- 원자층 증착(ALD)을 중심으로 한 반도체 박막 증착 기술

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│ 원자층 증착(ALD : Atomic Layer Deposition) 기술은 반도체 소자에 │
│쓰이는 얇은 막을 증착시키는 기술로 기존 증착기술과 달리 원자층을 │
│한층씩 쌓아 박막을 성장시키는 새로운 개념의 기술이다. │
│ │
│ 원자층 증착법은 요철이 있는 넓은 표면에도 극히 얇은 박을 일정한 │
│두께로 형성할 수 있는 장점에도 불구하고 막형성 온도의 제약, 낮은 │
│증착 속도 등의 이유로 반도체 생산에 아직까지 적용되지 못했다. │
│ │
│ 그러나 국내의 벤처기업인 지니텍(주)가 플라즈마를 이용하여 이러한 │
│단점을 개선한 플라즈마 원자층 증착(PEALD) 장치 를 세계 최초로 │
│작년에 개발한 바 있으며 이어서 금년 10월에는 세계 유수의 반도체 │
│장비업체인 네델란드 ASM사와 장비 공동개발과 라이센스에 관한 │
│계약을 체결하여 장비의 생산은 지니텍이 맡고 판매는 ASM사가 전담 │
│토록 하므로써 국내의 벤처기업에서 개발한 기술 및 장비가 세계 │
│반도체 업체를 대상으로 판매될 수 있는 계기를 마련하였으며 막대한 │
│금액의 로열티 수입도 예상된다. │
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1. 화학기상증착(CVD, Chemical Vapor Deposition) 기술

o CVD는 반응기 안에 주입된 기체들인 열이나 플라즈마 등의 에너지에
의해 기판위에서 화학반응하여 박막을 형성하는 방법을 말하며
반도체막, 절연막, 금속막 등의 박막 형성에 사용되는 현재 가장 널리
쓰이는 증착법이다.

2. 원자층 증착(ALD, Atomic Layer Deposition) 기술

o 반도체 소자의 절연층, 액정 표시소자의 투명전극, 전기발광(EL,
electrolumiscence) 표시 소자의 발광층과 보호층 등의 여러 응용에
박막이 기술적으로 매우 중요하다. 기술의 발전에 따라 집적회로와
광전자 소자와 디스플레이 등에 수~수십 nm 두께의 박막을 일정한
두께로 균일하게 형성할 필요가 커졌다.

o 막 형성에 필요한 원소를 한번에 한가지씩 증발시켜 ZnS 박막을 형성
하는 원자층 적층 성장(ALE, Atomic Layer Epitaxy) 기술은 1974년에
핀란드 특허가, 1977년에 미국 특허가 등록되었지만 그 당시에는 큰
관심을 끌지 못하였다. 아마도 기존의 박막 형성 방법과 너무 다르고
응용 분야가 특수하게 보였기 때문이었을 것이다. 그러나 이 기술을
사용하여 핀란드의 Lohja사가 ZnS:Mn을 사용하여 미국과 일본의 경쟁사
제품보다 훨씬 뛰어난 대면적의 EL 표시소자를 1980년대 초에 내놓았고
이것이 1982년에 Society of Information Display 학회가 수여하는
기술상을 받은 이후 ALE 기술은 고품질의 박막을 형성하는 방법으로
주목을 받기 시작했다. 적층 성장이 아닌 경우도 포함하기 위해 더
일반적으로 이 기술을 ALE가 아니라 원자층 증착(Atomic Layer
Deposition) 즉, "ALD 기술"이라고 부르게 되었다.

o 다른 실리콘 반도체 기술과 달리 ALD 기술을 실리콘 반도체 소자
제조에 적용하려는 노력은 한국에서 최초로 시작되었다. 1996년부터
국내의 반도체 장비업체와 소자업체가 ALD 기술을 사용하는 장비와
소자 연구를 시작하여 1998년에 삼성전자가 반도체 소자업체로는
최초로 ALD 기술을 개발하고 이 기술을 적용하여 차세대 DRAM을
개발했다고 발표하였다.

o 시간당 막 성장 속도가 느리다는 것이 ALD 기술을 실리콘 반도체
공정에 적용하기 어려운 이유였지만 반도체 소자의 미세화에 따라
얇고 두께를 정밀하게 제어해야 할 메모리용 유전막, 확산 방지막,
게이트 유전막 등의 수요가 많아지기 때문에 ALD 기술은 핵심적인
반도체 제조 기술 중의 하나가 될 것으로 보인다.

o 최초의 ALE에서는 순수한 황과 아연의 증기를 번갈아 공급하여 유리
기판에 황화아연을 형성하였다.

Zn + S → ZnS

아연을 증발시켜 반응기에 공급하면 아연이 유리 표면에 흡착한다.
증발한 아연 기체의 공급을 멈추면 유리 표면에 강하게 화학흡착한 아연의
한 원자층만 남고 나머지 아연은 뜨거운 유리 기판에서 다시 증발하여
반응기에서 제거된다. 여기에 황을 증발시켜 반응기에 공급하면 황이
아연 원자층 위에 흡착한다. 증발한 황 기체의 공급을 멈추면 아연
원자층에 강하게 화학흡착한 황의 한 원자층만 남고 나머지 황은 다시
증발하여 반응기에서 제거된다. 이 과정을 반복하여 한 원료 기체 공급
주기마다 ZnS 막을 원자층 단위로 형성할 수 있다.

o 곧 증기압이 더 높은 ZnCl2와 H2S 기체를 원료로 사용하는 ALE
기술도 개발되었다.

ZnCl2 + H2S → ZnS + 2HCl

이 경우에는 화학흡착한 ZnCl2의 염소 원자가 나중에 도달하는 H2S
분자와 반응하여 HCl 기체를 형성하고 ZnS 층을 남긴다. 직접 증발 ALD
기술로는 증발 온도가 매우 높은 원소로 구성된 막을 형성할 수 없었지만
화합물 원료를 사용하는 ALD 기술이 개발됨에 따라 이러한 조성의 막도
ALD 기술로 형성할 수 있게 되었다. 이렇게 화합물 원료를 사용하는 경우
원자층 증착법은 기상 반응을 최대로 억제한 화학증착법의 일종으로 볼
수 있고 이것을 원자층 화학증착법(ALCVD, Atomic Layer Chemical Vapor
Deposition)이라고 부르기도 한다.

o 원료 공급 주기 안에서 각 원료의 공급이 충분하면 기판 표면의
형상에 관계없이 매 원료 공급 주기마다 일정한 두께의 막이 형성
된다. 막의 성장 속도는 시간이 아니라 원료 공급 주기의 수에만
비례할 뿐, 원료 공급량, 유량 등의 공정 조건에 민감하지 않기
때문에 얇은 막의 두께를 정밀하게 제어할 수 있다. 따라서 ALD
기술에는 다음의 장점이 있다.

1) 매우 얇은 막을 형성할 수 있다.
2) 기판의 면적이 넓어도 균일한 두께의 막을 형성할 수 있다. 대면적의
표시 소자에 적용되었고 300mm 웨이퍼에도 쉽게 적용할 수 있다.
3) 기판의 요철에 관계없이 일정한 두께의 막이 형성되기 때문에 단차
피복성이 매우 좋다.
4) 형성된 막에 핀홀이 없다.
5) 분말이나 다공성 물질에도 균일한 두께의 막을 형성할 수 있다.

3. 플라즈마 원자층 증착(PEALD, Plasma Enhanced Atomic Layer
Deposition) 기술

o 기존의 ALD 장비의 문제점을 개선하기 위해 1996년 설립된 국내 벤처
기업인 지니텍(주)가 개발한 것으로 순차적으로 공급하는 원료 공급
주기와 시간을 일치시킨 플라즈마를 이용하여 기존 ALD보다 증착
속도가 훨씬 빨라서 현재 쓰이는 빠른 화학 증착 장치에 맞먹는
속도를 내고 저온에서 박막증착을 해도 고품질의 막질을 얻을 수 있어
10㎚의 극초박막, D램 반도체의 산화탄탈룸막과 F램의 강유전막
형성에 적용할 수 있다. 또한 차세대 구리 배선에 반드시 필요한
확산방지막을 저유전 물질을 손상하지 않는 낮은 온도에서 형성할 수
있다.

o 지니텍(주)의 ALD 장비 다수가 하이닉스 반도체, 한국전자통신연구원,
한국과학기술원 등 기업 및 대학 연구소에 납품되어 사용중이며 2001.
10월에는 세계 유수의 반도체 장비업체인 네델란드 ASM International
N.V.사와 장비 공동 개발과 라이센스에 관한 포괄적인 계약을 체결
하여 장비 생산은 지니텍이 맡고 판매는 ASM이 전담키로 함으로써
국내의 벤처기업에서 개발한 기술 및 장비가 세계적인 반도체 업체를
상대로 판매될 수 있는 계기가 마련되었으며 막대한 금액의 로열티
수입도 예상되고 있다.

o PEALD의 시장 전망 : 현재는 주로 R & D 시장에서 사용되고 있으나
향후 10nm급의 극초박막이 적용될 시점부터 필연적으로 본격적인
시장이 형성될 것으로 전망된다.


4. 증착 관련 기술의 출원 동향

o 반도체 증착 관련 기술에 대한 최근 5년간의 특허 및 실용신안의
내/외국별 출원 현황을 살펴보면 IMF를 겪던 98, 99년에는 내/외국
모두 출원 건수가 감소하다가 2000년 들어 다시 증가추세에 있음을
알 수 있다. 전체 출원 건수에서 외국 건수가 차지하는 비율은 약 27%
정도를 차지하고 있다.

< 증착 관련 기술의 특허 및 실용 출원 건수>
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│ 연도 │1996 │1997 │1998 │1999 │2000 │계 │
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│내국 │ 596 │ 343 │ 322 │ 249 │ 300 │ 1,810│
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│외국 │ 110 │ 142 │ 95 │ 101 │ 218 │ 666 │
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│합계 │ 706 │ 485 │ 417 │ 350 │ 518 │ 2,476│
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* 문의 : 심사4국 반도체1심사담당관실
조현동 사무관. 전화 042)481-5721