에피택시와 CVD의 차이점은 무엇입니까

칩 제조의 박막 증착 공정에서는 에피택시와 화학기상증착이라는 두 가지 기술이 함께 언급되는 경우가 많지만 근본적으로 다릅니다. 그들은 사촌과 같으며 둘 다 "증기 성장" 계열에 속하지만 뚜렷한 특성과 강점을 가지고 있습니다. 때로는 명확하게 분리되어 있는 경우도 있습니다. 때로는 특정 조건에서 서로 변신하여 공존할 수도 있습니다.

I. 근본적인 차이점: 하나는 베끼는 것이고, 다른 하나는 그래피티이다

화학 기상 증착(CVD)은 가장 일반적인 박막 증착 방법입니다. 그 원리는 간단합니다. 대상 원소를 포함하는 가스가 반응 챔버로 유입되고, 그곳에서 가열된 웨이퍼 표면에서 화학 반응이 일어나 고체 박막이 생성됩니다. CVD 생성 필름은 공정 조건에 따라 다결정, 비정질 또는 단결정이 될 수 있습니다. 이는 벽을 칠하는 것과 같습니다. 벽의 결정 구조에 관계없이 페인트는 단순히 필름으로 굳어집니다. CVD 증착된 이산화규소, 질화규소, 다결정 실리콘 등은 기판과의 격자 매칭 요구 사항이 엄격하지 않습니다.

반면에 비문은 CVD 계열의 "고귀한 가지"입니다. 요구 사항은 훨씬 더 엄격합니다. 증착된 필름은 기판과 동일한 결정 구조와 방향을 가져야 하며 기판의 격자 배열을 완벽하게 복제하기 위해 원자가 층별로 "성장"해야 합니다. 에피택시는 동일한 템플릿을 사용하여 벽돌을 복사하는 것과 같습니다. 새로 건설된 벽은 이전 벽의 벽돌 접합부와 완벽하게 정렬되어야 합니다. 에피택셜 레이어는 일반적으로 단결정 실리콘, 게르마늄 실리콘, 실리콘 카바이드 등으로 트랜지스터의 활성 영역 및 이종 접합과 같은 핵심 구조를 구성하는 데 사용됩니다.

간단히 말해서, 모든 에피택시는 CVD이지만 모든 CVD가 에피택시는 아닙니다. 에피택시는 특정 조건에서 달성되는 CVD의 "단결정 복제" 모드입니다.

II. 공정 조건의 차이

CVD는 프로세스 범위가 매우 넓습니다. 온도는 실온에서 섭씨 수천도까지, 압력은 대기압에서 수 파스칼까지 다양하며, 가스의 종류도 매우 다양합니다. 가스가 반응하여 고체 박막을 형성하도록 하는 모든 공정을 CVD라고 부를 수 있습니다. 플라즈마 강화 CVD는 300~400°C에서 질화규소를 증착하고, 600~700°C에서 저압 CVD, 900°C 이상의 온도에서 대기압 CVD를 사용하여 이산화규소를 증착할 수 있습니다. CVD는 기판에 대한 요구 사항이 거의 없습니다. 실리콘, 유리, 금속, 심지어 플라스틱(저온 조건에서)까지 모두 증착할 수 있습니다.

반면에 에피타핑은 프로세스 범위가 훨씬 더 좁습니다. 완벽한 단결정층을 성장시키기 위해서는 세 가지 엄격한 조건이 충족되어야 합니다.

첫째, 기판은 단결정이어야 합니다. 에피택셜 층은 기판 결정 격자의 연속입니다. 기판 자체가 다결정이거나 비정질이면 단결정 에피층을 성장시킬 수 없다.

둘째, 온도가 충분히 높아야 합니다. 실리콘 에피택시의 경우 온도는 일반적으로 1000~1200°C입니다. 탄화규소 에피택시의 경우 온도는 1500~1600°C까지 올라갈 수 있습니다. 높은 온도는 흡착된 원자에 충분한 표면 이동성을 제공하여 결정 격자에서 올바른 위치를 찾을 수 있도록 합니다.

셋째, 성장률이 느려야 한다. 속도가 너무 빠르면 원자가 "정렬"될 시간이 충분하지 않아 다결정 구조나 결함이 발생하게 됩니다. 실리콘 에피택시의 일반적인 성장 속도는 분당 0.1~1마이크로미터인 반면, 다결정 실리콘의 CVD 증착은 분당 10마이크로미터에 쉽게 도달할 수 있습니다.

또한 에피택시는 챔버의 매우 높은 청결도를 요구합니다. 모든 불순물 원자는 결함 중심이 되어 단결정의 무결성을 손상시킬 수 있습니다.

III. 상호전환

특정 조건에서는 에피택시와 CVD가 상호 변환될 수 있습니다.

CVD에서 에피택시까지: 기판이 단결정 실리콘이고 증착 온도가 충분히 높고 성장 속도가 충분히 느린 경우 일반적으로 다결정 실리콘을 생산하는 CVD 공정이 단결정 에피택시로 전환될 수 있습니다. 예를 들어, 900°C 미만에서 실란을 사용하여 증착하면 다결정 실리콘이 생성됩니다. 실란 분압을 낮추면서 온도를 1050°C로 높이면 단결정 실리콘 기판 위에 단결정 에피택시층이 성장할 수 있습니다. 이것이 에피택셜 성장의 기본 원리입니다. 표면 확산 속도를 증가시킴으로써 원자는 격자 위치를 "찾을" 기회를 갖게 됩니다.

에피택시에서 CVD까지: 온도가 충분히 높지 않거나 성장 속도가 너무 빠르면 에피택시 프로세스가 다결정 또는 비정질 증착으로 "퇴화"됩니다. 예를 들어, 저온에서 실리콘을 에피택셜 성장시키려는 시도는 비정질 실리콘을 초래할 수 있습니다. 빠른 속도의 에피택시는 다결정 구성 요소를 도입할 수 있습니다. 업계에서는 다결정 실리콘 박막을 성장시키기 위해 의도적으로 이러한 "열화"를 사용하는 경우가 있습니다. 예를 들어, 트렌치 충진에서는 비정질 실리콘 층을 먼저 저온에서 버퍼로 증착한 다음 고온에서 어닐링하여 결정화합니다.

IV. 공존과 공생

고급 제조 공정에서는 에피택시와 CVD가 동일한 장비에 공존하고 심지어 동일한 공정 단계에서 협력하는 경우가 많습니다.

선택적 에피택시가 대표적인 예이다. 소스-드레인 리프트 공정에서 에피택셜 실리콘은 노출된 단결정 실리콘 영역에서 선택적으로 성장해야 하는 반면, 이산화규소 또는 질화규소 분리 영역에서는 아무 것도 성장하지 않습니다. 이 과정은 실제로 에피택시와 CVD 사이의 "경쟁"입니다. 단결정 실리콘 표면에서 원자는 빠르게 이동하여 격자 위치를 찾아 에피택셜 층을 형성할 수 있습니다. 절연 표면에서는 원자 핵 생성이 느리고 최종 증착된 다결정 또는 비정질 물질이 선택적으로 에칭될 수 있습니다.

에피택시 및 다결정의 연속 증착: 3D NAND 제조에서는 때로는 먼저 단결정 실리콘을 시드 레이어로 에피택셜 성장한 다음 CVD 모드로 전환하여 다결정 실리콘을 증착하여 트렌치를 채워야 하는 경우가 있습니다. 동일한 에피택시 장비는 온도와 가스 비율을 조정하여 단결정과 다결정 모드 간에 자유롭게 전환할 수 있습니다.

스트레인드 실리콘 기술의 에피택시 + 증착: 게르마늄 실리콘은 PMOS의 소스 및 드레인 영역에서 에피택셜 성장되고 실리콘 질화물 스트레스 패드가 동시에 CVD 증착됩니다. 두 가지가 함께 작용하여 채널 압축 응력을 도입하고 홀 이동성을 향상시킵니다.

V. 결론

에피택시와 CVD는 두 가지 뚜렷한 접근 방식을 나타냅니다. 하나는 "원자 수준의 완벽한 복제"를 추구하는 것이고, 다른 하나는 "효율적인 필름 형성"을 위한 실용주의입니다. 이들은 기체상 화학 반응의 기본 원리를 공유하지만 결정 품질, 온도 범위 및 성장 속도 측면에서 크게 다릅니다. 온도와 속도를 조정하면 상호 변환이 가능합니다. 독창적인 프로세스 설계를 통해 단일 장치에서 공존하고 동일한 프로세스에서 작업할 수 있습니다. 칩이 완벽한 단결정 채널과 조밀한 다결정 게이트 및 절연 유전층을 모두 보유할 수 있게 하고 수십억 개의 트랜지스터가 함께 작동하는 웅장한 건물을 지원하는 것은 이 두 사촌 간의 조화로운 협력입니다.

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