Chapter 10

CVD 반응기와 PECVD

9장의 그로브 모델은 “어느 손잡이가 막 두께를 움직이는가”를 알려 주었다. 이 장은 그 손잡이가 달린 실제 장비를 연다. 150장을 한꺼번에 굽는 종형 LPCVD 퍼니스에서는 반응물이 아래에서 위로 가며 소모되는 고갈을 온도 경사로 메우고, 400 °C에서 300 nm/min을 내는 PECVD에서는 플라즈마 전자가 열 대신 분자를 깨뜨리며, 이온 충격이 수소 함량과 응력을 정한다. HDP-CVD는 증착하면서 동시에 깎아 좁은 틈을 메운다.

반응기 네 가지: 압력과 에너지원으로 나누기

CVD 반응기는 압력(대기압 / 저압 / 수 mTorr)과 반응 에너지원(열 / 플라즈마)으로 나뉜다. 압력은 그로브 모델의 hgh_g를 정하고(9장 4절), 에너지원은 ksk_s가 온도 말고 무엇으로 커지는지를 정한다.

APCVD · 760 Torr 가스 분사 헤드 벨트 컨베이어 + 히터 수송 제한, 빠름(µm/min) BPSG·두꺼운 산화막(과거) LPCVD · 0.1–1 Torr 반응 제한, 100–150장 폴리·질화막·TEOS, 600–800 °C PECVD · 1–10 Torr 샤워헤드(RF) 플라즈마 (ne ≈ 10¹⁰ cm⁻³) 히터 400 °C 매엽, 전자 충돌 해리 저온·빠름, H 함량·응력 조절 패시베이션·하드마스크·ILD HDP-CVD · 2–20 mTorr ICP ne ≈ 10¹¹–10¹² ESC + RF 바이어스 유도 결합 코일(구리) 증착과 스퍼터 식각 동시 STI·PMD 갭필 압력 ↓ → 평균 자유 행로 ↑, D ↑ (h_g ↑), 기상 반응 ↓, 처리량 ↓ · 플라즈마 → 같은 막을 300–400 °C 낮은 온도에서
그림 10-1. 네 가지 CVD 반응기(개념도). 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 압력이 낮아지고, PECVD·HDP는 열 대신 플라즈마 전자가 반응 에너지를 댄다.
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압력 축 위의 반응기: 평균 자유 행로·확산·영역

반응기 프리셋
평균 자유 행로 λ—
Kn (간격 10 mm)—
Kn (트렌치 100 nm)—
확산 계수 D (SiH₄)—
충돌 횟수 / 체류 0.1 s—
λ=kT/(2 πd2P)\lambda = kT/(\sqrt2\,\pi d^2 P) (분자 지름 0.4 nm), Kn=λ/L\mathrm{Kn} = \lambda/L, D∝T1.75/PD \propto T^{1.75}/P. 로그 압력 축 위에 각 반응기의 운전 범위를 띠로 그렸다. Kn>1\mathrm{Kn} \gt 1이면 분자가 벽끼리만 부딪히는 분자 유동(트렌치 속은 거의 항상 분자 유동—13장). 해볼 것: HDP 압력(5 mTorr)에서 λ가 1 cm를 넘어, 이온과 중성 입자가 쉬스·갭을 거의 충돌 없이 직진한다는 것을 확인하자.

배치 LPCVD: 고갈과 온도 경사 보정

FX 종형 퍼니스는 석영 튜브 안에 웨이퍼 150장(제품 125장 + 더미·모니터)을 약 6 mm 간격으로 세운다. 반응 제한이므로 웨이퍼 한 장 안의 균일도는 좋지만, 기체가 보트를 따라 흐르는 동안 반응물이 소모되므로 보트 위치에 따라 증착 속도가 달라진다. 실레인은 SiH4→Si+2H2\text{SiH}_4 \to \text{Si} + 2\text{H}_2로 분자 하나가 사라질 때 H₂ 두 개가 생기므로, 전체 압력을 일정하게 제어하면 SiH₄ 분압이 이중으로 떨어진다(소모 + 희석). 게다가 H₂는 흡착 자리를 빼앗는다(9장 6절).

Z5 상Z4Z3 중Z2Z1 하 SiH₄ 주입 배기 (H₂ 많음) 분압과 H₂ (보트 높이) p(SiH₄) ↓ p(H₂) ↑ 보정: 구역 온도 경사 T: 620 → 641 °C G ≈ 일정 보정 전 G
그림 10-2. FX 종형 LPCVD 퍼니스. 아래에서 주입한 SiH₄가 위로 가며 소모·희석되어(가운데) 위쪽 웨이퍼가 얇아진다. 위쪽 구역을 몇십 K 높여 ksk_s를 키우면(오른쪽, 약 2.5 %/K) 고갈을 상쇄한다. 길이 방향 다점 주입 인젝터도 같은 목적이다.
dFdz=−G(z) N AslotΔz,pSiH4=P FF+2(F0−F),G=G0 e−Eak(1T−1T0)θ(p,pH2)θ0\frac{dF}{dz} = -\frac{G(z)\,N\,A_{\text{slot}}}{\Delta z},\qquad p_{\text{SiH}_4} = P\,\frac{F}{F + 2(F_0 - F)},\qquad G = G_0\,e^{-\frac{E_a}{k}\left(\frac1T - \frac1{T_0}\right)}\frac{\theta(p, p_{H_2})}{\theta_0}
FF는 SiH₄ 몰 유량(분자/s), AslotA_{\text{slot}}은 웨이퍼 한 장의 양면(2 × 707 cm²) + 튜브 벽 몫(약 70 cm²), θ\theta는 랭뮤어-힌셜우드 피복률, G0G_0 = 9 nm/min(620 °C, 0.25 Torr 순수 SiH₄). 150장 × 1,480 cm² ≈ 22 m²의 표면이 기체를 먹는다. SiH₄ 1,000 sccm(4.5×10²⁰ 분자/s)을 넣으면 그 30–40 %가 막으로 바뀐다(1 sccm = 4.48×10¹⁷ 분자/s).
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FX 퍼니스 배치 고갈과 온도 경사 보정

제품 평균 G—
웨이퍼 간 1σ—
SiH₄ 이용률—
배기 H₂ 몰분율—
100 nm 증착 시간—
왼쪽: 보트(아래가 입구), 웨이퍼 색이 두께. 회색은 더미(슬롯 1–8, 134–150). 오른쪽: 슬롯별 증착 속도(실선), 구역 온도(빨강 점선, 오른쪽 축), SiH₄ 분압(점선). 모델은 위 식을 슬롯 단위로 적분한다. 해볼 것: ① 경사 0에서 1σ ≈ 10 %. ② 자동 보정을 누르면 약 20 K 경사에서 1σ ≲ 1 % (TF-300 목표). ③ 유량을 400 sccm으로 줄이면 이용률이 60 %를 넘어 위쪽의 SiH₄가 거의 남지 않으므로, 40 K 경사로도 보정되지 않는다. 경사 보정은 이용률이 약 40 % 이하일 때 통한다 — 처리량(유량)과 균일도의 교환. 순수 SiH₄에서는 분압이 몰분율로 정해지므로 다점 주입보다 유량이 먼저다.

샤워헤드 반응기: 체류 시간과 페클레 수

매엽 PECVD·ALD·SACVD는 웨이퍼 바로 위 10 mm 남짓한 거리에 수천 개의 구멍이 뚫린 샤워헤드(showerhead)를 둔다. 기체는 구멍에서 아래로 뿜어진 뒤 좁은 틈을 따라 반지름 방향으로 바깥으로 흘러 웨이퍼 둘레의 펌핑 링으로 빠진다. 면 전체에 고르게 주입하므로, 웨이퍼 중심의 기체가 가장자리로 갈수록 연속해서 보충된다. 이 흐름을 세 숫자로 요약한다.

τ=VgapQact=πR2hQstd P0PTT0,u(r)=w r2h,Pe=u(R) RD,tres(r0)=2hwln⁡Rr0\tau = \frac{V_{\text{gap}}}{Q_{\text{act}}} = \frac{\pi R^2 h}{Q_{\text{std}}\,\frac{P_0}{P}\frac{T}{T_0}},\qquad u(r) = \frac{w\,r}{2h},\qquad \mathrm{Pe} = \frac{u(R)\,R}{D},\qquad t_{\text{res}}(r_0) = \frac{2h}{w}\ln\frac{R}{r_0}
τ\tau는 평균 체류 시간, w=Qact/πR2w = Q_{\text{act}}/\pi R^2는 샤워헤드 면 주입 속도, u(r)u(r)는 반지름 rr에서의 바깥쪽 유속(연속 방정식), Pe\mathrm{Pe}는 페클레 수(Péclet number)로 대류 대 확산의 비. tres(r0)t_{\text{res}}(r_0)는 반지름 r0r_0에서 주입된 기체가 바깥까지 가는 시간으로, 중심(r0→0r_0 \to 0)에서 로그로 길어진다.
샤워헤드 (구멍 지름 ≈ 0.5 mm, 수천 개) · RF 전극 히터 (400 °C) 펌핑 링 h ≈ 10 mm u(r) = w r / 2h : 바깥으로 갈수록 빨라진다 (화살표 굵기) 중심 기체는 체류 시간이 가장 길다 → 해리·기상 반응이 더 진행 → 중심 두께·입자에 영향
그림 10-3. 샤워헤드 반응기의 흐름(높이 과장). 면 주입 + 반지름 방향 배출 구조라서 유속이 반지름에 비례해 커진다. 웨이퍼 반지름 방향 두께 분포의 계산은 14장에서 한다.
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샤워헤드 틈의 흐름과 체류 시간 분포

평균 체류 τ—
중심(r₀=1 cm) 체류—
가장자리 유속 u(R)—
페클레 수 Pe—
구멍 분사 속도—
위: 틈 단면(높이 과장)에서 주입 위치별로 색을 칠한 기체 입자가 실제 u(r)u(r)로 흐른다. 아래: 체류 시간 분포(면적 가중 주입, RR = 16.5 cm). 구멍 3,000개·지름 0.5 mm, 확산 계수는 SiH₄ 기준. 해볼 것: ① 압력을 3→6 Torr로 올리면 τ가 두 배, Pe도 두 배(D∝1/PD \propto 1/P). ② 유량을 늘리면 τ가 줄어 해리가 덜 진행된다(다음 절). ③ Pe가 10을 넘으면 반지름 방향 농도 분포가 대류로 정해진다.

PECVD: 열 대신 전자가 분자를 깬다

400 °C에서 SiH₄의 열분해 ksk_s는 620 °C보다 약 1만 배 작다(아레니우스, 1.7 eV). 그런데 PECVD는 400 °C에서 300 nm/min을 낸다. 플라즈마 안의 전자는 온도가 수만 K(Te≈2–4T_e \approx 2\text{–}4 eV)라서, 기체·웨이퍼는 차가워도 전자 충돌로 분자를 깨뜨려 SiH₃, SiH₂, O, NH₂ 같은 래디컬을 만든다. 래디컬은 부착 계수가 크고 표면 반응 장벽이 거의 없어 낮은 온도에서도 빠르게 막이 된다. 플라즈마 자체의 원리(쉬스, 전자 가열, 자기 바이어스)는 EtchBook 플라즈마 장을 보자.

샤워헤드 (HF 13.56 MHz) 쉬스 쉬스 (이온 가속) 웨이퍼 400 °C (LF 400 kHz 바이어스 가능) e⁻ SiH₄ SiH₃ (래디컬) H e + SiH₄ → SiH₃ + H + e (문턱 ≈ 8 eV) 래디컬 확산 → 흡착 이온⁺ 이온 충격: 치밀화, H 제거 400 °C에서 SiH₄ 분해 열: k ∝ e−1.7 eV/kT → G ≈ 0.001 nm/min 전자: ne·kdiss(Te) Te ≈ 2.5 eV ≈ 29,000 K → G ≈ 300 nm/min (TF-300 PE, HF 500 W, 3 Torr)
그림 10-4. PECVD 플라즈마의 세 가지 작용. ① 전자 충돌 해리로 래디컬 생성, ② 래디컬이 확산해 표면에 흡착·반응, ③ 쉬스에서 가속된 이온이 성장 중인 막을 두드려 치밀하게 한다. 웨이퍼 온도는 막질(H 함량)을 정하는 보조 손잡이가 된다.
kdiss(Te)=∫Eth∞σ(E)2Eme f(E) dE,f(E)=2πETe3/2e−E/Te,ν=nekdiss,X=1−e−ντk_{\text{diss}}(T_e) = \int_{E_{th}}^{\infty}\sigma(E)\sqrt{\frac{2E}{m_e}}\,f(E)\,dE,\qquad f(E) = \frac{2}{\sqrt\pi}\frac{\sqrt{E}}{T_e^{3/2}}e^{-E/T_e},\qquad \nu = n_e k_{\text{diss}},\quad X = 1 - e^{-\nu\tau}
f(E)f(E)는 맥스웰 전자 에너지 분포(EEDF), σ(E)=σ0(1−Eth/E)\sigma(E) = \sigma_0(1 - E_{th}/E)는 문턱 EthE_{th} 위의 해리 단면적, ν\nu는 분자 하나가 단위 시간에 깨질 빈도, XX는 체류 시간 τ\tau 동안 해리되는 비율. 문턱이 TeT_e의 몇 배나 되므로 kdissk_{\text{diss}}는 분포의 꼬리에만 의존해 TeT_e에 지수적으로 민감하다. N₂(문턱 약 9.8 eV)가 NH₃(약 5.6 eV)보다 훨씬 덜 깨지므로 PECVD 질화막에는 NH₃를 섞는다.
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전자 에너지 분포와 해리 속도 → 증착 속도

막
전자 온도 Te—
전자 밀도 ne—
kdiss(SiH₄)—
SiH₄ 해리율 X—
증착 속도—
TeT_e는 입자 균형의 경향을 따르는 근사 Te≈1.5+1.8/PdT_e \approx 1.5 + 1.8/\sqrt{P d} eV(P: Torr, d: cm), ne≈8×109(W/500)0.9(3/P)0.3n_e \approx 8\times10^{9}(W/500)^{0.9}(3/P)^{0.3} cm⁻³, 증착 속도는 해리율에 비례하도록 TF-300 기준점(HF 500 W, 3 Torr, 10 mm에서 산화막 300, 질화막 100 nm/min)에 맞췄다. 막대는 기체별 kdissk_{\text{diss}}(로그). 해볼 것: ① 압력을 올리면 TeT_e가 떨어져 꼬리가 줄고, 대신 체류 시간이 길어진다 — 두 효과의 경쟁. ② 질화막에서 N₂와 NH₃의 kk 차이를 확인하자. ③ HF 전력을 1,000 W로 올리면 해리율이 포화에 가까워져 속도가 덜 오른다(SiH₄ 공급 제한).

아래 3D 모델은 TF-300 PE 모듈의 평행판 챔버다. 위쪽 샤워헤드에서 내려온 기체(분홍)가 플라즈마 안에서 해리되어 래디컬(보라)이 되고, 일부는 웨이퍼에 막으로 붙고 나머지는 둘레의 펌핑 링으로 빠진다. 간격과 압력, 전력을 바꾸면 위의 해리·체류 모델로 계산한 속도가 바뀌고, 웨이퍼 색이 반지름 방향 두께 분포(가장자리 전기장 강화 포함)를 보여 준다.

3D

TF-300 PE 샤워헤드 챔버

증착 속도(중심)—
반지름 균일도 1σ—
체류 시간 τ—
최대 쉬스 전압—
드래그로 회전, 휠로 확대. 간격(높이)은 보기 좋게 5배 과장했다. 웨이퍼 색: 밝을수록 두껍다(가장자리 링은 전극 끝 전기장 강화). 플라즈마 밝기는 nen_e, 쉬스 두께는 최대 전압에 따라 바뀐다. 해볼 것: 간격을 5 mm로 줄이면 가장자리 효과가 커져 균일도가 나빠지고 체류 시간도 짧아 속도가 준다. 25 mm로 늘리면 TeT_e는 낮아지지만 체류 시간이 길어져 속도는 오히려 늘고 균일도도 좋아진다 — 대신 기상 반응·입자 위험과 가스 소비가 커진다.

이중 주파수 쉬스와 이온 에너지 분포

PECVD에서 이온은 막을 ∼\sim1 % 남짓만 만들지만 막질을 크게 바꾼다. 성장 중인 표면을 두드려 약한 결합의 H를 떼어 내고, 원자를 빈자리로 밀어 넣어(원자 피닝(atomic peening)) 막을 치밀하고 압축 응력 쪽으로 만든다. 이온 에너지는 쉬스 전압이 정한다. 13.56 MHz 주기(74 ns)는 이온이 쉬스를 건너는 시간보다 짧아 이온이 평균 전압만 느끼지만, 400 kHz 주기(2.5 µs)는 훨씬 길어 이온이 순간 전압을 따라가므로 에너지 분포가 넓고 높은 쪽 꼬리가 길어진다. 그래서 LF 전력은 “이온 에너지 손잡이”, HF 전력은 “밀도(해리) 손잡이”로 나눠 쓴다.

쉬스 전압 V(t) HF만: 작은 진폭, 빠름 +LF 400 kHz: 큰 진폭, 느림 이온 에너지 분포 (무충돌 근사) HF HF+LF: 넓은 두 봉우리 이온 에너지 → (실제 수 Torr 쉬스는 충돌이 많아 낮은 쪽으로 번진다)
그림 10-5. 이중 주파수 쉬스. 이온 전이 시간 τi\tau_i와 주기 2π/ω2\pi/\omega의 비가 핵심이다. ωτi≫1\omega\tau_i \gg 1(HF)이면 이온이 평균 전압만 느껴 좁은 분포, ωτi≪1\omega\tau_i \ll 1(LF)이면 순간 전압을 따라가 최솟값부터 최댓값까지 넓은 분포가 된다.
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충돌성 쉬스 이온 몬테카를로: 이온 에너지 분포

VHF / VLF 진폭—
쉬스 두께 / λ이온—
평균 이온 에너지—
30 eV 초과 비율—
이온(30 amu) 2,000개를 무작위 위상에서 쉬스 가장자리에 놓고, 차일드 법칙 전위 ϕ(x)=V(t)(x/s)4/3\phi(x) = V(t)(x/s)^{4/3} 속에서 운동 방정식을 0.25 ns 간격으로 적분한다. 전하 교환 충돌(σ\sigma = 5×10⁻¹⁹ m², 평균 자유 행로 λ\lambda)이 일어나면 속도가 0으로 초기화된다. V(t)=15+VHF(1+sin⁡ωHt)+VLF(1+sin⁡ωLt)V(t) = 15 + V_{HF}(1+\sin\omega_H t) + V_{LF}(1+\sin\omega_L t). 위: 한 LF 주기의 쉬스 전압. 해볼 것: ① 충돌을 끄고 LF를 켜면 그림 10-5의 넓은 두 봉우리가 나온다. ② 충돌을 켜면(3 Torr, s/λ≈15s/\lambda \approx 15) 분포가 낮은 쪽으로 무너지지만 LF가 꼬리를 키운다. ③ 압력을 1 Torr로 낮추면 평균 에너지가 세 배쯤 된다.

수소 함량·밀도·응력: LF 비율로 막질 조절

PECVD 막의 질을 한 숫자로 요약하면 증착 원자 하나가 받은 이온 에너지 Ep=ΓiEˉi/ΓdepE_p = \Gamma_i\bar E_i/\Gamma_{\text{dep}} (eV/atom)이다. EpE_p가 작으면(HF만, 빠른 증착) 막에 Si–H, N–H 결합과 미세 공극이 많이 남아 밀도가 낮고, 이후 H가 빠지며 수축하려 하므로 인장 응력이 된다. EpE_p가 커지면(LF 추가) H가 떨어져 나가고 원자 피닝으로 막이 부풀려 끼워져 압축 응력이 된다. 웨이퍼 온도를 올리면 H가 열적으로 더 빠진다. TF-300 PE 모듈은 이 원리로 질화막 응력을 −300 ~ +300 MPa 사이에서 고른다. 응력이 웨이퍼 휨으로 어떻게 측정되는지는 15장에서 다룬다.

Ep=Γi EˉiΓdep,σ≈σt e−Ep/E1 (1+T−400400)−σc(1−e−Ep/E2),[H]≈[H]0 e−(T−300)/250 11+Ep/E3E_p = \frac{\Gamma_i\,\bar E_i}{\Gamma_{\text{dep}}},\qquad \sigma \approx \sigma_t\,e^{-E_p/E_1}\,(1+\tfrac{T-400}{400}) - \sigma_c\left(1 - e^{-E_p/E_2}\right),\qquad [\mathrm{H}] \approx [\mathrm{H}]_0\,e^{-(T-300)/250}\,\frac{1}{1+E_p/E_3}
Γi\Gamma_i는 이온 플럭스(∼1014\sim10^{14} cm⁻²s⁻¹, 증착 원자 플럭스의 수 %), Eˉi\bar E_i는 평균 이온 에너지(앞 절), Γdep=G N\Gamma_{\text{dep}} = G\,N은 막 원자 도착 플럭스. 응력 식은 인장 성분(공극·H 수축)과 원자 피닝 압축 성분을 더한 교육용 근사이며, 상수는 TF-300 범위에 맞췄다(질화막 σt\sigma_t = 650, σc\sigma_c = 660 MPa, E1E_1 = 0.6, E2E_2 = 0.8, E3E_3 = 1 eV).
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HF × LF 막질 지도: 응력·수소·밀도

막
증착 속도—
Ep (eV/atom)—
응력—
H 함량—
밀도 / 굴절률—
습식 식각률 비—
지도: 가로 HF, 세로 LF, 색은 응력(파랑 = 압축, 빨강 = 인장), 굵은 선은 0 MPa 등고선, 점선은 ±300 MPa. 막대: H 함량, 상대 밀도, 습식 식각률 비(열산화막·LPCVD 막 대비). 해볼 것: ① 질화막에서 LF를 0→500 W로 올리면 응력이 약 +200에서 −300 MPa로 넘어간다. ② 온도를 250 °C로 낮추면 H가 늘고 식각률이 커진다 — 저온 공정(유기막 위 증착)의 대가. ③ HF만 올리면 증착이 빨라져 EpE_p가 오히려 줄어든다.

HDP-CVD: 증착하며 깎는 갭필

HDP-CVD는 수 mTorr의 유도 결합 플라즈마(ICP, ne∼1011–12n_e \sim 10^{11\text{–}12} cm⁻³)로 SiH₄/O₂를 해리하고, 웨이퍼에 RF 바이어스를 걸어 Ar⁺ 이온으로 증착 중인 막을 동시에 스퍼터 식각한다. 낮은 압력이라 중성 입자도 대부분 직진하므로 바닥에 잘 쌓이고, 트렌치 입구 모서리에 생기려는 오버행은 스퍼터 수율이 가장 큰 45° 근처 경사면(패싯(facet))으로 깎여 열린 상태를 유지한다. 이 균형을 증착-식각 비(etch-to-deposition ratio, E/D)로 표현한다. E/D가 너무 작으면 입구가 먼저 막혀 보이드가 생기고, 너무 크면 모서리가 깎여 아래 라이너·질화막 정지층이 드러난다(클리핑). 고종횡비 갭필의 전체 그림은 13장에서 다룬다.

E/D 작음 → 보이드 보이드 적정 E/D → 상향식 채움 45° 패싯 E/D 큼 → 모서리 깎임 라이너 노출·손상
그림 10-6. HDP 갭필의 세 경우(개념도). 회색: Si 트렌치, 파랑: 증착 산화막. 적정 E/D(대략 0.1–0.3)에서 모서리는 45° 패싯으로 열려 있고 바닥이 위로 차오른다.
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HDP 갭필: E/D 비와 보이드·클리핑

결과—
바닥 채움—
모서리 깎임—
유효 E/D 창—
왼쪽: 시간에 따른 단면 윤곽(가는 선 = 과거 윤곽). 오른쪽 아래: E/D를 0–0.6으로 훑은 최종 결과(바닥 채움률 실선, 모서리 깎임 점선). 모델(반쪽 단면): 바닥 h˙=D[(1−f)+fFb]−rD\dot h = D[(1-f)+fF_b] - rD, 입구 오버행 o˙=D(0.5f+0.08(1−f))−0.45 rDY45\dot o = D(0.5f + 0.08(1-f)) - 0.45\,rDY_{45}, 윗면 t˙=D(1−r)\dot t = D(1-r), FbF_b는 바닥에서 본 입구의 시야 계수, Y45≈1.5Y_{45} \approx 1.5는 45° 상대 스퍼터 수율. 해볼 것: AR 3에서 E/D를 0.05→0.2로 올려 보이드가 사라지는 것을 확인하고, 0.4 이상에서 클리핑을 보자. 등방 비율(압력↑)이 커지면 창이 좁아진다.

에피택시 성장 기초

에피택시(epitaxy)는 단결정 기판 위에 같은 결정 방위를 이어받은 단결정 막을 기르는 CVD다. 원자가 표면을 충분히 돌아다니며 계단 자리에 들어가야 하므로 표면 확산이 빠른 고온(Si: SiH₂Cl₂/H₂ 1,000–1,100 °C, 저온 SiGe: 550–700 °C)과 산소·탄소가 없는 깨끗한 표면(H₂ 베이크)이 필요하다. 고온 에피는 그로브 모델의 수송 제한 쪽에 있어 반응기 유동 설계가 두께 균일도를 정한다. HCl을 섞으면 산화막·질화막 위의 핵생성을 식각으로 지워 Si가 드러난 곳에만 자라게 할 수 있다(선택적 에피(selective epitaxial growth, SEG)). 소스/드레인의 SiGe·SiP 융기 구조가 대표 응용이다.

게이트 SiGe 에피SiGe 에피 산화막 위: 성장 없음 (HCl) (111) 패싯 Si 기판 (단결정) — 결정 방위를 그대로 이어받는다
그림 10-7. 선택적 에피 성장(개념도). 소스/드레인의 Si가 드러난 곳에만 SiGe가 자라고, 성장 속도가 느린 (111) 면이 패싯으로 드러난다. 색은 막 종류 구분용(SiGe에는 고유전율 색을 빌렸다).
반응기 고르기 요약FX 퍼니스(LPCVD): 반응 제한·대량 배치·좋은 피복성, 대신 600–800 °C 열 예산과 느린 속도(폴리 약 9, 질화막 약 2.5 nm/min). PE 모듈(PECVD): 400 °C·빠름(산화막 약 300 nm/min), 대신 H 함량·응력·피복성(래디컬의 큰 부착 계수)을 관리해야 한다. HDP: 좁은 갭을 상향식으로 채우지만 플라즈마 손상과 모서리 깎임을 감시해야 한다. 고종횡비 컨포멀 막은 ALD(11장)로 넘어간다.

핵심 정리

  1. 반응기는 압력(760 Torr / 0.1–1 Torr / 1–10 Torr / mTorr)과 에너지원(열 / 플라즈마)으로 나뉜다. 압력이 낮을수록 λ·D가 커져 반응 제한·기상 반응 억제, 대신 처리량이 준다.
  2. 배치 LPCVD는 웨이퍼 22 m²가 반응물을 먹어 보트 위로 갈수록 SiH₄ 분압이 소모·H₂ 희석으로 떨어진다. 위쪽 구역을 약 20 K 높이는 온도 경사나 다점 인젝터로 웨이퍼 간 1σ ≲ 1 %를 맞춘다.
  3. 샤워헤드 반응기는 면 주입·반지름 배출이라 u(r)=wr/2hu(r) = wr/2h, 중심 체류 시간이 로그로 길다. 체류 시간 τ\tau와 페클레 수가 해리·균일도의 척도다.
  4. PECVD는 Te≈2–3T_e \approx 2\text{–}3 eV 전자의 분포 꼬리가 분자를 깨 400 °C에서도 빠르다. kdissk_{\text{diss}}는 TeT_e에 지수적으로 민감하고, N₂는 NH₃보다 훨씬 덜 깨진다.
  5. HF는 밀도(해리), LF는 이온 에너지 손잡이다. LF 주기는 이온 전이 시간보다 길어 이온 에너지 분포가 넓어진다.
  6. 원자당 이온 에너지 EpE_p가 커지면 H↓·밀도↑·응력은 인장→압축. TF-300 PE 질화막은 LF 비율로 −300 ~ +300 MPa.
  7. HDP-CVD는 E/D ≈ 0.1–0.3에서 45° 패싯으로 입구를 열어 둔 채 상향식으로 채운다. 작으면 보이드, 크면 클리핑.

확인 퀴즈

1. 종형 LPCVD 폴리 공정에서 보트 위쪽(배기 쪽) 웨이퍼가 아래쪽보다 10 % 얇다. 가장 표준적인 보정은?

반응 제한이므로 증착 속도는 약 2.5 %/K로 온도에 민감하다. 고갈로 분압이 떨어지는 위쪽을 몇 K–수십 K 높이면 ksk_s가 커져 보상된다. 균일하게 올리면 차이는 그대로이고, 간격을 좁히면 웨이퍼 안 균일도가 나빠진다.

2. SiH₄ → Si + 2H₂ 반응에서 공정 압력을 일정하게 제어하면, SiH₄의 절반이 소모된 지점의 SiH₄ 분압은 입구의 몇 배인가? (입구는 순수 SiH₄)

남은 SiH₄ F0/2F_0/2, 생긴 H₂ 2×F0/2=F02\times F_0/2 = F_0. 몰분율 = 0.5/(0.5+1) = 1/3. 소모와 희석이 겹쳐 분압이 소모 비율보다 더 빨리 떨어진다.

3. 샤워헤드 반응기에서 압력을 3 Torr에서 6 Torr로 올리고 표준 유량은 그대로 두었다. 평균 체류 시간과 페클레 수는?

실제 부피 유량 Qact∝1/PQ_{\text{act}} \propto 1/P이므로 τ\tau는 두 배, 유속 uu는 절반이 된다. 확산 계수 D∝1/PD \propto 1/P도 절반이므로 Pe=uR/D\mathrm{Pe} = uR/D는 변하지 않는다. 같은 표준 유량에서 압력을 바꾸면 대류와 확산의 균형은 그대로이고, 체류 시간(해리·기상 반응 시간)만 늘어난다. Pe를 바꾸려면 유량이나 간격을 바꿔야 한다.

4. PECVD 질화막에 N₂만 쓰지 않고 NH₃를 섞는 주된 이유는?

kdissk_{\text{diss}}는 맥스웰 분포 꼬리 e−Eth/Tee^{-E_{th}/T_e}에 지배된다. 문턱 차이 4 eV는 TeT_e = 2.5 eV에서 e−4/2.5≈0.2e^{-4/2.5} \approx 0.2배보다 훨씬 큰 차이(단면적·분포 형태 포함 수십 배)를 만든다. 대가로 NH₃는 막에 N–H 결합(수소)을 남긴다.

5. 이중 주파수 PECVD에서 400 kHz LF 전력을 늘리면 막에 일어나는 변화로 옳은 것은?

LF 주기(2.5 µs)는 이온 전이 시간보다 길어 이온이 순간 쉬스 전압을 따라가므로 높은 에너지 꼬리가 생긴다. 원자당 이온 에너지 EpE_p가 커져 H 제거·원자 피닝 → 밀도↑, 압축 응력.

6. HDP-CVD STI 갭필에서 트렌치 가운데 보이드가 생겼다. 다른 조건이 같다면 어느 쪽으로 조정해야 하는가?

보이드는 입구 오버행이 먼저 붙어서 생긴다. 바이어스(Ar⁺ 스퍼터)를 올려 E/D를 키우면 45° 패싯이 오버행을 깎아 입구를 열어 둔다. 압력을 높이면 등방 성분이 늘어 오버행이 더 자란다. 단, E/D가 너무 크면 모서리 클리핑이 생긴다.