이 시뮬레이터가 계산하는 것

화면은 수평 퍼니스입니다. 히터 존이 넷(설정 400 · 450 · 480 · 500°C)이고 가스가 셋(SiH₄ · O₂ · N₂)입니다. 올리는 막은 SiO₂입니다.

막이 생기려면 세 조건이 동시에 맞아야 합니다 — SiH₄ ON, O₂ ON, 그리고 켠 존들의 평균 온도가 350°C 초과. 하나라도 빠지면 모든 값이 0으로 남습니다. 노브를 아무리 돌려도 화면이 안 움직인다면 대개 가스 하나를 안 켠 것입니다.

실질적인 손잡이는 둘입니다.

• 어느 존을 켜나 — 평균 온도가 정해지고, 그게 증착 속도와 응력을 움직입니다.
• O₂ : SiH₄ 유량비 — 막질(조성·밀도·습식 식각률)이 거의 전부 여기서 결정됩니다.

N₂는 막에 안 들어갑니다. 총유량으로 압력만 움직입니다(0.5 + 총유량÷1000 × 0.8 Torr, 최대 2.0). 기본값 SiH₄ 100 · O₂ 200 · N₂ 500이면 1.14 Torr입니다 — LPCVD의 교과서 범위 안입니다.

비가 막질을 정한다 — 1.8 ~ 2.5라는 창

SiH₄를 100 sccm에 두고 O₂만 바꿔 봅니다(4존 전부 ON, 평균 457.5°C).

읽을 것은 창이 좁다는 것입니다. 비가 1.8과 2.5 사이일 때만 밀도 보너스가 붙어 2.282가 되고, 그 밖으로 나가면 2.182로 떨어집니다.

모자란 쪽의 벌이 훨씬 큽니다. 비가 1.8 아래로 내려가면 Si-rich 막이 되어 BOE에서 1.5배 빨리 식각되는 보정이 추가로 붙습니다. 밀도 하락까지 겹쳐 57.7에서 109.0 nm/min — 거의 두 배입니다. 반대로 2.5를 넘기는 O-rich는 밀도만 떨어져 72.7, 26% 증가에 그칩니다. 산소가 모자라면 막이 망가지고, 남으면 조금 손해 보는 정도입니다.

굴절률과 유전상수가 그 조성을 읽는 지표입니다. 화학량론 SiO₂는 굴절률 1.46 · k 3.9인데, Si-rich 쪽으로 가면 둘 다 올라갑니다(비 1.0에서 1.640 · 4.70). 굴절률 한 숫자로 조성을 가늠할 수 있다는 것이 현장에서 이 값을 먼저 재는 이유입니다. 산소 과잉 쪽은 굴절률이 1.46에서 거의 안 움직입니다 — 그래서 O-rich는 굴절률만 봐서는 안 잡힙니다.

온도는 속도를 주고, 응력을 받아간다

존 조합을 바꿔 가며 같은 비(2.0)로 올려 봅니다.

증착률은 온도에 정비례합니다 — 400°C의 1.67에서 500°C의 5.00까지 세 배입니다. 밀도도 조금씩 좋아집니다. 그런데 응력이 같이 따라옵니다. 100°C마다 +80 MPa 인장 쪽으로 밀립니다.

응력을 되돌리는 손잡이는 산소입니다 — 비를 1 올릴 때마다 −30 MPa 압축 쪽으로 당깁니다. 그래서 온도로 올린 인장을 산소로 상쇄할 수 있는데, 그 상쇄선이 위 그림의 주황색 선입니다.

문제는 그 선이 화학량론 창을 빠져나간다는 것입니다. 400°C에서는 비 2.0이 응력 0이면서 창 안이라 둘 다 만족합니다. 하지만 온도를 올리면 응력 0에 필요한 비가 같이 올라가고, 419°C · 비 2.5에서 창의 천장을 뚫습니다. 그 위로는 둘 중 하나를 포기해야 합니다.

이 화면에서 읽어낼 수 있는 결론은 이렇습니다.

• 응력이 중요한 막이면 존1만 켜고 비 2.0 — 응력 0, 화학량론, 대신 1.67 nm/min으로 느립니다.
• 속도가 중요하면 존을 더 켜고 응력을 감수 — 존4만 켜면 세 배 빠른 대신 +80 MPa입니다.
• 둘 다 잡으려고 산소를 창 밖까지 올리면 밀도가 떨어지고 습식 식각률이 올라갑니다.

왜 저압인가 — LPCVD가 파는 것은 균일도다

LPCVD의 "LP"는 0.1~2 Torr 수준의 저압을 말합니다. 압력을 낮추는 이유는 속도가 아니라 균일도입니다.

압력이 낮으면 기체 분자의 평균자유행로가 길어져 가스가 웨이퍼 사이사이로 빠르게 확산합니다. 그러면 증착 속도를 정하는 것이 "가스가 거기까지 오느냐"(물질전달 제한)가 아니라 "표면에서 얼마나 빨리 반응하느냐"(표면반응 제한)가 됩니다. 표면반응 제한 영역에서는 국소 가스 농도가 조금 달라도 막 두께가 거의 안 변합니다. 튜브 안쪽 웨이퍼와 문 쪽 웨이퍼가 같은 두께로 올라간다는 뜻입니다.

이게 LPCVD가 한 번에 수백 장을 세워 넣는 배치 공정일 수 있는 이유입니다. 대신 표면반응이 속도를 지배하니 온도에 민감하고, 절대 속도는 느립니다 — 이 화면에서도 가장 빠른 조건이 5 nm/min입니다.

존이 넷인 이유

실제 퍼니스에서 존을 나누는 이유는 튜브 방향으로 온도를 따로 잡기 위해서입니다. 이 화면의 균일도 점수는 켠 존들 사이의 온도 편차를 재는 방식이라, 편차가 작을수록 높게 나옵니다.

다만 실제 퍼니스가 존 설정 온도를 계단식으로 두는 진짜 이유 — 가스가 튜브를 지나며 소모되니 뒤쪽 존 온도를 올려 그 고갈을 보상하는 것 — 은 이 화면의 계산에 들어 있지 않습니다. 존 설정값도 고정이라 바꿀 수 없습니다. 여기서는 "존을 고르게 쓸수록 균일하다"까지만 읽으면 됩니다.

같은 장비, 다른 막 — 온도창이 다른 이유

이 화면은 SiO₂(SiH₄ + O₂) 하나만 다루지만, LPCVD 퍼니스는 가스와 온도를 바꿔 여러 막을 올립니다.

온도창이 다른 이유는 전구체마다 활성화 에너지가 다르기 때문입니다. SiH₄ + O₂는 비교적 낮은 온도에서 반응이 붙지만, SiH₂Cl₂ + NH₃로 Si₃N₄를 만들려면 700°C대가 필요합니다. 같은 장비에서 온도만 바꿔 다른 막을 올린다기보다, 막이 요구하는 온도가 장비의 운전점을 정합니다.

PECVD와 갈리는 자리

한 문장으로 갈립니다 — 금속이 올라간 다음에는 LPCVD를 쓸 수 없습니다. 알루미늄 배선은 400°C대부터 손상이 시작되는데 LPCVD는 그보다 높은 온도가 필요합니다. 그래서 LPCVD는 금속이 올라가기 전(게이트·STI 마스크·층간 절연), PECVD는 그 이후(패시베이션·IMD)를 맡습니다.

자주 틀리는 것 셋

1. "가스를 다 켰는데 막이 안 쌓인다." 온도 조건을 놓친 경우가 대부분입니다. 평균 존 온도가 350°C를 넘어야 계산이 시작됩니다 — 존을 하나도 안 켰으면 25°C입니다.
2. "O₂를 넉넉히 넣으면 안전하다." 창이 위로도 닫혀 있습니다. 비 2.5를 넘기면 밀도가 떨어지고 습식 식각률이 26% 올라갑니다. 다만 모자란 쪽보다는 덜 나쁩니다.
3. "굴절률 1.46이면 좋은 막이다." 조성이 맞다는 뜻이지 응력까지 맞다는 뜻은 아닙니다. 같은 굴절률 1.46이라도 400°C에서 올린 막은 응력 0, 500°C에서 올린 막은 +80 MPa 인장입니다.

이어서 볼 것

같은 SiO₂를 플라즈마로 저온에서 올리면 어떻게 달라지는지는 PECVD 모듈에서 수소 함량과 밀도로 다룹니다. 두 공정을 온도축에 나란히 놓고 비교한 글은 LPCVD vs PECVD — 온도가 가르는 것에 있습니다.