반도체 생산에서 이온화 PVD(Physical Vapor Deposition)라는 기술이 스퍼터 링 및 CVD(Chemical V-apor Depostion)등을 대체하는 박막형성기술로 주목받고 있다.
현재 반도체 기판에 박막을 형성시키는 기술로서는 진공상태에서 전자자장을 이용, 기판위에 화학적으로 불활성 상태인 아르곤 가스등의 이온을 아주 얇게 코팅하는 기술인 스퍼터링 기술과 기판표면의 배선, 전극등에 가스와 액체 가스와 고체의 화학반응에 의해 생성되는 박막 퇴적물질을 입히는 CVD등 의 방법등이 주로 이용되고 있다.
그러나 이온화 PVD기술은 기판에 금속을 물리적으로 증착시키는 기존 PVD기 술에서 한발 더 나아가 스퍼터링으로 발생한 금속원자를 이온화하는 공정을 기본개념으로 하고 있다.따라서 금속원자의 이온화율을 높이는 것이 이 기술 의 관건이라고 볼 수 있다.
이 기술에 따르면 금속의 이온은 낮은 에너지로도 가속할 수 있고 이 결과상온에서도 적절한 밀도를 유지한다. 이는 처음에는 ECR(Electorn Cyclotron Resonance) 플라즈마의 형태로 나타나지만 실제로는 유도화된 rf이온과단 순한 dc바이어스의 형태로 움직이게 된다.
이온화 PVD기술은 우선 구리와 같은 금속의 박막형성을 위해 장비를 교체하지 않아도 된다는 점에서 저가라는 장점이 있다. 이는 이온화 PVD기술을 사용하면 기본장비만으로도 스퍼터링을 할 수 있다는 뜻이 된다.
이 기술은 본래 미 IBM의 빌 홀버씨에 의해 주도되어왔는데 최근 같은 연구 소의 스티븐 로스네이겔박사가 이 연구에 몰두하고 있으며 또한 오크리지 국립연구소에서도 주요 연구과제로 채택하고 있는 것으로 알려졌다.
연구자들은 AlCu와 Cu의 비율을 2대1로 하여 4천옹스트롱의 홈을 충진하는것이 머지않아 가능할 것으로 기대하고 있다.
연구원들은 또한 홈을 "이중 물결무늬"의 형태로 충전하는 기술과 질소티타늄 TiN 필름위에 증착형성을 성공적으로 수행하는 기술을 개발하고 있다.
다음으로 이 이온화 PVD기술은 새로운 공정으로의 수정 운용이 용이하다는 장점을 가지고 있다.
이 시스템은 수정을 요할 경우에는 음극을 교환하여 Al이나 Cu에서 모두 운용할 수 있다.
또 다른 이점은 에너지 절감측면에서 발생하는 것인데 형성되어진 필름의 재 스퍼터링에 이온들을 사용할 수 있다는 것이다.
결과적으로 웨이퍼 표면에서 스퍼터링된 원자의 재분배뿐만 아니라 양각도 가능하게 된다는 것이다. 이온화 PVD는 이와함께 저온공정이라는 특징도 가지고 있다.
IBM과 오크리지국립연구소의 연구원들은 이온이 방향성이 있고 중성자가 대체로 등방성이라는 원리를 이용, 효과적으로 중성자의 이온화율을 높이기 위해 최선을 다하고 있다.
기존의 마그네트론 스퍼터링방법에 입각하면 플라즈마의 밀도는 입방센티미 터당 10의 12제곱으로 극히 높게 나타나지만 대부분의 시스템의 경우 플라즈 마를 통해 스퍼터링되는 이온화율은 비교적 낮거나 거의 없는 것으로 나타나고 있다. 이는 플라즈마의 양 자체가 매우 작거나 스퍼터링된 원자의 속도가 아주 빠르다거나 가스의 압력이 낮은 것등이 주요 원인이 되기 때문으로 보여진다. 로스네이겔박사는 실온에서 70%에 달하는 이온화율로는 1.5대1이나 4천옹스 트롱 넓이의 홈을 AlCu로 직접적으로 충진하기에는 불충분하다고 지적하고 있다. IBM 聖슨연구소는 기존 마그네트론 음극시스템이 음극과 표본의 중간에 위치 한 rf일렉트로드에 의해 배열하게 된다는 것을 알아냈다.
이 연구소는 또 이온화된 금속조각은 표본 금속위에서 음극화된 dc바이어 스에 의해 가속된다는 것도 알아냈다.
실험에 따르면 聖슨연구소의 방법은 이온화율을 최고 85%까지 올리는 것이가능한 것으로 나타났다.
이에 비해 오크리지연구소는 이온화 및 스퍼터링된 원자의 형성뿐만 아니라스퍼터링된 음극을 채택한 단일 ECR 플라즈마를 사용하고 있다.
뿐만 아니라 오크리지연구소는 마그네트론 모드보다는 이온이 충분히 있는전류모드를 음극으로 운용하고 있는데 최근 이 연구소는 1백4nm/min의 형성 률, 즉 20mm웨이퍼상에서 2~15%의 균일한 Cu형성률을 기록하고 있는 것으로나타나 주목받은 바 있다.
향후 LSI(고밀도 집적회로)의 집적도가 향상되고 소자의 미세화에 따라 박막 형성기술 개발이 한층 더 활발해지면서 이온화 PVD기술이 점차 성가를 올릴것으로 기대되고 있다. <허의원 기자>