Atomic Layer Deposition
ALD 기술은 CVD 기술과 달리 반응 원료를 각각 분리하여 공급하는 방식으로 한
cycle 증착 시에 표면 반응에 의해 1ML(monolayer) 이하의 박막이 성장하게 된
다.
ALD 기술에서의 반응은 그림 1.에서 보는 바와 같이 먼저 AXn가 공급된 뒤
A 원소가 기판 위에 흡착하게 된다. 이 때 AXn 원료끼리의 흡착은
physisorption으로 이루어져 결합력이 약하기 때문에 쉽게 떨어질 수 있으며,
반 면 기판과 흡착한 A 원소는 기판과 chemisorption으로 더 강한 결합을 하기
때문에 그 다음 단계인 purge 단계에서 physisorption한 반응 원료는 모두 떨어
져 나가 제거되고 chemisorption한 A 원소는 흡착된 채로 남아 있게 된다. 이러
한 chemisorption과 physisorption의 차이에 의해 ALD 기술에서 원자층 단위
의 조절이 가능하게 된다.
이후에 AB 화합물을 만들기 위해 BYm를 공급하게 되면, BYm과 기판에 흡착되
어 있는 A 원소가 서로 반응을 통해 A-B 결합이 이루어지게 되고 mY와 nX는
결합하여 부산물로서 기상으로 빠져나가게 된다. 마찬가지로 이후에 purge를
통해 physisorption하고 있는 BYm는 모두 제거되고 monolayer만큼 성장하게
된다.
이와 같은 과정이 한 cycle로 구성되며 증착 속도는 ligand의 size 효과로 인해
보통 cycle 당 monolayer 이하로 나타나는 특성을 보인다.
< ALD의 특징 및 CVD와의 비교 >ALD 기술의 경우 표면 반응을 이용하여 원자
층 단위로 박막을 성장시키며 cycle 수에 따라 증착되는 박막의 두께가 결정되기
때문에 박막의 두께 조절이 매우 용이하다. 또한 대면적의 기판에서 CVD 보다
우수한 박막의 두께 균일성 특성을 나타내며, 재현성 또한 우수한 특성을 보인다.
그리고, 반응 원료의 열분해 반응을 이용하는 CVD와 달리 ALD는 반응 원료의
chemisorption을 이용하기 때문에 CVD 보다 증착 온도를 낮출 수 있는 장점이
있다.
CVD는 반응 원료의 유량 및 증착 온도, 시간 등에 매우 민감한 특성을 나타내어
공정 조건을 확립하기가 어려우나 ALD의 경우 self-limited mechanism을
이용하기 때문에 일정량 이상의 반응 원료가 공급되면 그 이상의 반응 원료의 양
에 민감하지 않으며, 증착 온도에도 크게 영향 받지 않는 특성을 나타낸다. 그러
나, ALD 기술은 원자층 단위로 증착을 하기 때문에 증착 속도가 보통
0.5Å~2Å/cycle 정도로 상당히 느리다. 이 때문에 ALD의 경우 수 백Å 이상의
두께를 가지는 박막을 증착하는 데에는 어려움이 있으며, 이러한 박막의 경우는
주로 증착 속도가 ALD에 비해 빠른 CVD를 이용한다. ALD 기술은 주로 매우
얇은 박막을 증착하는 데 이용되며 gate dielectric이나 DRAM에서의
capacitor 등을 증착하는 데에 주로 이용되고 있다.
ALD의 경우 반응 원료의 chemisorption과 ligand의 exchange reaction을
이용하며, 증착 온도에서 열분해 반응이 발생해서는 안되므로 반응 원료의 제약
이 많은 단점이 있다. 또한 CVD 보다 저온 공정이므로 CVD에 비해 불순물이
함유될 가능성이 높다. < 삼성분계 물질의 증착 > 지금까지 ALD의 연구는 주로
이성분계 물질에 국한되어 이루어졌다.
삼성분계 물질은 박막의 조성의 균일성 문제 및 반응 원료 선택의 어려움 등으로
인해 지금까지는 거의 연구가 이루어지지 않았다. 삼성분계의 경우 예를
들어 ABO3와 같은 산화물을 증착한다고 할 때,
A 원료 물질과 산화제를 이용하여 AOx, B 원료 물질과 산화제를 이용하여
BO3-x를 각각 증착하고 각각을 하나의 단위로 하여 비율을 조절하여 공정을
진행할 수 있다. AOx 및BO3-x의 각각 증착 속도는 보통 서로 같지 않으며 이와
같은 경우 A와 B의 비율을 같게 하면 박막 내에 A와 B의 조성비가 불일치하게
나타나는 문제점이 발생한다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 삼성분계 물질의 증착시 한 cycle에서의 AOx와
BO3-x의 비를 달리 하며 조성비가 맞는 조건을 찾아야 한다. 또한 AOx와
BO3-x surface 위에서의 BO3-x 및 AOx의 결합은 이성분계 물질에서와 매우
다른 특성을 나타내기 때문에 ALD를 이용한 삼성분계 물질의 증착에는 어려움
이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 근래에는 A 원소와 B 원소가 이미 결합
되어 있는 반응 원료를 사용하는 ALD 기술도 연구가 되어지고 있으며 A-B
bonding이 반응 원료 내에서 이미 잘 이루어져 있는 경우, 이성분계 물질을
증착하는 공정과 마찬가지 로 진행하여 각각 단일 원료를 이용할 때에 비해
비교적 간단하게 삼성분계 물질을 얻을 수 있다.
marobsabet님의 블로그 | 고슴토치
http://blog.naver.com/marobsabet/130016344991[출처] ALD |작성자 제이벡 Jvac