차세대 반도체 프리커서와 그 과제
반도체 제조 공정에서 차세대 프리커서 가스의 복잡성 해결
저자: Frank Horvat, PhD, Swagelok 시니어 과학자
인공지능(AI)이 나날이 성장함에 따라, 새로운 수요로 인해 반도체 산업에 중대한 변화가 초래되고 있습니다.
첨단 AI에는 더 높은 연산 밀도, 데이터 효율, 열 관리, 소비 전력 감소가 필요합니다. 이러한 추세로 인해, 이제 차세대 소자에서 최신 AI 슈퍼컴퓨터에 필요한 기하학적인 확장을 지원하려면 첨단 로직과 고집적 메모리가 요구됨에 따라 삼성, Micron, TSMC 등의 주요 업체로부터 글로벌 반도체 제조 환경의 변화가 촉진되고 있습니다.
이에 반도체 툴 장비사(OEM)들은 진화하는 소자 사양을 충족하도록 설계된 차세대 장비를 출시함으로써 대응했고, 화학물질 공급업체는 계속 프리커서 화학 기술 및 전달 기술을 발전시키고 있습니다. 특히, 원자 단위, 유전체, 전도성, 배리어 박막이 이제 복잡한 3D 트랜지스터 형상과 고종횡비의 기하학적 형상에 증착됩니다.
이와 같이 복잡한 형상에서 균일한 박막 커버리지를 달성하려면 원자층 증착(ALD) 공정에서 새로운 과제가 발생하며, 반도체 제조 전문업체가 진화하는 공정 조건과 화학적 조성에 보조를 맞추려면 지속적으로 새로운 프리커서 조성을 도입해야 합니다. 이 블로그 기사에서는, 고증기압 및 저증기압 프리커서, 관련 시스템 설계 변경, 오염 및 수율 문제, 이해관계자 사이의 면밀한 협력이 성공에 얼마나 중요한지 등을 검토합니다.
고증기압 및 저증기압 프리커서 검토
반응 챔버 내로 유입되는 각 펄스를 계량하는 정밀 타이밍 ALD 밸브가 ALD 공정에 사용되는 화학물질 프리커서를 공급합니다. 프리커서가 웨이퍼 기판과 반응하여 사이클당 하나의 재료 원자층을 형성합니다. 각 증착 시퀀스는 일반적으로 소스(프리커서 A)와 반응물(프리커서 B)의 두 프리커서 단계로 구성됩니다. 각 소스/반응 펄스 사이에서, 고진공 퍼지 또는 배출 단계를 통해 잔류 가스 및 반응 부산물이 제거됩니다.
칩 생산 수요가 진전함에 따라, 새로운 차원의 성능을 달성할 수 있는 새로운 프리커서가 시장에 소개되고 있습니다. 프리커서는 그 작용에 따라 일반적으로 고증기압 또는 저증기압 프리커서로 분류됩니다.
- 트리메틸알루미늄(TMA), 디에틸아연(DEZ)과 같은 고증기압 프리커서는 실온 근처에서 기화하며 가스 공급 라인을 통해 반응 챔버로 손쉽게 이송할 수 있습니다.
- 반면, 염화 하프늄(HfCl₄), 염화 탄탈륨(TaCl₅), 염화 몰리브덴(MoCl₅)과 같은 저증기압 프리커서는 승화에 더 높은 온도(> 150° C)가 필요합니다. 일반적으로, 압력이 매우 낮으므로 각 증착 사이클에서 프리커서를 반응 챔버로 이송하려면 캐리어 또는 푸시 가스가 필요합니다. 저증기압 프리커서는 적절한 표면 커버리지를 달성하려면 때로 더 긴 펄스 시간 또는 더 높은 캐리어 가스 유량이 필요합니다. 트랜지스터 배율이 더욱 감소함에 따라, 또한 구리 및 텅스텐의 물리적 크기 한도로 인해 반도체 구조 내의 구리 연결 배선, 접점, 고종횡비 기하학적 형상에 몰리브덴을 적용해야 할 필요성이 필연이 되었습니다. 몰리브덴은 훨씬 낮은 유효 저항을 유지하며, 나노스케일 치수보다 뛰어난 신뢰성을 제공합니다.
이와 같이 상이한 동작은 특히 대량 제조 환경에서 밸브 펄싱에 영향을 줄 수 있습니다. 예를 들어, 프리커서 유량은 정상 작동 중 공압 밸브의 개방과 폐쇄에 민감합니다. 고증기압 프리커서의 경우, 일반적으로 짧은 밸브 개방 기간(< 100밀리초)이 충분하며, 더 짧은 사이클 시간과 더 높은 처리량을 지원합니다. 하지만, 이러한 프리커서는 오버슈트 및 압력 스파이크를 유발할 수 있으므로, 정밀한 타이밍 동기화와 밸브간 유량 계수(Cv) 매칭이 필요합니다.
높은 처리량을 달성하려면 프리커서 휘발성, 펄스 지속 기간, 밸브 전도도 사이의 세심한 균형이 필요합니다.
반대로, 저증기압 프리커서는 증기 안정성을 유지하려면 일반적으로 더 긴 작동 시간과 정밀한 열 관리가 필요합니다. 그 결과, 높은 처리량을 달성하려면 프리커서 휘발성, 펄스 지속 기간, 밸브 전도도 사이의 세심한 균형이 필요합니다.
시스템 설계 과제 해결
여유 없는 공정 기간을 고려할 때, 반도체 엔지니어들이 안정성, 반복 용이성, 박막 균일도를 유지하려면 ALD 밸브 성능에 영향을 주는 여러 시스템 변수를 세심하게 관리해야 합니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.
밸브 유량 및 작동 타이밍:
ALD 공정은 일반적으로 저압 프리커서가 반응 챔버로 유입되는 고진공 환경에서 실행됩니다. 장비사들이 프리커서를 이송하는 데 사용되는 두 가지 중요한 변수가 있으며, 바로 밸브 유량 계수(Cv)와 시스템 전기 전도도(C)입니다.
Cv(유량 계수)는 일정한 압력 손실(dP)에 대해 얼마나 많은 유량이 밸브를 통과할 수 있는지 나타내는 데 사용되는 유량 변수입니다. 이 변수를 통해 제조업체는 밸브를 통과하는 가스 유량을 결정할 수 있고, 정밀한 밸브 타이밍을 결합하면 고도로 정밀한 프리커서 투입량 조정이 가능합니다.
여기에서는 밸브 작동 타이밍 성능이 핵심입니다. 몇 밀리초의 편차만으로도 반응 챔버에 주입되는 프리커서 질량과 사이클당 총 프리커서 투입량이 크게 변화할 수 있습니다. 더불어, 개폐 지연, 밸브 반응 속도, 밸브 동기화 등에 변동이 있으면 박막 균일도 불량, 불완전한 표면 포화 및 기타 문제를 야기할 수 있습니다. 따라서, 공정 반복 용이성을 확보하고 원자 수준의 투입량 정확도를 유지하려면(투입량 제어) 여러 프리커서 라인 전반에 걸친 Cv 매칭과 밀리초 미만의 밸브 동기화 제어가 필수입니다. 이 경우 Swagelok Cv 계산기 와 같은 도구가 상당히 유용할 수 있습니다.
투입량 제어:
박막 성장 성능과 웨이퍼 수율을 모두 달성할 수 있는 견실한 ALD 공정에는 투입량 제어가 필수입니다. ALD에는 정밀하고 반복 가능한 수의 프리커서를 공급하여 자기제어 표면 반응을 촉진하는 것이 중요합니다. 가스 투입 공정을 잘 제어하면, 사이클당 박막 성장이 안전적이고, 예측 가능하며, 특징적인 기하학적 형상과 독립적인 상태로 유지됩니다. 이는 극한의 종횡비가 사용되는 새로운 첨단 소자 아키텍처에 필요한 두께 제어, 순응성, 균일도를 지원합니다. 반면, 투입량이 불충분하면 불완전한 표면 포화와 균일하지 못한 박막 성장을 초래할 수 있고, 투입량이 과도하면 기체 상 반응, 불필요한 CVD 유형 동작, 파티클 생성 증가, 비효율적인 프리커서 이용률 등을 야기할 수 있습니다.
소자 치수가 계속 줄어듦에 따라, 트랜지스터의 기하학적 형상도 더 복잡해지고, 투입량 변동에 대한 허용 오차도 확연히 좁아지고 있습니다. 밸브 유량(Cv), 증기압 변동, 온도 불안정, 라인 전기 전도도(C) 영향 또는 타이밍 부정확성 등으로 인해 공급되는 프리커서 질량에 작은 편차만 있어도 웨이퍼와 장비 전반에서 박막 두께, 조성, 전기적 속성이 눈에 띄게 변화합니다. 대량 제조 환경에서 이러한 변동은 장비 매칭, 공정 이전, 장기적 안정성에 영향을 주는 결과를 초래합니다. 따라서, 견실한 투입량 제어를 통해 웨이퍼 간 변동성을 줄이고 정확한 챔버 간 매칭을 실현할 수 있습니다.
온도 균일도:
응축과 조기 화학분해를 방지하려면 프리커서 용기, 공급 라인, 밸브에 걸쳐 균일한 온도 분포가 매우 중요합니다. 불균일한 가열은 밸브 성능을 저하시켜 후속 투입량을 오염시키는 국소적 증착을 초래할 수 있습니다.
내식성 및 수율 문제:
반도체 ALD 시스템 설계에서 고려해야 할 또 다른 요소는 재질 선택입니다. 차세대 프리커서는 비호환 재질에 대해 강한 부식성을 나타낼 수 있으며, 이는 시스템 설계자들이 밸브와 같은 핵심 부품을 조달할 때 계획적이어야 함을 의미합니다. 매우 작은 파티클이라도 반도체 제조 공정에 치명적일 수 있습니다.
매우 작은 파티클이라도 반도체 제조 공정에 치명적일 수 있습니다.
더 쉽게 훼손될 수 있는 작은 형상 크기를 사용하는 오늘날의 첨단 노드에서는 특히 그렇습니다. 이러한 이유로, 밸브 사용 수명과 시스템 가동 시간을 연장하는 데 이른 성능 저하에 덜 취약한 대체 재질(예: Hastelloy)로 제조된 밸브와 부품의 필요성이 점점 더 높아지고 있습니다.
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