ALD는 원료 둘을 번갈아 넣어 표면이 찰 때마다 반응이 멈춥니다.

카드 ② 단차피복이 셋을 가른다 — 약 30~40% · 70~90% · 100%

깊은 홈일수록 PVD는 옆벽이 얇아지고, CVD는 거의 고르게, ALD는 끝까지 같은 두께로 덮습니다.

카드 ③ 고르는 기준은 홈의 깊이 · 견디는 온도 · 필요한 속도

고르게 덮을수록 느리거나 뜨거워집니다. 세 질문에 답하면 어떤 증착을 쓸지가 정해집니다.

다음 단계

먼저 데모 스퍼터와 데모 ALD를 나란히 열어, 같은 시간 동안 막이 얼마나 쌓이는지 비교해 보세요. 그다음 LPCVD PECVD 차이에서 CVD 안의 온도 선택을 이어 보면 증착 공정의 큰 틀이 잡힙니다.