원자층증착법이란?
인공지능, 자율주행, 5G통신 등 최근에 등장한 기술 분야에서 처리해야 할 데이터양의 급증과 더불어 다량의 데이터를 신속하게 처리하기 위해서는 반도체 회로의 선폭 미세화가 반드시 수반돼야 한다. 반도체 선폭이 미세화될수록 칩의 크기는 작아지고, 소비전력은 감소하며, 처리 속도는 빨라지기 때문이다. 이러한 반도체 공정 전반에 걸친 회로 선폭 미세화를 위해 극자외선노광(EUVL) 기술이 도입되고 있으며 커패시터, 배선 등 3차원 구조에서의 높은 단차(aspect ratio)에 따른 극박막의 균일한 증착을 위한 원자층 증착법에 대한 필요가 점점 커지고 있다.
반도체용 박막 증착 기술은 반도체 기판 위에 특정 용도의 박막(절연막, 유전막, 금속막, 희생막 등)을 얇고 균일한 두께로 덮는 기술이다. 반도체 소자의 미세화 및 고집적화와 더불어 수 nm의 극박막을 정밀하게 증착해야만 한다. 특히 EUV 기술의 도입으로 수 nm 노드 수준으로 반도체 공정의 초미세화가 진행되 면서 대면적의 300mm 직경 웨이퍼 위에, 상부의 폭은 더 좁지만 깊이는 더 깊어지는 상당한 고단차의 3차원 구조에서, nm 단위의 극박막이 더 높은 단차피복성(step coverage)을 지니도록 깊이마다 균일한 두께로 증착하는 기술이 요구된다. 반도체 소자 제작에서의 증착 기술은 물리적인 방법(스퍼터 등), 화학적인 방법(CVD, Chemical Vapor Deposition 등), 원자층증착법(ALD, Atomic Layer Deposition) 등 다양한 방식이 있는데, 최근 주력 기술이 스퍼터와 CVD에서 ALD로 바뀌는 추세를 보이고 있다.
ALD는 서로 화학반응을 일으킬 수 있는 전구체와 반응제 소재를 주기적으로 공급해 기판 표면에서 전구 체와 반응제의 자기포화반응을 통해 박막을 형성하는 방법이다<그림 1>. 전구체와 반응제의 반응이 오직 하부표면 위에서만 이뤄지고, 사이클 단위로 박막이 증착되기 때문에 ▲극박막의 두께 조절 용이 ▲ 박막 특성 우수 ▲파티클 발생 억제 ▲단차피복성 우수 ▲낮은 온도에서 증착 가능 등의 장점을 지니고 있다. 또한 기능적 특징을 지닌 3개 이상의 원소가 포함된 극박막 다층박막, 삼원계 이상의 화합·혼합 박막의 두께 및 박막 성분 제어가 용이하다.
ALD 기술은 1990년대 후반에 반도체 공정에 도입되지 시작하였지만 20여년이 지난 현재 증착기술시 장의 주류가 되었고 이러한 상황은 반도체 패턴의 미세화와 더불어 더욱 공고해질 전망이다.
다원계 박막용 ALD 기술 도입의 필요성
회로 선폭 초미세화와 더불어 DRAM의 핵심 소자인 커패시터 분야에서도 구조 및 소재 변경에 따른 정전용량의 확보를 위해 유전체의 박막화, 고유전율화, 고단차피복성과 관련한 증착 공정의 중요도가 높아 지면서 ALD 기술에 대한 의존성이 커지고 있다. 특히 D14 노드 이후로는 고유전율 박막의 도입이 예상 되며, 오는 2028~2035년에는 200 이상의 유전율을 지닌 소재의 도입이 필요할 것으로 보인다. 이를 위해 현재 유전막으로 이원계 소재를 적층한 ZrO2/Al2O3/ZrO2가 이용되고 있다. 하지만 중장기적으 로는 Metal-doped HfO2, SrTiO3(STO) 등 삼원계 이상의 다원계 유전체 소재가 도입되고, 각 원소의 박막 내 성분 제어와 균일도 유지에 용이한 ALD 증착법에 대한 의존성이 높아질 것으로 예상된다.
또한 차세대 메모리의 하나인 PRAM은 저항 가열에 의해 6족 원소인 Chalcogenide 박막이 결정질과 비정질 상태로 가역적으로 변이하는 성질에 기반해 비정질 박막은 저항이 크고, 결정질 박막은 저항이 작은 성질을 이용한 비메모리 소자이다. 저항 박막으로는 GeSbTe 등의 삼원계 소재가 사용되는데 Chalcogenide 물질의 메모리 및 선택소자의 특성(Vt, memory window, Vhold, Drift, 신뢰성) 확보와 Ge, Sb, Te의 조성제어기술 개발을 위해 ALD 기술의 개발이 요구된다.
ALD 관련한 소부장 및 공정 기술
ALD 기술은 <그림 2>와 같이 소재, 부품, 장비(부속장비 포함)가 필요하며, 다수의 공정변수를 제어해 균일한 두께의 극박막을 증착하기 위한 공정 기술도 중요하다. 아울러 증착 결과물인 박막의 특성을 분석 하는 기술도 필수적이라고 할 수 있다.
ALD는 전구체와 반응제의 표면반응에 의해서 이뤄지는데, 박막의 원소재인 금속유기물을 ‘전구체’라고 하며 산소, 질소, 황, 수소 등을 ‘반응제’라고 한다. 전고체는 주로 화학소재를 제조하는 기업들이 생산하며 국내에는 10여개 이상의 기업들이 전구체를 양산하고 있다.
ALD 기술과 관련한 부품으로는 ALD 장치의 라인 등을 구성하는 각종 부품용 소재, 캐니스터, 유량제어 부품(MFC, 필터, 밸브 등), 기화기, 레벨센서, 샤워헤드, 서셉터 등이 있다. 이러한 부품들은 ALD 이외에도 스퍼터와 CVD 기술에도 공통으로 사용되는 부품이 다수이다.
ALD 장비는 통상 전구체공급 시스템, 웨이퍼공급 시스템, 챔버, 전기 시스템, 제어 시스템, 배기 시스템 등으로 나눌 수 있다. 플라즈마를 이용한 플라즈마ALD의 경우는 플라즈마 제어 시스템이 부가된다. 특히, 챔버의 경우에는 제조기업마다 다양한 목적에 따라서 특이한 형태로 개발되어 기업마다 고유의 챔버 기술을 가지고 있다. ALD 본체에 부속하나 별도로 판매되는 부속장비로는 오존발생기, 리모트플라즈마 발생기, 펌프, 스크러버, 칠러 등이 있다.
ALD 박막 증착을 위해서는 전구체 및 반응제의 유량, 유지 온도, 공급 시간, 퍼지 시간, 유량제어부품의 온도, 챔버 온도, 챔버 내 압력, 챔버 크기, 배기량, 배기시간 등의 각종 공정변수의 조절이 필요한데, 이를 통합적으로 다루는 기술이 바로 ‘공정기술’이다. 변수 제어의 결과에 따라 박막 두께와 균일도, 단차피복 성, 파티클 발생 등 증착 특성이 달라진다.
ALD 소부장과 공정 기술을 이용해 증착된 박막인 유전막, 절연막, 금속막 등의 박막 내 성분, 유전율, 전도도 등의 기초 물리적, 화학적, 구조적, 전기적 특성의 분석 기술도 ALD기술의 중요한 부분을 차지한다.
주요 표준 트렌드
① ALD와 관련한 전구체 및 반응제 관련 표준 동향
현재 사용 중인 ALD용 전구체 중에는 기존의 CVD 또는 다른 용도로 사용되고 있는 소재와 동일한 것이 다수 있다. 이에 증기압 측정법, 품질, 안전 또는 사용가이드 등에 대한 표준이 <표 1>과 같이 ASTM, SEMI, 한국표준과학연구원 등에서 제정돼있다. 특히 액체의 증기압에 대한 측정법은 오랜 역사를 지니고 다양한 방법이 제시되고 있다(EX : ASTM D2879-18, ASTM E1719-97 등). 하지만 ALD 기술의 도입이 비교적 최근이고 사용되는 전구체 또한 최신 물질이기 때문에 ALD 전구체 에만 한정된 표준은 드물다. 국내 한국표준과학연구원 국가참조표준센터에서는 Ferrocene (Fe), CpZr(NMe2) (Zr), TEOS (Si), TEMAZr (Zr), TEMAHf (Hf)의 증기압에 대한 국가참조표준을 제시 하고 있는데, 이 소재들은 최근에 ALD 기술에서 사용되는 소재들과 관련성이 높다.
② ALD 및 박막 증착용 부품 관련 표준 동향
반도체용 증착 장비는 진공 상태에서 공정이 진행되므로, 스퍼터와 CVD와 관련하여 제정된 표준 역시 ALD 기술에 적용될 수 있다. CVD용 전구체를 담는 캐니스터의 품질 규격(SEMI F96) 및 장비 내의 유량 제어 부품(MFC 등)의 성능 측정법 및 품질과 안전에 관련한 표준은, ALD를 포함한 진공 장비에도 공통으로 사용이 가능하다. 다만 ALD/CVD 기술에서 특유하게 사용되는 기화기 등과 관련된 표준을 제정할 필요성이 있다.
③ ALD 및 박막 증착 장비 관련 표준 동향
반도체용 증착 장비인 스퍼터와 CVD와 관련하여 제정된 표준들은 ALD 기술에도 적용될 수 있다. 특히, ALD 장비를 이루는 웨이퍼공급 시스템, 전기 시스템, 제어 시스템, 챔버, 배기 시스템 등의 성능 측정법및 품질, 안전 관련 표준은 ALD를 포함한 진공 장비에 공통으로 사용하는 것이므로 호환이 가능하다.
④ ALD 및 반도체 박막 물성 측정/분석 관련 표준 동향
기존에 제정된 반도체 박막의 물성 측정·분석 관련 표준들은 두께, 스트레스, 면저항 등의 물성을 측정 하는 것과 관련한 것으로 ALD 박막에서도 호환이 가능하다. 하지만 최근 새로운 측정 장비의 발전에 의해 관련 측정법이 다수 개발되고 있으므로 기술 발전에 따른 개정 또는 제정이 필요하다. 예를 들면, 박막의 두께 측정법은 단파장 ellipsometry를 이용한 표준(SEMI MF576)이 존재하나, 두께 측정의 정밀도 향상을 위해서 spectroscopic ellipsometry를 이용한 두께 측정법이 대세이므로 이에 대한 개정 또는 개발이 필요한 식이다. ISO에서는 ALD기술과 관련한 용어에 대한 표준(ISO WD 8181)을 제정 중이다.
① 다원계 박막용 ALD 소재 및 박막 물성 분석 관련 표준 제안
전구체의 증기압은 ALD 박막의 증착에 있어서 원소재의 공급량과 사용량을 결정해 ALD로 증착된 박막의 두께, 성분, 단차피복성 등의 특성과 그 균일도 및 재현성을 결정하는 요인이다. 그러므로 전구체의 증기압 특성을 측정하는 표준은 ALD 공정 이전 단계에서 ALD 박막의 특성을 예측하는데 기여할수 있다. 다원계 전구체에 대해서는 각각의 전구체 또는 각각의 원소를 포함하는 전구체의 혼합물·화 합물에 대한 증기압의 측정법을 포함한다.
반도체 ALD용 전구체는 화학물질관리법이 적용되는 유해화학물질이도 하지만, 소재 개발 진흥을 위한 다양한 특례가 적용 중이다. 전구체 분야와 관련해 국내 전구체 생산업체가 10여개 이상 있고, 반도체 소자업체에서도 전구체 관련부서를 운영하는 등 관련한 표준화 추진을 위한 국내 연구개발 기술진의 경쟁력은 매우 높다고 볼 수 있다. 그러나 글로벌시장을 주도하고 있는 미국과 일본의 글로벌 소재 기업들도 화학물질관리법 및 국내 수요기업의 요구에 신속한 대응을 하기 위해 이미 국내에 생산공장을 보유하고 있다. 따라서 국내외적 상황을 고려하면, 관련 기술의 국내 표준을 선행적으로 진행하고 추후 국내기업 및 글로벌 기업들의 합의 및 동의를 통한 의견을 반영하여 국제표준화를 촉진하는 것이 효과적일 것이다.
② 전구체 기화기의 기화성능 측정법
ALD의 단점인 낮은 생산성을 극복하기 위해서는 ALD 장비에 다수의 웨이퍼를 동시에 진행하는 멀티 웨이퍼 챔버 도입 등으로 ALD 장비의 대형화를 추진해야 한다. 여기서 해당 장비의 성공적인 박막 증착을 위해서는 대량의 기화된 전구체가 필요하다. 이에 액체 전구체를 대량으로 기화시킬 수 있는 기화기를 도입하고 있는데, 기화 성능이 무엇보다 중요하다. 특히 다원계 박막의 경우에는 다수의 전구 체를 사용하게 되므로 고가의 전구체에 대한 기화량의 예측이 반드시 필요하다.
전구체 기화기에서 다량, 일정, 완전 기화된 기체 상태로 챔버에 공급돼야 최종적인 박막의 두께, 성분, 단차피복성 및 각각의 균일도와 재현성 유지와 불순물 함유량이 저감된다. 기화기에서 전구체의 기화성능은 전구체 주입량, 압력, 온도, 캐리어 가스 종류 등에 의해서 차이가 발생하기 때문에 표준화된 조건에서 표준화된 측정법으로 기화성능을 측정할 필요가 있다. 또한 기화기는 장비 자체의 오염 등으로 주기적인 교체가 필요하다. 기화기의 기화성능과 품질의 표준화 및 교체 주기의 예측은 박막의 생산성을 유지관리하는 데 중요하다.
현재 사용되고 있는 ALD용 기화기는 외산 제품이 다수이기는 하나, 최근에 반도체 부품 국산화 진행및 장비업체에서의 자체 필요성 등에 의해서 다수 연구개발 및 생산이 진행돼 국산 기화기가 일부분 도입되고 있다.
③ spectroscopic ellipsometry에 의한 다원계 박막의 두께 측정법
통상 금속산화막인 유전막의 두께는 박막의 굴절율과 경계면에서의 반사를 이용한 spectroscopic ellipsometry를 이용하며 측정하고 있다. 수~수십 nm 두께의 극박막의 두께 측정은 spectroscopic ellipsometry, TEM, XPS, XRR 등을 이용한 다양한 방법이 있으나, 반도체 생산라인에서는 손쉽게 이용할 수 있는 spectroscopic ellipsometry를 이용한 방법이 효과적이다. 박막의 두께는 측정방법및 측정 환경에 따라서 다른 결과 또는 경향이 나타나므로 표준화된 환경에서의 표준 측정법 개발이 필요하다.
④ 삼원계 박막 내의 원소 성분의 정량적 분석법
ALD 기술에 의해서 증착된 금속산화막의 경우 MxOz에서 x와 z의 비를 의미하는 stoichiometry가잘 맞는 경우에 박막 특성이 잘 발현하지만 stoichiometry가 맞지 않으면 유전율(굴절율), 누설전류, 전기저항, 에치 저항성 등의 특성이 저하된다. 향후에 도입 가능성이 높은 삼원계 박막인 MxNyOz인 경우에는 x, y, z의 조성비를 일정하게 관리하기가 더 어려워지며, 3차원 형태로 증착되는 경우에는 위치마다 다른 조성비가 달라지는 경우도 있다. 이에 박막 내의 각 원소 성분의 함유량을 확인하고 일정하게 관리하는 방법에 대한 기술의 필요성이 높아지고 있다.
경쟁력 강화를 위한 기술개발 연계 표준화 필요
반도체 산업에서의 ALD와 관련한 소부장 제품의 국내 경쟁력을 높이고 미국과 일본과 같은 해외기업에 대한 기술 의존성을 낮추기 위해서는 전구체, 진공 부품, 진공 부속품 등의 국산화율을 높이고 ALD를 비롯한 진공 장비의 선도적인 개발과 안정성 향상 및 제조된 박막의 분석과 관련한 소부장 및 분석기술의 향상은 반드시 해결해야 하는 핵심과제들이다. 앞으로 반도체 소자 제작에 도입 가능성이 높은 다원계 박막용 ALD 기술과 관련해 선도적으로 시장을 점유하기 위해서는 관련한 응용기술 및 실증기술 등의 기술 개발과 함께 연계한 물성 평가기술의 표준화 및 표준물질 개발 등의 표준화 개발이 매우 중요할 것이다.
SEMI와 같은 사실상국제표준기구에서는 ALD 전용으로 표준을 제정하지는 않았으나, ALD 기술을 포함할 수 있는 진공기술과 관련한 다수의 표준을 제정했다. 또한 ISO의 경우에는 ALD 관련 용어에 대한 표준화 제정을 진행하며 해당 분야에 대한 관심을 나타내기도 한다. 정부의 적극적인 지원, 소자 기업과의 협력, 국내 연구진의 자체 노력으로 우리나라 ALD 소부장, 공정, 분석 등에 관련한 국내 기술 및 기술 인력들의 수준은 상당히 높다고 할 수 있다.
초미세화 기술에 필요한 ALD 기술 발전을 통한 경쟁자와의 격차를 벌리기 위해서는 개별 기업의 노력에 더해 정부-대기업-중견기업-중소기업-대학-연구기관 등이 적극적으로 참여해 기초, 응용 및 실증을 위한 협업을 진행해야 한다. 특히, 다수기관과의 긴밀한 소통과 협력체계 구축을 위해서는 각 기관의 탁월한 기술개발 지원과 더불어 공통의 언어인 표준 제정이 함께 진행되어야 한다. 표준의 제정과 활용은 ALD 소부장 분야에서의 산업 경쟁력을 한층 더 높이는 큰 역할을 할 수 있을 것이다.