LPCVD와 PECVD의 차이: 온도·막질·단차 피복성·응력·용도 비교

둘 다 기체 원료를 반응시켜 막을 만드는 CVD이지만, 반응 에너지를 주는 방법이 다릅니다. LPCVD는 감압한 로 안에서 600~800 ℃ 정도의 열만으로 반응시키므로, 치밀하고 수소가 적은 막이 단차에도 균일하게 형성됩니다. PECVD는 플라즈마로 원료 가스를 분해하므로 300~400 ℃ 정도의 낮은 온도에서 성막할 수 있어, 배선을 형성한 후의 공정에서도 사용할 수 있습니다. 다만 막에 수소가 많이 포함되고, 밀도는 낮은 편입니다.

비교 항목LPCVDPECVD
반응 에너지열만 사용플라즈마(고주파 방전)로 원료 가스를 분해·활성화함
온도(대표적인 범위)600~800 ℃ 정도300~400 ℃ 정도
압력(대표적인 범위)수십~수백 Pa수백 Pa 정도
처리 방식종형로의 배치 처리. 100장 이상의 웨이퍼를 나란히 세워 한 번에 성막함매엽식이 주류. 샤워헤드 전극 아래에서 웨이퍼를 1장씩 처리함
막질치밀하고 조성이 화학량론에 가까움. 식각 속도는 느림밀도가 낮은 편이고 조성이 어긋나기 쉬움. 식각 속도는 빠름
수소 함유량(질화막의 예)수% 이하Si-H나 N-H 형태로 10~30% 정도
단차 피복성표면 반응 율속이므로 단차에도 균일에 가까운 두께로 형성됨LPCVD보다 떨어지는 경우가 많음. 원료나 조건에 따라 개선할 수 있음
막 응력질화막은 약 1 GPa의 큰 인장 응력. 두껍게 하면 갈라지기 쉬움고주파와 저주파 전력의 비 등으로 압축에서 인장까지 조정할 수 있음
스루풋1회 처리는 승온·강온을 포함해 길지만, 여러 장을 동시에 처리함성막 속도가 빠르고, 1장당 처리 시간이 짧음
사용할 수 있는 공정배선을 형성하기 전(고온을 견디는 단계)배선을 형성한 후에도 사용할 수 있음
주요 막과 용도폴리실리콘, LOCOS나 STI의 마스크와 스페이서용 질화막, TEOS 산화막층간 절연막, 패시베이션막, 구리 확산 방지막, SiON 반사 방지막, 하드 마스크

수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.

상황별 선택 기준

LPCVD
고온을 견디는 공정에서 치밀함·순도·단차 피복성을 우선하고 싶을 때. 게이트 폴리실리콘, 소자 분리나 스페이서용 질화막 등 트랜지스터를 만드는 전반부 공정.
PECVD
하지가 고온을 견딜 수 없을 때. 알루미늄이나 구리 배선을 만든 후의 층간 절연막이나 보호막, 응력을 조정하고 싶은 질화막 등.
구분 사용의 기준
열 예산(온도를 어디까지 올릴 수 있는가)으로 먼저 사용할 수 있는 방식이 정해집니다. 그다음 필요한 막질·피복성·응력·처리 속도를 비교해 선택합니다.

자주 묻는 질문

PECVD는 왜 낮은 온도에서 성막할 수 있나요?

플라즈마 속 높은 에너지의 전자가 원료 가스에 충돌해, 반응하기 쉬운 라디칼이나 이온으로 분해하기 때문입니다. 가스나 웨이퍼 자체를 고온으로 하지 않아도 반응이 진행되므로, 열 CVD의 600~800 ℃에 비해 300~400 ℃ 정도에서 성막할 수 있습니다.

LPCVD를 배선 형성 후에 사용할 수 없는 이유는 무엇인가요?

600~800 ℃ 정도의 고온이 필요해, 알루미늄 배선은 녹거나 변형되고 구리 배선이나 low-k 막도 열화되기 때문입니다. 배선 공정에서는 일반적으로 온도를 400 ℃ 정도까지로 억제해야 하므로 PECVD가 사용됩니다.

PECVD 막에 수소가 많으면 무엇이 문제가 되나요?

막의 밀도가 낮아지고 습식 식각 속도가 빨라집니다. 또한 이후 열처리에서 수소가 빠져나가면 막이 수축해 응력이 변할 수 있습니다. 그래서 치밀함이나 순도가 필요한 막에는 LPCVD가 선택됩니다.

LPCVD에서 많은 웨이퍼를 한 번에 처리해도 막 두께가 고른 이유는 무엇인가요?

감압하면 가스 분자의 확산이 빨라져, 성막 속도가 가스 공급이 아니라 표면 반응으로 정해지기 때문입니다(표면 반응 율속). 표면 온도가 고르면 웨이퍼를 수 mm 간격으로 세워도 어디서나 거의 같은 두께의 막이 형성됩니다.

이해도 확인

플라즈마 CVD(PECVD)의 주된 장점으로 올바른 것은?

  1. A열 CVD보다 높은 온도가 필요하다
  2. B막 속에 수소가 전혀 포함되지 않는다
  3. C열 CVD보다 낮은 온도에서 성막할 수 있다
정답과 해설 보기

정답: C. 열 CVD보다 낮은 온도에서 성막할 수 있다

플라즈마 CVD는 플라즈마 속 전자의 에너지로 원료 가스를 분해·활성화하기 때문에, 열만으로 반응시키는 열 CVD(600~800 ℃ 정도)보다 낮은 300~400 ℃ 정도에서 성막할 수 있습니다. 알루미늄이나 구리 배선 형성 후처럼 고온을 쓸 수 없는 공정에서 층간 절연막이나 보호막 성막에 사용됩니다. 한편 원료 가스에서 유래한 수소가 막에 포함되기 쉬워 막질은 열 CVD보다 떨어지는 경향이 있습니다.

감압 CVD(LPCVD)의 특징으로 올바른 것은?

  1. A감압 상태에서 수행하므로 막 두께 균일성이 좋고 다수의 웨이퍼를 한 번에 처리할 수 있다
  2. B대기압에서 수행하므로 장비가 가장 간단하다
  3. C플라즈마를 사용하므로 실온에서 성막할 수 있다
정답과 해설 보기

정답: A. 감압 상태에서 수행하므로 막 두께 균일성이 좋고 다수의 웨이퍼를 한 번에 처리할 수 있다

LPCVD는 수십~수백 Pa 정도로 감압하여 수행하는 열 CVD입니다. 감압하면 가스 분자의 확산이 빨라져 성막 속도가 표면 반응으로 결정되므로(표면 반응 율속), 웨이퍼를 수 mm 간격으로 세워 100장 이상 배열해도 균일한 막을 얻을 수 있습니다. 단차 피복성도 좋아 폴리실리콘, 실리콘 질화막, TEOS 산화막 등의 성막에 사용됩니다. 온도는 600~800 ℃ 정도로 높아 배선 형성 후에는 사용할 수 없습니다.

동일한 재료의 막으로 비교했을 때, 고온 열 CVD막이 플라즈마 CVD막보다 일반적으로 우수한 점은?

  1. A성막 온도가 낮다
  2. B성막 속도가 반드시 빠르다
  3. C막이 치밀하고 수소 등의 불순물이 적다
정답과 해설 보기

정답: C. 막이 치밀하고 수소 등의 불순물이 적다

고온 열 CVD에서는 원료가 충분히 반응하여 치밀한 막이 만들어지고, 원료에서 유래한 수소 등의 불순물도 적으며, 조성도 화학양론에 가까워집니다. 예를 들어 LPCVD 질화막의 수소는 수 % 이하이지만, 플라즈마 CVD 질화막에서는 20% 안팎 포함되기도 합니다. 플라즈마 CVD는 저온에서 성막할 수 있는 반면 막이 성기고 식각 속도가 빠른 경향이 있으므로, 공정의 온도 제약과 필요한 막질에 따라 구분하여 사용합니다.

  1. 플라즈마 CVD로 성막한 실리콘 질화막의 특징으로 올바른 것은?
  2. 플라즈마 CVD 실리콘 질화막의 응력을 압축에서 인장까지 조정하는 방법으로 사용되는 것은?
  3. CVD에서 스텝 커버리지(컨포멀성)가 좋아지는 조건으로 옳은 것은 무엇인가?

박막 증착(CVD와 PVD) 문제 풀기

주요 용어 설명

LPCVD(저압 CVD)
감압 하에서 수행하는 열 CVD. 기체 분자의 확산이 빨라지므로 막 두께 균일성과 단차 피복성이 좋고, 다수의 웨이퍼를 수직로에서 한 번에 처리할 수 있다. 폴리실리콘과 질화막 성막에 사용된다.
PECVD(플라스마 CVD)
플라스마로 원료 가스를 분해하여 막을 증착하는 CVD. 열 CVD보다 낮은 온도에서 성막할 수 있으며, 배선 공정의 절연막 등에 사용된다.
스텝 커버리지(step coverage)
단차나 홀의 측면·바닥에 평평한 부분과 비교해 얼마나 균일한 두께로 막이 형성되는지를 나타내는 지표. ALD는 매우 우수하다.
CVD
화학 기상 증착. 원료 가스의 화학 반응으로 웨이퍼 위에 박막을 퇴적하는 방법.
패시베이션막(Passivation Layer)
칩 최상층에 형성하여 내부 회로를 수분, 오염, 기계적 흠집으로부터 보호하는 막. 실리콘 질화막이나 폴리이미드 등이 사용된다.

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