[반도체 공정] 차세대 반도체 기술, 원자층 증착 (Atomic Layer Deposition, ALD)이란? <1. 기본 원리>

반도체 공정에서 박막 증착법인 원자층 증착 (Atomic Layer Deposition, ALD)에 대해 이해하기.

요새 뉴스를 보면 반도체 공정에서 칩 미세화 경쟁이 불타오르고 있는 걸 볼 수 있습니다.

반도체 칩이 점점 작고 복잡한 구조를 이룰수록, 복잡한 기판 상에 얇고 균일하게 박막을 증착(deposition)할 수 있는 기술이 필수적입니다. 이때, 장점을 발휘할 수 있는 기술이 원자층 증착법입니다.

 

여러가지 증착 방법 중에 원자층 증착 (ALD)이 많은 인기를 끌고 있는 이유는 원자층 증착법을 사용하면 아주 얇은 고품질의 박막을 만들 수 있기 때문입니다.

 

원자층 증착은 말 그대로 원하는 물질을 타겟 기판 위에 원자층 단위로 쌓아 올리는 증착 방법으로, 물질을 한층 한층 쌓아 올릴 수 있기 때문에 나노 단위, 아니 옹스트롬 단위로 박막을 증착할 수 있습니다.

 

다른 공정과 달리 원자층 증착법만이 얇고 균일한 박막을 증착할 수 있는 이유는 원자층 증착법의 과학적 원리에 있습니다. 

 

원자층 증착법은 기본적으로 박막의 원료가 되는 전구체 그리고 반응물을 기판 위에 순차적으로 노출 시키는 과정을 반복하면서 박막을 성장시킵니다. 여기에서 핵심은 전구체가 기판 위에 표면화학반응에 의해 흡착이 이루어지는 것입니다.

 

아래에는 조금 더 자세히 공정에 대해서 설명하겠습니다.

---

원자층 증착 (ALD)의 공정 과정 (모든 과정은 진공 챔버 안에서 이루어집니다.)

1. 기판 위에 전구체 가스를 주입.
2. 잔여 전구체 제거를 위해 비활성 기체 주입 (purge).
3. 반응물 가스 주입.
4. 잔여 반응물 제거를 위해 비활성 기체 주입 (purge).

1단계

먼저, 기판 위에 전구체 가스를 주입하면, 기판 표면에 전구체의 화학 흡착이 발생합니다. (물리 흡착과 달리 화학흡착은 기판과 전구체 사이에 강한 화학 결합을 형성하게 됩니다.) 

 

여기에서 핵심은, 전구체는 기판에 표면 화학 반응을 통해 흡착될 수 있지만, 전구체와 전구체 사이의 화학 반응을 발생하지 않아야 합니다.

 

따라서, 표면에 흡착된 전구체와 가스상 전구체 사이의 화학 반응은 일어나지 않기 때문에, 전구체는 기판 표면에 한 층만을 형성하면서 흡착됩니다.

<<위의 현상은, 다른 박막 증착법들과 구별되는 ALD의 특징으로, 자기 제한적(self-limitation) 반응이라고 합니다.>>

 

2단계

그리고 다음 단계로 비활성 기체를 챔버 내에 주입하여 흡착된 전구체 위에 물리적으로 흡착된 잔여 전구체들을 제거해주면, 깔끔하게 기판 표면에 흡착된 전구체만 남습니다.

 

3단계

다음 단계는 흡착된 전구체와 반응할 수 있는 반응물을 주입해줍니다. 

반응물은 흡착된 전구체와 화학 반응을 통해 흡착됩니다.

반응물은 1) 박막의 구성 요소가 될 수도 있고, 2) 반응물이 흡착한 뒤에는 그 다음 사이클에서 주입된 전구체가 표면에 흡착할 수 있도록 해줍니다.

 

4단계

마지막으로는, 2단계와 마찬가지로 purge를 통해 잔여 반응물을 제거해주면, 한 층의 박막이 완성됩니다. 

 

일반적으로, 위의 4가지 단계를 ALD의 한 사이클이라고 하고, 이론적으로는 한 사이클 당 한층의 박막이 증착될 수 있습니다.

---

이상 원자층 증착 공정의 기본 원리에 대해서 살펴봤습니다.

 

다음으로는 공정에 대해서 더 자세히 알아보기 위하여 실제 공정에서 쓰이는 물질에 대해서 알아보도록 하겠습니다.