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스퍼터링과 진공 증착의 차이: 원리·단차 피복성·밀착성·합금 조성 비교

둘 다 고체 재료를 원자로 만들어 웨이퍼에 쌓는 물리 기상 증착(PVD) 방식입니다. 스퍼터링은 플라즈마의 아르곤 이온으로 타깃을 때려, 튀어나온 원자를 쌓습니다. 진공 증착은 고진공에서 저항 가열이나 전자빔으로 재료를 가열해 증발시킵니다. 스퍼터링은 합금 조성을 유지하고 밀착성이 좋아 칩 배선과 배리어 메탈의 주류입니다. 진공 증착은 원자가 직선으로 날아가므로 리프트오프로 전극을 만드는 데 유용합니다.

비교 항목스퍼터링진공 증착(저항 가열·전자빔)
원자를 내보내는 방식플라즈마의 Ar 이온이 타깃에 부딪혀 운동량 전달로 원자를 튕겨 냅니다저항 가열이나 전자빔으로 재료를 가열해 증발시킵니다
압력과 원자의 에너지약 0.1~1 Pa의 가스 속. 도달하는 원자는 보통 수~수십 eV고진공(기준으로 약 10⁻⁴ Pa 이하). 도달하는 원자는 약 0.1 eV에 불과합니다
단차 피복성한정적이지만 증착보다는 좋습니다. 이온화 스퍼터링이나 콜리메이터로 구멍 바닥의 성막을 개선합니다매우 나쁨. 원자가 직선으로 날아가 그늘진 곳에는 닿지 않습니다
밀착성과 막질좋음. 막이 치밀해지기 쉽습니다보통 스퍼터링보다 약합니다. 기판 가열 등으로 개선합니다
합금과 화합물의 조성타깃과 거의 같은 조성의 막이 됩니다. 반응성 스퍼터링으로 질화물 같은 화합물도 만듭니다성분마다 증기압이 달라 조성이 어긋나기 쉽습니다(여러 증발원의 동시 증착으로 조정할 수 있음)
성막 속도마그네트론으로 실용적인 속도를 얻습니다. 재료에 따라 다릅니다일반적으로 높이기 쉽습니다
기판에 대한 영향플라즈마와 고에너지 입자에 노출되어 가열이나 손상이 생길 수 있습니다기판 가열은 비교적 적습니다. 전자빔 증착에서는 X선이 손상을 일으킬 수 있습니다
대표 용도칩 배선(Al, Cu), 배리어 메탈(Ta, TaN, TiN), Cu 시드층, 실리사이드용 금속리프트오프로 만드는 전극(예: 화합물 반도체), 연구 개발, OLED 발광층

수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.

상황별 선택 기준

스퍼터링
큰 웨이퍼 전체에 균일하고 밀착성 좋은 막이 필요할 때나, 합금막과 질화막이 필요할 때. 칩 배선 공정의 금속막은 대부분 스퍼터링으로 만듭니다.
진공 증착
막이 바로 위에서만 쌓여야 하는 리프트오프, 고순도 막, 플라즈마에 노출하고 싶지 않은 재료에 씁니다. 전자빔을 쓰면 고융점 금속도 증발시킬 수 있습니다.

자주 묻는 질문

칩 배선에 주로 스퍼터링을 쓰는 이유는 무엇인가요?

타깃과 거의 같은 조성으로 합금과 화합물을 쌓을 수 있고, 치밀하고 밀착성 좋은 막을 얻으며, 큰 웨이퍼를 균일하게 덮을 수 있기 때문입니다. 질소를 이용한 반응성 스퍼터링으로 TiN이나 TaN 배리어 메탈도 만듭니다.

진공 증착이 리프트오프에 적합한 이유는 무엇인가요?

증발한 원자가 거의 직선으로 날아가므로 레지스트 측벽에는 막이 거의 붙지 않습니다. 레지스트를 녹이면 그 위의 막은 깨끗이 떨어져 나가고 패턴 안의 막만 남습니다. 스퍼터링은 측벽에도 막이 붙어 막이 깔끔하게 끊어지지 않습니다.

저항 가열 증착과 전자빔 증착은 무엇이 다른가요?

저항 가열 증착은 금속 보트 같은 용기에 전류를 흘려 가열합니다. 간단하지만 고융점 재료는 증발시키기 어렵고, 보트가 막을 오염시킬 수 있습니다. 전자빔 증착은 재료에 전자빔을 집중시키므로 고융점 금속이나 산화물도 오염을 적게 하며 증발시킬 수 있습니다.

구멍 깊숙이 막을 쌓으려면 어떻게 하나요?

스퍼터링에서는 튀어나온 원자를 이온화해 바이어스로 수직으로 끌어들이거나, 콜리메이터를 쓰면 바닥의 피복이 좋아집니다. 그래도 부족하면 표면 반응으로 쌓는 CVD나 ALD를 씁니다.

이해도 확인

스퍼터링에 의한 성막은 다음 중 무엇으로 분류됩니까?

  1. APVD(물리 기상 증착)
  2. BCVD(화학 기상 증착)
  3. C열산화
정답과 해설 보기

정답: A. PVD(물리 기상 증착)

스퍼터링은 아르곤 등의 플라즈마 속 이온을 수백 V로 가속하여 타깃에 충돌시키고, 운동량을 받아 튀어나온 원자를 웨이퍼에 증착하는 방법으로, 화학 반응을 사용하지 않는 물리적 현상이므로 PVD(물리 기상 증착)로 분류됩니다. 금속 배선, 배리어 메탈(Ta, TiN 등), Cu 시드층, 전극 등의 성막에 사용됩니다. CVD는 원료 가스의 화학 반응, 열산화는 실리콘 자체의 산화입니다.

진공 증착에 대한 설명으로 올바른 것은?

  1. A원료 가스의 화학 반응으로 막을 증착한다
  2. B전해액 속에서 금속을 석출시킨다
  3. C진공 속에서 재료를 가열해 증발시키고 기판에 부착시킨다
정답과 해설 보기

정답: C. 진공 속에서 재료를 가열해 증발시키고 기판에 부착시킨다

진공 증착은 저항 가열이나 전자빔으로 재료를 가열해 증발시키고, 10⁻⁴ Pa 정도 이하의 진공 속을 날아간 원자를 기판에 부착시키는 PVD입니다. 장비가 비교적 간단하고 순도 높은 막을 얻을 수 있지만, 원자가 직진하기 때문에 단차 피복성이 낮고 합금의 조성도 어긋나기 쉬워 LSI 배선에는 주로 스퍼터가 사용됩니다. 화합물 반도체 전극 형성의 리프트오프나 유기 EL 발광층의 성막 등에 사용됩니다.

전자빔으로 재료를 가열하는 진공 증착의 장점으로 올바른 것은?

  1. A고융점 재료도 증발시킬 수 있다
  2. B단차 피복성이 매우 높다
  3. C원료 가스의 화학 반응으로 막을 만든다
정답과 해설 보기

정답: A. 고융점 재료도 증발시킬 수 있다

전자빔 증착에서는 수 kV로 가속한 전자빔을 재료에 집중시켜 가열하므로, 저항 가열로는 녹이기 어려운 텅스텐, 몰리브덴, 산화물 등도 증발시킬 수 있고 도가니로부터의 오염도 적습니다. 증발한 원자는 직진하므로 단차 피복성이 낮은데, 이 성질을 이용해 레지스트 위에 성막한 뒤 레지스트째 불필요한 부분을 제거하는 리프트오프법으로 전극을 만드는 데 사용됩니다.

  1. 스퍼터링이나 증착 등의 PVD에서 깊은 트렌치의 측벽이나 바닥에 막이 잘 형성되지 않는 주된 이유는?
  2. 진공 증착과 비교했을 때 스퍼터링의 장점으로 올바른 것은?
  3. 성막에서 스텝 커버리지(단차 피복성)에 대한 설명으로 올바른 것은?

박막 증착(CVD와 PVD) 문제 풀기

주요 용어 설명

스퍼터링(Sputtering)
플라스마 속의 이온을 타깃에 충돌시켜 튕겨 나온 원자를 웨이퍼에 증착하는 PVD의 일종.
진공 증착(vacuum evaporation)
진공 중에서 재료를 가열해 증발시켜 기판에 부착시켜 막을 만드는 방법. 전자빔으로 가열하면 고융점 재료도 다룰 수 있지만 단차 피복성은 낮다.
마그네트론 스퍼터링(Magnetron Sputtering)
타깃 뒷면에 자석을 두고 자기장으로 전자를 타깃 근처에 가두어 플라스마 밀도를 높이는 스퍼터링. 성막 속도가 빨라져 현재 스퍼터 장비의 주류이다.
반응성 스퍼터링(Reactive Sputtering)
금속 타깃을 질소나 산소 등 반응성 가스를 포함한 분위기에서 스퍼터하여 질화물이나 산화물 막을 만드는 방법. 질화티타늄(TiN) 등의 성막에 사용된다.
스텝 커버리지(step coverage)
단차나 홀의 측면·바닥에 평평한 부분과 비교해 얼마나 균일한 두께로 막이 형성되는지를 나타내는 지표. ALD는 매우 우수하다.
배리어 메탈(Barrier Metal)
구리 배선 둘레에 두어 구리가 절연막이나 실리콘으로 확산되는 것을 막는 얇은 금속막. Ta, TaN 등이 쓰인다.
시드층(Seed Layer)
Cu를 전해 도금으로 매립하기 전에 스퍼터링 등으로 얇게 형성하는 Cu막. 도금 전류를 흘리기 위한 도전층이 된다.

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